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【优先出版】信息能源系统的信-物融合稳定性分析

已有 217 次阅读 2022-1-21 16:50 |系统分类:博客资讯

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信息能源系统信物融合稳定性分析


能源是人类赖以生存和发展的基础,信息能源系统是计算资源和能源资源的紧密耦合与协同,使得系统的适应性、自治力、可靠性、安全性和可用性远超当前的能源系统。因此建设清洁低碳安全高效的信息能源系统,保证信息能源系统稳定运行,破解当前化石能源困局成为业界重要共识。信物融合稳定性分析是保证信息能源系统稳定运行的关键所在。


王睿, 孙秋野, 张化光. 信息能源系统的信-物融合稳定性分析. 自动化学报, 2022, 48(x): 1−16

(Wang Rui, Sun Qiu-Ye, Zhang Hua-Guang. Stability analysis of cyber-physical fusion in cyber-energy systems. Acta Automatica Sinica, 2022, 48(x): 1−16)

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c210480?viewType=HTML


信息能源系统的稳定运行是实现建设清洁低碳安全高效的新型能源系统的关键。尽管相关理论已经得到了广泛的研究,但大部分的学者皆关注于通信网络延时或攻击下的信息能源系统的稳定性问题。在2020年,功率-信号混合传递策略在《Nature Communications》上被提出,该传递策略不依赖于传统的通信网络,同时不需要载波通信中的信号发生模块。通过物理层的脉宽调制的开关频率和相位偏差两个自由度传递信息,将信息-物理耦合成了整体的信息能源系统。然而该方法需要一系列正交的开关频率传递信息,随着开关频率的降低也会导致信息-物理融合的低频/次同步振荡问题。究其原因在于系统产生了如图1所示的固有延迟时间,此固有延时时间由信息/物理层的采样延迟时间、信息层的计算延迟时间和物理层的脉宽调制延迟时间三部分组成,有效反映了信息-物理相互融合作用的影响。因此,确保系统稳定情况下的信息-物理相互融合而导致的等效延时的阈值亟待提出,该阈值可以进一步指导实际信息能源系统的开关/采样频率的选取,避免信息能源系统出现信息-物理融合影响而导致的失稳现象。


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图1  时间延时构成


信物融合稳定性分析面临的挑战?


信息能源/信息电力系统稳定性分析技术已经被广泛研究,当前技术可以分为网络攻击下的系统稳定性分析问题和无网络攻击下的系统稳定性分析问题。从攻击角度出发,当前研究已经从网络攻击、攻击级联反应、主动预防等多角度构建了相对完整的研究体系。从无攻击角度出发,当前研究多集中于分布式/集中式通信网络的延时。信息电力系统和信息能源系统信-物融合导致的通信延时设计了延时阈值条件已经得到有效的研究。两者都是针对二级控制中存在的通信延时展开研究,给出了二级控制中致使控制器失效的极限延时时间。基于功率-信号混合传递策略的信息能源网络稳定性分析技术尚属空白。


如何分析信息能源系统稳定性?


随着信息能源系统的复杂度不断提高,阻抗模型技术成为了系统模型构建的优先选择。首先构建了内嵌系统固有延时特性的源侧阻抗子系统和载侧导纳子系统模型。进而提出了如图2所示的稳定运行区域判据并构建了广义回比矩阵。将系统频率选取问题转化为广义回比矩阵的Hurwitz矩阵的辨识问题,从而提出了系统频率自适应步长搜索算法,该搜索算法降低了传统广义奈奎斯特曲线判据的复杂度和消除了阻抗技术中子系统稳定的强假设。


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图2  稳定禁止判据


稳定性分析技术的效果如何?


在如图3所示的微电网的实验平台进行验证,三台逆变器由TMS320F28335DSP控制,硬件拓扑内嵌于OPAL-RT OP5600。在此情境下,自适应步长搜索算法获取的微电网稳定下采样/开关频率极限阈值是3.662kHz。分别选取微电网的开关/采样频率为4kHz,3.5kHz和3kHz。


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图3  半实物测试系统图


开关/采样频率选取4kHz时,微电网的开关/采样频率大于提出的辨识策略求解得到的阈值频率,因此,系统可以保持稳定。系统实际的电压波形图如图4所示,系统保持了良好的稳定性;


图4.png

图4  IGBT开关频率4kHz下实验电压波形


开关/采样频率选取3.5kHz时,微电网的开关/采样频率小于提出的辨识策略求解得到的阈值频率,因此,微电网难以保持绝对稳定。微电网实际的电压波形图如图5所示,微电网发生轻微低频振荡;


图5.png

图5  IGBT开关频率3.5kHz下实验电压波形


开关/采样频率选取3kHz 时,微电网的开关/采样频率小于提出的辨识策略求解得到的阈值频率,因此,微电网的稳定性将得不到保证。微电网实际的电压波形图如图6所示,系统发生失稳现象。


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图6  IGBT开关频率3kHz下实验电压波形


作者简介


王  睿

东北大学信息科学与工程学院讲师. 主要研究方向为能源互联网中分布式电源的协同优化及其电磁时间尺度稳定性分析.

E-mail: wangrui@ise.neu.edu.cn


孙秋野

东北大学信息科学与工程学院教授. 主要研究方向为网络控制技术, 分布式控制技术, 分布式优化分析及其在能源互联网和智能电网等领域相关应用. 本文通信作者.

E-mail: sunqiuye@mail.neu.edu.cn


张化光

东北大学信息科学与工程学院教授. 主要研究方向为综合能源系统建模及优化控制, 自适应动态规划, 模糊控制, 网络控制, 混沌控制.

E-mail: hgzhang@ieee.org




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