基于Koopman算符的新能源电力系统同步稳定分析与控制

背景与挑战

我国新能源装机占比逐年提高，预计到2030年达45.1%，大型风光基地经特高压交、直流送出是新能源规模化开发的重要模式。然而，新能源引发和主导的安全稳定事故频发，如2017年美国、2019年英国和2021年克罗地亚等地发生的电网事故。我国现有稳定控制体系基于传统电源特性，面对高比例新能源时存在安全防御漏洞。

同步稳定性与同步机制

交流电网运行的必要条件是所有电源频率一致、相位同步。同步机电源占主导的电网中，保持频率一致的能力被称为“同步稳定性”。新能源电源由电力电子变流器控制，其与电网同步需要控制器和策略实现。现有稳定控制体系依赖精确模型，而新能源电力系统需要基于系统量测的动态感知和实时控制方法。

运行状态预测

变流器控制模型与参数具有“灰”箱特性，状态量无法直接量测。基于延时嵌入理论，使用量测数据的延时嵌入矩阵重构相空间，识别Koopman算符及其特征函数，并利用Koopman算符特征分解特性对系统状态量轨线进行预测。算例分析表明，该方法可以有效预测受扰后锁相环输出。

稳定域评估

设备阶数高，级联控制耦合复杂，呈现典型的高维非线性特征。基于量测数据实时估计系统的Koopman算符，利用Koopman特征函数构造系统的李雅普诺夫函数，进而识别稳定域边界。李雅普诺夫函数构造依据其定义证明，稳定域边界根据拉塞尔不变集原理确定。算例分析表明，该方法可以识别稳定域边界并辅助判断平衡点性质。

同步失稳振荡抑制

系统中可控元件多，动态特性复杂，控制器性能受控制参数和运行状态影响巨大。系统状态量辨识与预测后，在观测空间中利用线性模型预测控制算法优化控制器输出信号，从而实现振荡的快速抑制。KoopmanMPC控制模型基于量测所构造的Koopman线性化模型，与MPC结合后形成凸二次规划的控制目标，实现控制策略的快速求解。算例分析表明，该方法可以有效抑制同步失稳振荡。

小结

提出了基于Koopman算符的新能源电力系统感知、评估、控制理论与技术，初步实现了响应驱动的电力系统同步稳定分析与控制。主要挑战包括感知变流器模型与参数灰箱特性、感知与状态预测难度、控制耦合复杂和控制受限等。

思考与展望

构建动态感知、实时控制的新型响应驱动式稳定控制模式，可弥补传统分析与控制方法的局限，对支撑新能源电力系统的安全稳定运行具有重要意义。未来研究方向包括网型响应驱动式稳定控制模式、动态感知性、实时控制、非线性系统可控信息获取和智能协同等。