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基于Koopman算子的物理信息数据驱动可再生能源主导电力系统振荡抑制策略
Physics Informed Data-Driven Oscillation Stabilization Strategy for Renewable-Dominant Power Systems Based on Koopman Operator
| 作者 | Zihan Wang · Gengyin Li · Ziyang Huang · Xiaonan Zhang · Yanhui Xu · Le Zheng |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 可再生能源发电 振荡稳定 数据驱动策略 柯普曼算子 非线性振荡 |
语言:
中文摘要
随着波动性可再生能源发电(REGs)的高比例接入,振荡现象在全球范围内频繁出现。与传统电力系统中的低频振荡不同,以可再生能源为主导的电力系统中的振荡频率更高,涉及更多非线性因素,严重威胁着系统的稳定运行。振荡稳定控制设计的主要技术挑战在于以可再生能源为主导的电力系统具有非线性、复杂性,且难以获取其模型。为应对这一范式转变,本文提出了一种基于柯普曼算子(KO)的物理信息驱动的数据驱动振荡稳定控制(PDOS)策略,该策略具有强可解释性和高计算效率的优点。首先,基于柯普曼算子实现了非线性动态的全局线性化。随后,提出了一种物理信息驱动的数据驱动柯普曼预测器,构建了适用于电力系统的基函数并引入了物理约束。该预测器能够更准确地表征非线性振荡行为。最后,利用基于物理信息的柯普曼线性二次型调节器,PDOS 策略可通过调节可再生能源发电逆变器的控制参考值实现振荡的在线稳定控制。案例研究表明,所提出的策略能够有效、自适应且稳健地稳定振荡,引入物理信息可提升控制性能。
English Abstract
With the high penetration of volatile renewable energy generations (REGs), oscillations have emerged frequently worldwide. Unlike the low-frequency oscillations in conventional power systems, oscillations in renewable-dominant power systems exhibit higher frequencies, involve more nonlinearities, and seriously threaten the stable operation. The main technical challenges of oscillation stabilization design are the nonlinearity, the complexity and the difficulty in obtaining models of renewable-dominant power systems. To cope with the paradigm shift, this paper proposes a physics informed data-driven oscillation stabilization (PDOS) strategy based on Koopman operator (KO), which offers the merits of strong interpretability and high computational efficiency. Firstly, the global linearization of the nonlinear dynamics is captured based on KO. Subsequently, a physics informed data-driven KO predictor is proposed, with the construction of basis functions adapted to power systems and introduction of physical constraints. This predictor can more accurately characterize the nonlinear oscillation behavior. Finally, using the KO-based linear quadratic regulator informed by physics, PDOS can online stabilize oscillations by regulating the control references of REG inverters. Case studies illustrate that the proposed strategy can stabilize oscillations effectively, adaptively and robustly, and the introduction of physics can enhance the control performance.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于Koopman算子的物理信息驱动振荡稳定技术具有重要的战略价值。随着全球新能源渗透率持续攀升,我们在实际项目中已观察到高频振荡问题日益突出,这与传统电力系统的低频振荡特性存在本质差异,对我们的光伏逆变器和储能系统控制策略提出了新挑战。
该技术的核心价值在于通过Koopman算子实现非线性系统的全局线性化,这为解决新能源并网系统的强非线性问题提供了新思路。对于阳光电源而言,这意味着可以在逆变器控制层面集成更智能的振荡抑制算法,通过在线调节控制参考值实现自适应稳定。这与我们正在推进的智能逆变器技术路线高度契合,特别是在大型地面电站和工商业储能项目中,系统稳定性直接关系到发电效率和电网友好性。
从技术成熟度评估,该方法的物理约束引入和数据驱动特性兼顾了可解释性与工程实用性,相比纯黑盒AI方法更适合电力系统应用。但实际落地仍面临挑战:一是需要大量真实运行数据训练模型,这要求我们建立完善的设备运行数据采集体系;二是不同电网环境下的泛化能力需要验证;三是算法的实时性要求与现有控制器硬件平台的适配问题。
机遇方面,该技术可助力阳光电源构建差异化竞争优势,特别是在高比例新能源接入的弱电网场景。建议与高校合作开展联合研发,结合我们丰富的现场数据资源和工程经验,加速技术验证与产品化进程,将其整合到下一代智能控制平台中。