关于能源科技动向和发展的几点体会-第2页-北极星输配电网

投稿

我要投稿

系统稳定性

稳定性是能量系统的内在要求。19世纪40年代，达尔文写作《物种起源》时，提出的学说是“物竞天择，适者生存”，而在20世纪的新达尔文主义者则进一步解释了：“适者生存”只是宇宙演化普遍规律“稳定者生存”的一种特殊形式[1]。“稳定者生存”的意思是，宇宙是由稳定的物质构成的，占宇宙质量90%的是氢原子，化学元素周期表上的二号元素——氦原子只占9%。

氢原子是一种非常稳定的结构，在一般的情况下氢原子并不会聚合成氦原子。而在万有引力的作用下，空间中大量的氢原子因为相互吸引，会聚集在星系的中央，形成一个氢球，也就是太阳，这是因为粒子向中心聚集是其在引力作用下的一种稳定形式。大量的氢原子在太阳的内部互相吸引碰撞，形成高温和高压的环境，在这种环境中两个氢原子只有合成一个氦原子，才是它的新的稳定形式，这也就是太阳内部的核聚变反应。

再比如，我们扔出去一块石头，这个石头会划出一条抛物线，这是因为这条抛物线是石头运动的最稳定的轨迹。尽管这个抛物线是短暂的，转瞬即逝的。然而在这条抛物线的每一个点上，石头的动能和势能构成的作用量函数是最小的，数学上的变分原理告诉我们，作用量最小的就是最稳定的。所以当一个电力电子化的新能源系统出现次同步振荡的时候，那是因为这个振荡曲线是系统所能找到的最稳定曲线，也就是作用量最小的曲线。只不过这个振荡曲线不是我们所希望的曲线。

它不是我们希望的稳定的曲线，但它确实是这个系统所能产生的最稳定的曲线。之所以产生这样的结果，就是系统设计（或者是控制系统设计）出了问题，作为这个系统的设计者，我们没有为这个系统规定好稳定的运动曲线。就是因为我们心中的数学模型还不够完善。

对于能源互联网来讲，其在每个能量节点以及每一能量通路上的能量密度一定是非常高的，如果这么高的能量密度不能控制稳定，必然会引起灾难性的后果。钱学森先生说[2]：“为了设计一个优良的控制系统，必须充分地了解受控对象、执行机构及系统内一切元件的运动规律。

控制理论主要研究系统状态的运动规律和改变这种运动规律的方法和可能性。前者统称为分析问题，后者则为综合（设计）问题。分析是基础，综合是目的，而后者又是前者的发展结果，是前者的更高阶段。”因此，在设计能源互联网的控制系统之前，我们需要首先研究清楚能源互联网内部一切元件的运动规律。因此，我们必须要建立系统的数学模型。

为了阐明系统的数学模型建模问题，我们需要从西方哲学的起点——柏拉图的“理型论”开始说起。柏拉图的理型论认为：自然界中有形的东西是“流动”的，所以世间没有不会分解的“物质”。属于“物质世界”的每一样东西必然是由某种物质做成。这种物质会受时间侵蚀，但做成这些东西的“模子”或“形式”却是永恒不变的。

事实上，柏拉图的理型，就是数学模型。因为柏拉图学说中的上帝是一个几何学家。柏拉图在雅典旁边的阿卡德摩斯开办最早的大学，就是雅典学园。在雅典学园门口树着一个牌子，上面写着“不懂数学者，不懂几何学者，不得入内”，以显示其对学员数学基础和几何学基础的重视。欧几里得年轻的时候就在雅典学园进行学习，欧几里得为了证明柏拉图的理型论，把几何学演绎到了极致，写成了一本书《几何原本》。

《几何原本》对欧洲的科学发展影响非常巨大，牛顿论述万有引力的《自然哲学的数学原理》在写作之初，就是想要模仿《几何原本》的写法来写。《自然哲学的数学原理》前面很大一部分都是在提出微积分方法，而微积分方法的提出也是以几何学为基础的。积分就是求曲线向前伸展时，曲线下面阴影的面积是多少。而微分就是阴影面积的增长率，这完全是一种几何学的表达。自从有了万有引力，我们才能够精确计算太阳系八大行星的运行轨道。上帝用基于几何学的万有引力规定了行星的运行轨迹，这就是为什么说：柏拉图学说认为上帝是一个几何学家。

如果说自然界是上帝创造的，而电力系统，包括能源互联网系统却是由人类创造的，那么电力系统的设计者和创造者也应该是一个几何学家。人们是按照心目中的数学模型来建造这个电力系统的。如果这个电力系统出现故障，首先我们要看它是不是符合我们心中的数学模型，比如我们设计一个1欧姆的电阻，而在实际中却选择了一个100欧姆的电阻，那么这个电阻就是不符合我们心中的数学模型。

可是如果我们设计了一个1欧姆的电阻，而实际中的电阻总会有百分之几的误差，那么这个百分之几的误差不应该让系统崩溃，否则这个设计是不稳定的，或者说这个设计的抗扰动能力差。电阻、电容、电感等元件参数的偏差属于电路的结构偏差，是一个结构稳定性问题，是静态稳定性分析。通过简单的计算校核就能发现。随着电力电子装备越来越多，控制器越来越复杂以后，系统的动态稳定性问题就增多了。动态稳定性的问题不能简单地通过计算校核来发现了。

历史上，关于运动稳定性最早的研究，是对离心调速器稳定性的研究。英国人艾里最早用动力学微分方程分析了离心摆调速器的不稳定性。他发现了离心摆调速器是可能不稳定的——“机器变得发狂”。当一台大功率的蒸汽机变得发狂的时候，就会出现机毁人亡的灾难性后果，因此人们始终重视蒸汽机这个能量控制系统的稳定性问题。

英国的麦克斯韦在1868年发表文章《On Governors（论调速器）》，使用动力学方法分析了瓦特调速器的稳定性问题，通过求取系统的特征根，解决了二阶及三阶系统的稳定性，但是对于更复杂的高阶系统，因为求取特征根非常困难，就无能为力了。直到1877年，大约蒸汽机控制被介绍的100年之后，E·J·Routh（劳斯）才给出了控制稳定性的条件。劳斯给出的方法，不需要求解多项式的根，也能对系统稳定性给出结论。他是通过对一个三角阵列进行计算实现的，稳定性的充要条件是：劳斯阵列中的第一列元素都为正。而这三角阵列很容易人工计算。使用劳斯判据就可以解决高阶系统的稳定性判断问题。

原标题：关于能源科技动向和发展的几点体会

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

订阅北极星周刊，精彩内容不再错过！

特别声明：北极星转载其他网站内容，出于传递更多信息而非盈利之目的，同时并不代表赞成其观点或证实其描述，内容仅供参考。版权归原作者所有，若有侵权，请联系我们删除。

凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创，转载需获授权。

阅读下一篇

山西建成首个智慧电力体验馆

能源科技查看更多>电网频率查看更多>直流输电技术查看更多>

姓名：
性别：
出生日期：
邮箱：
所在地区：
行业类别：
工作经验：
学历：
公司名称：
任职岗位：

关于能源科技动向和发展的几点体会

山西建成首个智慧电力体验馆

登录注册

绑定账号

想要获取更精准资讯推荐？建议您完善以下信息~

订阅成功

想要获取更精准资讯推荐？建议您
完善以下信息~