（电力系统及其自动化专业论文）基于prony法的电力系统低频振荡分析与控制.pdf

塑垩叁兰堕主堂竺丝塞 垒! ! ! ! ! 璺 a n a l y s i s a n dc o n t r o lo fl o w f r e q u e n c ye l e c t r o m e c h a n i c a l o s c i l l a t i o n si np o w e r s y s t e m s b a s e do n p r o n y sm e t h o d a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e so na n a l y s i sa n dc o n t r o lo fl o w f r e q u e n c ye l e c t r o m e c h a n i c a lo s c i l l a t i o n s i np o w e r s y s t e m sb a s e d o n p r o n y sm e t h o d t h e m a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 c h a p t e r1p r e s e n t st h ec l a s s i f i c a t i o n ，c a u s e s ，a n dh a r m f u ls u b s e q u e n c e so fl o w f r e q u e n c y e l e c t r o m e c h a n i c a lo s c i l l a t i o n si np o w e rs y s t e m s s o m et y p i c a la c c i d e n t sr e s u l t i n gf r o mt h i sk i n d o fo s c i l l a t i o n sa r e p r e s e n t e d ac o m p a r i s o n o fd e f e r e n tk i n do fm e a s u r e st o d a m p e l e c t r o m e c h a n i c a lo s c i l l a t i o n si sm a d e a n da l li n t r o d u c t i o nt os o m es o f t w a r e p a c k a g e sf o r a n a l y z i n ge l e c t r o m e e h a n i c a lo s c i l l a t i o n ，i n c l u d i n gp s s e ，m a t l a ba n ds s a t , i sm a d e a tt h ee n do f t h i sc h a p t e r 2 c h a p t e r2d i s c u s s e st h ei n h e r e n td r a w b a c k so f e i g e n a n a l y s i sa n dp r e s e n t sp r o n y sm e t h o d t h ep r i n c i p l e s ，u s e f u li n d e x e sa n dp a r a m e t e rs e l e c t i o no fp r o n y sm e t h o da r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e nt h et e s t so ns e l e c t i o no fp a r a m e t e r ss u c ha ss a m p l i n gf r e q u e n c y , t i m ei n t e r v a la n dm o d e l o r d e ra r em a d ea n dt h e i ri m p a c to nt h er e s u l to f p r o n ya n a l y s i si sa n a l y z e d p r o n y sm e t h o di st h e n e x t e n d e dt o a n a l y z em u l t i o u t p u ts i g n a l t h ei m p a c to fn o n l i n e a r i t y o n p r o n y s m e t h o di s d i s c u s s e da sw e l l p r o n y sm e t h o di su s e di nt r a n s f e rf u n c t i o ni d e n t i f i c a t i o n ，a n di ti su s e f u lf o r c o n t r o l l e rd e s i g nf o rd a m p i n ge l e c t r o m e c h a n i c a lo s c i l l a t i o n s 3 c h a p t e r3d i s c u s e st h es e l e c t i o no fd a m p i n gc o n t r o l l e r s ，e s p e c i a l l yf o rp s s ，h v d c s m a l l s i g n a lm o d u l a t i o na n dt c s c m o d u l a t i o n t h e nr e s i d u e sa s s o c i a t e dw i t ht h eo s c i l l a t i o no f i n t e r e s t a r eu s e da st h ee f f e c t i v ei n d e xa n dt h e i rr e l a t i v em a g n i t u d eu n d e rs e v e r a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa r e u s e da st h er o b u s ti n d e xo fd a m p i n gc o n t r o l l e r s t h ed e s i g np r o c e d u r eo fd a m p i n gc o n t r o l l e r si s p r e s e n t e d ，i n c l u d i n gp s s ，h v d c s m a l ls i g n a lm o d u l a t i o na n dt c s c m o d u l a t i o n p r o n y sm e t h o d i su s e di n o p e n l o o p t r a n s f e rf u n c t i o ni d e n t i f i c a t i o na n d c o m p u t a t i o n o fr e s i d u e s t h e p o l e - p l a c e m e n t m e t h o di su s e di nt h ed e s i g no fc o n t r o l l e r st h e4 - m a c h i n es y s t e m e x a m p l e v a l i d a t e st h ee f f e c t i v e n e s so f t h i sp r o n y sm e t h o db a s e dd a m p i n gc o n t r o l l e rd e s i g n 4 c h a p t e r 4 p r e s e n t sad e t a i l e da n a l y s i so f l o wf r e q u e n c yi n t e r a r e ao s c i l l a t i o n so f t h es o u t h c h i n ai n t e r c o n n e c t e dp o w e r s y s t e mf o rt h ey e a ro f 2 0 0 5b a s e do nt h ee i g e n v a l u ea n a l y s i sm e t h o d p a r t i c i p a t i o nf a c t o r sa n dm o d es h a p ed i a g r a m so fg e n e r a t o r sr e l a t e dt ot h ei n t e r - a r e ao s c i l l a t i o n s a r ef i g u r e do u t ，a n dl o c a t i o n so f p s sa r ed e t e r m i n e da c c o r d i n g l y , t h ep a r a m e t e rs e t t i n gf o rt h ep s s i ss t u d i e da sw e l l t h em e t h o do fh v d cs m a l ls i g n a lm o d u l a t i o ni sa p p l i e dt oe n h a n c et h es m a l l s i g n a ls t a b i l i t y o ft h e s y s t e m ；t h er e s u l t s a r e i n v e s t i g a t e d b a s e do nt h e p r o n y m e t h o d ，t h e 浙江大学硕上学位论文 i n f l u e n c e so fc o m p o n e n t so u t a g ei nt h et r a n s m i s s i o nc o r r i d o ro nt h ei n t e r - a r e ao s c i l l a t i o n sa l e f u r t h e ri n v e s t i g a t e d ，a n ds o m ei m p o r t a mc o n c l u s i o n sa r ed r a w n k e y w o r d s ：e l e c t r o m e c h a n i c a lo s c i l l a t i o n ；s m a l ls i g n a ls t a b i l i t ya n a l y s i s ；e i g e n a n a l y s i s p r o n y sm e t h o d ；t r a n s f e rf u n c t i o ni d e n t i f i c a t i o n ；c o n t r o l l e rd e s i g n ；s e l e c t i o no fc o n t r o ls i g n a l ： p o l ep l a c e m e n t ；p s s ；t c s c ：h v d cs m a l ls i g n a lm o d u l a t i o n ；s o u t hc h i n a i n t e r c o n n e c t e dp o w e r s y s t e m 新江人学颂十学位论文 1 ，1 引言 第一章绪论 从2 0 世纪6 0 年代在北美西北联合系统和西南联合系统试行互联时观察到低 频振荡以来，随着电网的日益扩大，大容量机组在网中的不断投运，快速、高放 大倍数励磁系统的普遍使用，低频振荡现象在大型互联电网中时有发生，已经成 为威胁电网安全的重要问题。如波兰、捷克、匈牙利电网同期接入u c p t e 西欧电 网之后，即观察到弱阻尼的甚至负阻尼的频率和功率振荡。当从东到西或从西到 东联网传送的功率超过1 0 0 0 兆瓦时，就有振荡产生。美国西部电网1 9 9 6 年7 8 月连续两次发生连锁反应式大电网稳定破坏和大面积停电事故，充分表明这种 类型事故是当前及未来电网运行安全的最大威胁“，。 我国互联系统的低频振荡首次记录是在1 9 8 4 年广东与香港联合系统运行中 发现的。在广东系统与九龙系统联网时，1 3 2 k v 及6 6 k v 联络线上出现了振荡周 期约1 7 s 的低频振荡，不能自动平息。后来国内在湖北系统、湖南系统及其互 联系统也曾多次发生低频振荡现象。最近的事例，如二滩水电厂6 台5 5 0 m w 机 组在并入华中一川渝电网后的实际运行中已经出现了低频振荡。南方电网在2 0 0 3 年2 月份和3 月份发生了5 次无故障引起的低频振荡，对电网的稳定运行造成了 极大的威胁。 低频振荡在我国目前的网络构架下多数还属于局部振荡模式，相对于全局所 有机组参与的低频振荡比较容易采取措施进行抑制。然而为了提高电力工业的效 益，发挥电网在输电以及水、火、核等多种能源间的相互补偿、调剂、错峰和互 为备用、事故支援等方面的作用，电网间相互联接、逐步扩大是必然的趋势。区 域电网互联具有重要的意义，可以合理利用能源，加强环境保护，有利于电力工 业的可持续发展。可安装大容量、高效能火电机组、水电机组和核电机组，有利 于降低造价，节约能源，加快电力建设速度。可以利用时差、温差，错开用电高 峰，利用各地区用电的非同时性进行负荷调整，减少备用容量和装机容量。可以 在各地区之间互供电力、互通有无、互为备用，可减少事故备用容量，增强抵御 事故能力，提高电网安全水平和供电可靠性。能承受较大的冲击负荷，有利于改 善电能质量。可以跨流域调节水电，并在更大范围内进行水火电经济调度，取得 更大的经济效益。 我国处于全国联网的初期，联网要经过从弱联系到强联系的发展过程。交流 弱联系统存在十分突出的安全稳定问题，在某些运行方式下存在诱发低频振荡的 可能性。随着三峡水利工程的建设和西部水电的进一步开发，中国的电力系统将 浙江火学硕士学位论文 第一章绪论 朝着“全国联网，西电东送”的格局稳步发展。在这种格局下，电力交换更加频 繁，会出现更多长距离，重负荷输电线路，出现长距离输电走廊，出现长条形的 扁平系统结构，如果不采取适当措施，都很容易引发低频振荡，因此联网之前必 须提出切实有效的措施加以预防。 1 2 低频振荡现象 1 2 1 1 氐频振荡的定义及分类 电力系统中发电机经输电线路并列运行时，在扰动下会发生发电机转子间的 相对摇摆，并在缺乏阻尼时引起持续振荡。此时，输电线上也会发生相应振荡， 其振荡频率一般为0 1 2 5h z ，故称为低频振荡。 按照参与低频振荡的机组的多少可以分为局部系统的低频振荡和全局的低 频振荡。通常振荡频率在0 7h z 以上时为局部系统的低频振荡，以单机与大系 统间振荡为主。0 7h z 以下时为全局的低频振荡，其中振荡频率在0 4h z 与o 7 h z 之间的通常为机群与机群间的相互振荡，而全系统所有机组都参与的低频振 荡，其频率通常在0 3h z 以下“。 低频振荡是危害电力系统安全运行的常见现象。单机与大系统间的振荡表现 为机组有功及无功出力的周期性摆动，通常需要减小机组出力，甚至令机组退出 运行才能平息。而在区域联络线上的低频振荡，会导致联络线上的自动保护措施 自动动作，导致网络解列。低频增幅振荡甚至会导致整个系统的崩溃，如1 9 9 6 年美国w s c c 系统的大停电即是由增幅的低频振荡引起，造成巨大的经济损失 2 6 7 1 2 2 国内外最近发生的几起低频振荡事故 下面选取了国内外近期发生的一些低频振荡事故，其中前三例均为局部振荡 模式，最后一例为全局振荡模式。”“1 。 1 9 9 7 年4 月2 0 日哈三电厂3 号机发电机运行参数显示有摆动现象，有功出 力在5 4 0 4 4 0 m w 之间，无功出力在2 6 8 l o o m v a r 之间有节律、平滑摆动，其周 期接近1 s ，发电机伴随有节律的轰鸣声。值班调度员令其减少发电机有功，增 加无功，当机组有功出力减至3 0 0 m w 时，无功在o 2 9 0 m v a r 间摆动，振荡现象 仍不消失，最后以机组的手动解列而告终。整个过程历时l o 分钟。 从1 9 9 7 年1 2 月起，河北南部电网上安电厂3 、4 号机组到保北变电站的5 0 0 k v 线路发生了1 0 多起大幅度的功率低频振荡。主要特点为振幅大，安保线功率振 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 荡的振幅接近起振前的送电功率，最大值接近发电机的输出最大功率。 而且振 荡激发原因不确定，大扰动、小扰动甚至极微小的扰动都可激发振荡。 1 9 9 8 年8 月阻来，湖北鄂西电网多次发生低频振荡现象，表现为葛洲坝二 江电厂2 2 0 k v 各出线都存在不同程度的低频功率振荡，其中葛雁线、葛荆线振荡 最为明显，振荡剧烈时其有功功率摆动幅度可达4 0 m w 。2 0 0 0 年9 月1 6 日，湖北 宜西电网又发生低频功率振荡现象，并波及自家冲变2 2 0 k v 线路，白莲线有功功 率摆动幅度达7 0 t k f f 。为了系统的安全运行，只能经常限制葛雁线送入系统的功 率不超过1 3 0 m w 运行。 美国西部电力系统( w s c c - - w e s t e r ns y s t e mc o o r d i n a t i n gc o u n c i l ) 1 9 9 6 年8 月1 0 目的大面积停电事故就是由增幅的低频振荡引起的。图1 1 为由录波 器记录的m a l i n r o u n dm o u n t a i n # 1 线的线路功率。由图中可以看出，开始时 由于小扰动的原因出现频率为0 2 7 6h z 的低频振荡，而后在4 0 0 s 左右切除线路 后变为o 2 6 4h z ，此时仍为衰减的振荡，阻尼比为3 4 6 ，直到7 2 5 s 开始发生 增幅振荡，而后一系列的故障和保护措施动作最终导致了大面积停电，造成了重 大损失。 用啄碡f pj o 制幔目陆k f 孵掰t 触。辑游嚣翱蠓6 螂直蛳4 虹时j 珥，喜盛s 图1 一i1 9 9 6 年8 月w s c c 大停电事故前后m a l i n - - r o u n dm o u n t a i ni 号线的有功功率 f i g u r el - - 1a c t i v ep o w e ro nm a l i n r o u n dl i n e # ld u r i n gw s c cb l a c k o u ti na u g 1 9 9 6 1 3 低频振荡的原因 一般认为低频振荡的机理是由于在特定情况下系统提供的负阻尼作用抵消 了系统电机、励磁绕组和机械等方面的正阻尼，使系统总阻尼很小或为负。系统 在负阻尼工况下受到扰动时，扰动逐渐被放大，进而引起功率的低频振荡。重负 荷线路、现代快速励磁和高顶值倍数的励磁系统是造成系统出现负阻尼的主要原 浙江大学硕k 学位论文 第一章绪论 凶”1 。 1 4 低频振荡分析及抑制措施研究现状 1 4 1 研究方法 低频振荡研究常用的研究方法包括时域非线性仿真法，特征值分析法，p r o n y 方法，测试信号法等。其中时域非线性仿真法很直观，但其无法得到模态特征和 用于控制器设计，一般不单独使用。下面对上述后三种方法作一些简要介绍。 特征值分析法 特征值分析法是进行电力系统低频振荡研究的一种经典方法，它在工作点附 近将系统进行线性化，形成系统状态方程矩阵，进而求取特征值，分析系统低频 振荡的模式、模态和灵敏度等。常见的求特征值的方法有q r 算法，对系统进行 降阶的选择模式分析法( s m a ) ，自激法( a e s o p s ) ，改进的a r n o r l d i 算法。其中 改进的a r n o l d i 算法能提供在整个复平面上一定范围那寻找特征值的能力，适合 于大型电力系统的分析，而其他几种算法在大系统分析中均存在一定的局限性。 例如对于q r 算法，由于存在“维数灾”的问题，只能限制在几百个状态量，对 大系统的分析，此方法不能适用。对于选择模式分析法和自激法，在一台机和多 个机电模式强相关，或者一个模式与多台机器强相关时，容易发生“丢根”问题， 即计算所得的机电模式集合不完备“。 对大规模电力系统进行特征值计算一直是特征值分析方法的一大难点。进行 特征值分析的一些关键问题还包括，大规模电力系统的模型参数的精确确定，其 中负荷模型和参数确定有非常大的影响且其参数确定难度很大。美国w s c c 系统 发生由增幅低频振荡引发的大停电事故后，从事故分析中得出一个很重要的结 论，就是当时仿真程序使用的数据有很多问题，包括关键发电厂的无功出力能力 等。事故后w s c c 对仿真用的潮流数据和动态数据进行了大规模的验证工作，为 了使动态仿真的研究更加详细，在w s c c 后面的工作中还包括了对慢动作的发电 机过励磁限制器的建模n “。 另外，由于特征值分析方法计算速度慢，不可能满足在线分析的需要。离线 分析在系统规划阶段可以发挥重大作用，但是对于实时系统的安全运行此方法不 能达到要求。除了计算速度的原因以外，离线计算不可能考虑所有故障或扰动序 列情况下的系统行为，因为不同的顺序将造成系统稳态工作点的不同。而每次工 作点的改变，系统需在新的工作点附近进行线性化，需要的工作量极大。 p r o n y 方法 p r o n y 方法是用指数函数的线性组合来拟合等间隔采样数据的方法，可以从 浙江大学预i ：学位论史 第一耄绪论 中分析出信号的频率、衰减因子、幅值和相位“。和特征值分析方法相比，p r o n f 方法是模态参数辨识的时域方法，不用求解大规模系统的特征值，其系统模型的 阶数可以根据辨识的目的和需要等确定。在低频振荡分析中，这两种方法可互为 补充。 p r o n y 方法对实时测量的系统数据进行分析，最大的问题是对如何避免对噪 声信号的影响。p r o n y 方法的定阶问题也相当重要，在文献 1 4 中有相关的叙述。 文献 1 5 提出了用多个输出信号来使p r o n y 方法得到更精确的结果，在商业程序 中已经得到了应用。 测试信号法 测试信号法是选取部分发电机作为激励点，并在发电机转子上施加一系列小 扰动振荡转矩，对所加，的要求是不能破坏系统线性化条件。由于系统在运行 点附近基本上是线性的，不同频率的量不会相互干扰。因此，可以一次旌加多个 不同频率的扰动转矩。然后对系统进行机电暂态仿真，并提取相同周期内的数据 量a 毛和幽，。对乇，和叶作傅立叶分析，得到不同频率下的相量焉，和亩，。 然后计算不同频率下的机械导纳：g j i ( 蛳) = 西，( 口咖) 屯( 口。o ) ，利用数据拟合 辨识出g j i ( s ) 的表达式：g 。( 。) ：墅一+ 。二! l + , - - 4 - 。二! l ，然后分析低频振荡特 i 似一p lj 埘一p 2i t 一p k 性，包括振荡频率、振荡阻尼和振型等。 测试信号已经得到了一些应用。6 1 “1 ，但运用于大规模系统时还有一些问题需 要进一步研究。 1 4 2 抑制低频振荡的措施研究现状 电力系统稳定器( p s s ) 目前世界上通用的做法是在励磁系统中加装p s s 来提高发电机的阻尼。p s s 投入后，既可必阻尼区域间的振荡模式，也可以阻尼局部振荡模式。用相位补偿 的方法配置p s s 参数具有物理概念明确，操作方便，并具有鲁棒性好等优点“。 国际大电网会议第3 8 研究委员会曾组织专门工作组( t a s kf o r c e3 8 0 1 0 7 ) 对振荡的机理、研究方法和抑制措施等进行了研究。其结论指出：为消除振荡的 威胁，首先应仔细研究整定系统中主要发电机的电力系统稳定器( p s s ) 。迄今为 止，p s s 仍然是抑制低频振荡最经济有效的措施，其次应研究系统中现有高压直 流输电( h v d c ) 、静止无功补偿器( s v c ) 附加控制器的参数整定，使之提供附加 阻尼效果。然后考虑用电力电子装置改造现有可投切补偿装置，使之提供平滑的 阻尼控制。最后可考虑在系统中增装完全用于阻尼振荡的新装置。 浙江大学硕_ l 学位论文 第一审绪论 直流小信号调制 在交直流并联运行的系统里面，可以用直流小信号调制增加对系统低频振荡 的阻尼。最成功的例子是美国太平洋联络线，不但起到了抑制低频振荡的作用， 还使原来的交流联络线的输送容量从2 1 0 0 m w 提高到了2 5 0 0 m w ”。本文后面的工 作对南方电网的南北两个交直流混合输电通道中的直流线路也采用了直流小信 号调制，对阻尼系统低频振荡有良好的效果。 f a c t s 装置 f a c t s 装置的投入同样可以增加对系统低频振荡的阻尼，包括s v c ，s t a t c o m ， t c s c 等。f a c t s 装置具有调节迅速灵活的特点，对改善系统稳定性能具有良好的 作用。f a c t s 装置的作用与其安装的地点和控制策略有很大关系。 用t c s c 阻尼低频振荡最为成功的例子是巴西南北电网联网工程乜。1 。在巴西 南北的5 0 0k v 联络线上，始端、末端各配置有一组可控串联补偿装置，中间分 布3 级不可控串联补偿装置，输送容量达到1 3 0 0m w 。瑞典和美国电网也都配置 有可控串联补偿装置，这项技术正处在发展成熟过程中。 f a c t s 装置在国外的电网中运用的越来越多，但由于其价格昂贵，在国内的 电网中实际投入运行还很少。我国第一个可控串补( t c s c ) 工程一平果可控串补 站于2 0 0 3 年6 月投产。 其他 其他可以用于阻尼低频振荡的装置包括b e s s ( b a t t e r ye n e r g ys t o r a g e s y s t e m ，电池储能系统) ，s m e s ( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i cs t o r a g e ，超导磁储 能) 等。这些新型的阻尼低频振荡的装置目前尚处于研究阶段，尚未大量投入工 业应用。 b e s s 的核心部件是蓄电池和g t o 一类的器件组成的交直流变换器。电池蓄能 系统既可作为旋转备用，也可作为调峰和调频电源，或直接安装在重要用户内， 作为大型的不间断电源。同时，b e s s 还具有无功调节的功能。目前，全世界已 有近2 0 个b e s s 在系统中运行。例如，美国加州c h i n o 变电站安装有i o m w 的b e s s ， 在洛杉矾的v e r n o n 安装有5m w 的b e s s 。b e s s 在电力系统中大规模应用的主要 技术关键是提高蓄电池的储能密度，降低价格以及延长寿命。目前的蓄电池储能 密度达到1 0 0 2 0 0 w h k g ，寿命为8 - 1 0 年。 s m e s 系统通过对超导线圈的预充电，在线圈中储存了一定的能量，通过控 制换流器触发脉冲可以实现s m e s 与系统交换有功无功，从而实现s m e s 的多种功 能。典型的s m e s 从电网吸收最大功率到向电网输送最大功率的转变只需几十m s 。 由于这种快速平滑的调节特性，超导线圈内的电流一般很大，即使容量较小的 s m e s 也可以向系统提供较大的瞬时功率，这对提高系统动态稳定性、暂态稳定 性及增加系统的阻尼很有好处。美国两海岸电网在8 0 年代曾利用超导储能设备 惭江人学颁 ：学位论文 第一靠绪论 平抑了该系统0 3 5h z 的低频振荡，其超导最大储能为3 0m j 。 1 5 本文使用的软件简介 1 5 1 p s s e 简介 电力系统仿真软件p s s e 是由美国电力技术公司( p 1 、i ) 开发的商业软件，主 要用于计算潮流，短路电流，进行动态模拟仿真( 包括长过程稳定) ，优化潮流， 线性网络及小于扰信号分析等。p s s e 是目前国际上应用广泛的电力系统专业软 件，已经用于世界上最大的电力网络的生产计算。它提供了一系列的先进功能， 包括用户自定义模型，用户编程的计算过程和用户设定的优化计算，该程序能满 足用户的各种各样分柝需求”“。 p s s e 带有小扰动分析模块，采用e i s p a c k 子程序求取系统矩阵的特征值和 特征向量。此子程序可以用于小系统，而对大规模电力系统的特征值计算无能为 力。 另外，p s s e 程序的p s s p l t 模块中可以进行简单的p r o n y 分析。p s s p l t 中 的p r o n y 分析最多可以用1 0 0 个点，最多能作5 0 阶的p r o n y 分析( 最多点数的 一半) 。 1 5 2 m a t l a b 简介 m a t l a b 由m a t h w o r k s 公司开发，已经成为国际上最流行的科学与工程计算 的软件工具，现在的m a t l a b 已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它已经成为 了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言了，有人称它为“第四代” 计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。m a t l a b 语言的 功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。在科学运算、自动控 制与科学绘图领域i a t l a b 语言长期保持其独一无二的地位。m a t l a b 具有强大 的数学运算能力、方便实用的绘图功能及语言的高度集成性，它在其他科学与工 程领域的应用也是越来越广，并且有着更广阔的应用前景和无穷无尽的潜能。特 别是m a t l a b 提供了大量的工具箱，为本文的工作带来了极大的方便。 1 5 3 s s a t 简介 s s a t 是由p o w e r t e c h a b s 公司开发，全称为s m a l ls i g n a la n a l y s i st o o l 是大规模电力系统小扰动稳定分析的一款综合程序。s s a t 提供了多种计算系统 浙江人学颂十学位论文 第一章绪论 矩阵特征值的方法，包括改进a r n o l d i 算法，因此可以用于大规模电力系统的分 析。s s a t 能够兼容p s s e 数据格式，为程序的使用提供了很大的方便。另外， s s a t 还具有预想紧急状态分析，频率响应分析，小扰动稳定极限分析，结果的 可视化等功能 2 2 。 1 6 本文的主要工作 本文的主要工作如下： 1 通过分析特征值法存在的一些不足，引出p r o w 分析方法。对其基本原理， 常用指标，参数选择进行了详细阐述。测试了时间长度，采样频率以及p r o n y 模型阶数对分析结果的影响。并分析了p r o n y 法推广到多输出信号的情况，阐明 了非线性对p r o n y 分析法的影响。最后，把p r o n y 方法应用到了传递函数的辨识 中，为后面阻尼低频振荡的控制器设计打下基础。 2 分析了阻尼低频振荡的控制器选择，主要阐明了p s s ，t c s c 和直流小信号 调制的应用场合及各自的优缺点。在此基础上，提出了用低频振荡模态对应的留 数大小来衡量控制器输入信号的有效性，用多个运行方式下留数的相对大小来衡 量输入信号的鲁棒性。描述了基于p r o n y 方法的控制器设计过程，包括p s s ，t c s c 和直流小信号调制，把p r o w 方法主要用于不含控制器的系统开环传递函数辨 识，以及留数的求取。控制器设计主要用了极点配置的方法。并用4 机系统对 p s s 的设计以及t c s c 的控制信号选取作为例子表明了本文基于p r o n y 方法设计 低频振荡阻尼控制器的有效性。 3 采用特征值分析法详细分析了2 0 0 5 年夏大运行方式下南方电网的低频振 荡特性，计算了对应主要振荡模式的发电机参与因子和模态分布图，并根据参与 因子的大小研究了南方电网的p s s 配置方案及其参数整定。采用p r o n y 方法，研 究了直流小信号调制对提高低频振荡阻尼的作用。对南方电网西电东送通道部分 元件退出运行时对低频振荡特性的影响进行了研究，得出了一些重要结论。 参考文献 1 倪以信，陈寿孙，孙宝霖动态电力系统的理论和分析 m 】北京：清华大学出版 社，2 0 0 2 【2 gr o g e r s p o w e rs y s t e mo s c i l l a t i o n s m 】k l u w e ra c a d e m i cp u b l i s h e r s ，u s a 2 0 0 0 3 】rk u n d u n p o w e r s y s t e ms t a b i l i t ya n dc o n t r o l m m c g r a w - h i l l ，i n c ，n e wy o r k ， 1 9 9 4 4 1 3 2 梅义，吴竟昌，蒙定中大电网系统技术【m 】北京：中国电力出版社1 9 9 5 、 浙江大学顺十学位论文 第一章绪论 f 5 】周孝信面向2 1 世纪的电力系统技术 j 电气刊代2 0 0 0 ( 2 ) 6 - 8 页 6 】陈建业，王仲鸣1 9 9 6 年夏季美国西部电力系统停电事故 j 电网技术1 9 9 8 ， 2 ( 2 ) ，5 2 - 5 6 页 7 何大愚对于美国西部电力系统1 9 9 6 年7 月2 日大停电事故的初步认识 j 电 网技术，1 9 9 6 ( 9 ) 8 】余保东等湖北电网低频振荡计算分析 j 电力系统自动化2 0 0 1 ，1 5 9 张叔畔，康健，李小平抑制鄂西电网低频振荡的试验研究【j 湖北电力，2 0 0 2 年8 月，第2 6 卷第4 期 【1 0 】郭庆阳，李清贤，王文杰哈三电厂3 号机发生低频振荡的原因及应急方法【j 】 大电机技术2 0 0 2 ( 5 ) 6 - 8 页 1 1 t 铁强等p r o n y 算法分析低频振荡的有效性研究 j 】中国电力2 0 0 1 ，1 1 12 t a y l o rc w - i m p r o v i n gg r i db e h a v i o r j 】s p e c t r u m ，i e e e ，v o l u m e3 6 ，i s s u e 6 ，j u n e1 9 9 9 p a g e s ：4 0 4 5 【1 3 】张贤j e 盘( z h a n gx i a n d a ) 现代信号处理( m o d e ms i g n a lp r o c e s s i n g ) m ，北京：清华 大学出版社( b e i j i n g ：t s i n g h u au n i v e r s i t yp r e s s ) 1 9 9 5 【1 4 w u m a r e s a n r a p r o n y m e t h o d f o r n o i s y d a t a ：c h o o s i n g t h es i g n a l c o m p o n e n t s a n d s e l e c t i n g t h eo r d e ri n e x p o n e n t i a ls i g n a lm o d e l s 【j p r o c e e d i n go ft h e i e e e v 0 1 7 2 1 9 8 4 15 d j t r u d n o w s k i m a k i n gp r o n ya n a l y s i sm o r ea c c u r a t eu s i n gm u l t i p l es i g n a l s 【j i e e e t r a n s a c t i o n so np o w e r s y s t e m ：1 9 9 9 ，1 4 【1 6 】刘海峰，徐政，金丽成( l i uh a i f e n g ，x uz h e n g ，j i nl i c h e n g ) 基于测试信号的 直流小信号调制器参数整定( p a r a m e t e r st u n i n go f h v d cs m a l ls i g n a lm o d u l a t i o n c o n t r o l l e r sb a s e do nt e s ts i g n a l ) j 电力系统自动化( a u t o m a t i o no f e l e c t r i cp o w e r s y s t e r m ) ，2 0 0 2 ，2 6 ( 2 1 ) ：1 2 - 1 6 1 7 】x uz ，s h a ow ，z h o ucc p o w e rs y s t e ms m a l ls i g n a ls t a b i l i t ya n a l y s i sb a s e d o nt e s ts i g n a l i n ：1 4 t hp o w e rs y s t e mc o m p u t a t i o nc o n f e r e n c e s e v i l l a ( s p a i m ： 2 0 0 2 2 4 2 8 【l8 】p k u n d u r a p p l i c a t i o no fp o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r sf o re n h a n c e m e n to fo v e r a l l s y s t e ms t a b i l i t y j 】i e e et r a n s a c t i o n so n p o w e r s y s t e m 19 8 9 ，4 19 】c r e s a prl ，s c o t tdn ，m i t t e l s t a d tw a s m a l l s i g n a lm o d u l a t i o no f t h ep a c i f i c h v d ci n t e r - t i e j i e e et r a n s a c t i o n so np o w e r a p p a r a t u s a n d s y s t e m s ：1 9 7 6 ， p a s - 9 5 ( 2 ) ：5 3 6 - 5 4 l 2 0 c a r l o s g a m a b r a z i l i a nn o r t h s o u t hi n t e r c o n n e c t i o n c o n t r o l a p p l i c a t i o n a n d o p e r a t i n ge x p e r i e n c ew i t hat c s c j 】p o w e re n g i n e e r i n gs o c i e t ys u m m e r m e e t i n g ， 1 9 9 9 i e e e ，v o l u m e ：2 ，1 8 2 2j u l y1 9 9 9 p a g e s ：1 1 0 3 1 1 0 8v 0 1 2 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 2 1 o n l i n ed o c u m e n t a t i o np s s e 一2 8 p o w e rt e c h n o l o g i e si n cf m n o v2 0 0 1 2 2 】s s a tu s e rm a n u a l p o w e r t e c hl a b si n c m 2 0 0 2 1 0 浙江大学顺l 学位论文第二章p r o n y 分析法 第二章p r o n y 分析法 2 1 p r o n y 方法的引入 特征值分析法是分析电力系统低频振荡的经典方法，然而特征值分析方法存 在以下一些不足。 1 特征值分析法建立在准确的系统模型基础上，模型参数的精度对分析 结果有很大影响，例如分析结果对负荷特性模型参数有很大的灵敏 度，然而精确的负荷模型参数的获得是一项非常困难的工作。 2 大规模系统的特征值计算已经不能采用传统的q r 算法，现在普遍采 用的改进a r n o ld i 方法进行特定范围内的特征值扫描时，计算量大， 速度不快。 3 每次工作点的改变，系统需要在新的工作点附近进行线性化，需要的 工作量大，无法满足在线分析的需要。 近年来，p r o n y 方法在分析电力系统低频振荡领域得到了广泛的应用，成为 了事实上的一种标准方法。它是用指数函数的线性组合来拟合等间隔采样数据的 方法，可以从中分析出信号的频率、衰减因子、幅值和相位。其最大的优点就是 既可以对仿真结果进行分析，又可以对实时测量数据进行分析。其中对实时测量 数据的分析，可以在未知系统模型的状况下，得到降阶的传递函数，这在控制器 设计有很重要的意义，例如可以用于p s s 参数整定，i t 、1 ) c 小信号调制的参数设 定等