（电力系统及其自动化专业论文）电力系统低频振荡问题研究.pdf

浙江大学硕士学位论文a b g n 凇t t h er e s e a r c ho nl o w - f r e q u e n c yo s c i l l a t i o n i np o w e r s y s t e m a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h em e t h o do fd a m p i n gl o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o n ，t h ea n a l y s i so f o s c i l l a t i o nm o d e sa n dt h ed e s i g no f o s c i l l a t i o nd a m p i n gc o n t r o l l e r t h em a i nw o r ki ss i sf o l l o w s ： 1 c h a p t e r1i n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o n ，m h a n i s m ，t y p i c a if a i l u r e s , m s a n r e hm e t h o d sa n d d a m p i n gm e t h o d so fl o w - f r e q u e n c yo s c i l l a t i o ni np o w e rs y s t e m s 2 c h a p t e r2i n t r o d u c e sam e t h o db a s e do nt h et e s ts i g n a lm e t h o dt od e s i g nt c s cp o w e r o s c i l l a t i o nd a m p i n g0 o d ) c o n t r o l l e r t h i sm e t h o dc a r to v e r c o m es o m ed 砌v a n t a g n so ft h e e i g e n v a i n ea n a l y s i sm e t h o da n dh a sb e e np m v e dt ob ee f f e c t i v eb yt i m ed o m a i ns i m u l a t i o n 1 th a s t h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ： ( 1 ) t h i sm e t h o dc a nb ei m p l e m e n t e db ye l e c t r o m e c h a n i c a is i m u l a t i o nc o n v e n i e n t l y w h e n u s e dt oc a l c u l a t e t h ei n t e r - a r e ao s c i l l a t i o nm o d e sa n dt h e i rr e s i d u e s ，t h i sa p p r o a c ha v o i d st h e c o m p l i c a t e de i g e n s o l u t i o no ft h es t a t em a t r i xt h a tr e s u l t si nh e a v yc o m p u t a t i o nb u r d e na n di t c a n n o tb ei n f l u e n c e db yl a r g es y s t e mr a n k s ( 2 ) t h i sm e t h o dc h o o s e st h ei n p u ts i g n a lo ft c s cp o dc o n t r o l l e rb yt h er e s i d u er a t i o m e t h o da n dt u n e st h ec o n t r o l l e rb yc o m p e n s a t i n gt h er e s i d u ep h a s e t h e r e f o r et h ec o n t r o l l e rw i l l b em o r er o b u s tt oa d a p tt ot h ep o w e rs y s t e mt h a th a st oo p e r a t ei nv a r i o u sc o n d i t i o n s ( 3 ) t h i sm e t h o dc a nb eu t i l i z e dt od e s i g no t h e rp o w e ro s c i l l a t i o nc o n t r o l l e r s s u c ha sp s sa n d h v d cs m a l ls i g n a lm o d u l a t i o nc o n t r o l l e r 3 c h a p t e r3i n t r o d u c e st h e p s sd e s i g na n dc h e c k i n gs y s t e mb a s e do np s s e ”t h es y s t e m c o n t a i n st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) c a l c u l a t i n gt h eo s c i l l a t i o nm o d e s ，o s c i l l a t i o ns h a p e sa n dp a r t i c i p a t i n gf a c t o r so f t h ee a s t c h i n ap o w e rs y s t e mb a s e do nt h ee i g e n v a i u em e t h o da n dt h ep r o n ym e t h o d ( 2 ) c a l c u l a t i n gt h ee x c i t a t i o np h a s e - 疗c q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co ft h eg e n e r a t o r si nz h e j i a n g b a s e do nt h et e s ts i g n a lm e t h o d ( 3 ) d e s i g n i n gt h ep s sb a s e do nt h ep h a s ec o m p e n s a t i n gm e t h o d i i 浙江大学硕士学位论文a b s l l t a c t t h ea c c u r a c yo f t h es y s t e mt oc a l c u l a t et h ee x c i t a t i o np h a s e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r l s t i ci si l l u s t r a t e d b yt h ec o m p a r i s o no ft h ec a l c u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t s t h ee f f e c t i v e n e s so ft h es y s t e mt o d e s i g np s si si l l u s t r a t e db yt i m ed o m a i ns i m u l a t i o na n df r e q u e n c yd o m a i nc h e c k i n g k e y w o r d s ：l o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o n ；e i g e n v a l u ea n a l y s i sm e t h o d ；p r o n ym e t h o d ；t e s ts i g n a l m e t h o d ；p o dc o n t r o l l e rd e s i g n ；i n p u ts i 舭a ls e l e c t i o n ；f s s ；t c s c ；r e s i d u er a t i o ；e a s tc h i n a p o w e rs y s t e m i l l - 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 世纪6 0 年代美国的西北联合系统与西南联合系统进行互联运行时，发生 了功率的增幅振荡，最终破坏了大系统间的并联运行。自此之后，低频振荡一童 是电力系统稳定运行中备受关注的重要问题之。由于低频振荡频率较低、周期 较长、波及面较广，所以给电力系统带来的危害也较大。 电力系统受到扰动时，会发生发电机转子间的相对摇摆，表现在输电线路上 就会出现功率波动。如果扰动是暂时性的，在扰动消失后，可能出现两种情况： 一种情况是发电机转子间的摇摆很快平息，另一种情况是发电机转子间的摇摆平 息得很慢甚至持续增大，若振荡幅值持续增长，以致破坏了互联系统之间的静态 稳定，最终将使互联系统解列。产生第二种情况的原因是系统缺乏阻尼或者系统 阻尼为负。由系统缺乏阻尼或者系统阻尼为负引起的功率波动的振荡频率一般为 0 1 2 壬z ，这种现象称为低频振荡。【1 ，2 1 按振荡所涉及的范围及振荡频率的大小，低频振荡可以分为两种形式【3 4 】： 1 局部振荡模式( l o c a lm o d e s ) ，它涉及同一电厂内的发电机( 或电气距离很 近的几个发电厂的发电机) 与系统内的其余发电机之间的振荡，其振荡的频率约 为o 7 一2 o h z 。 2 区域问振荡模式( i n t e r a r e am o d e s ) ，它涉及系统的一部分机群相对于另一 部分机群的振荡，由于各区域的等值发电机具有很大的惯性常数，因此这种模式 的振荡频率要比局部模式低，其频率范围约为0 1 枷7 h z 。 由扰动引发的低频振荡受许多因素的影响，大规模多机电力系统是一个非线 性动力系统。通常认为，低频振荡的频率与网络结构、运行方式、发电机参数和 发电机励磁调节器特性关系密切。当今电力系统发生低频振荡问题大多是由阻尼 不足引起的，关于系统产生负阻尼的原因，比较确定性的结论是【4 】： 1 发电机的励磁系统，尤其是快速励磁系统会引起系统负阻尼； 2 电网负荷过重会使系统阻尼降低： 3 电网互联也会使系统阻尼降低。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外低频振荡现象 在大规模互联电力系统中，低频振荡是广泛存在的现象j o l ；一般来说，振 荡频率越低，涉及的机组越多。以下用几个例子说明当今电力系统的低频振荡问 题。 1 欧洲u c p t 踟e n n m l 系统的低频振荡特性 图1 1 欧洲u c p t 明e n t r e l 系统 f i g 1 1t h eu c p t e ，c e n t r e lp o w e rs y s t e m 欧洲u c p n 粥e n n 也l 系统涉及四个低频振荡模式： ( 1 ) 东西方向的振荡模式：频率为0 2 3 h z ，涉及两个同调机群的振荡，第一个同 调机群包括u c p t e 的西部系统( 葡萄牙、西班牙、法国南部) ，第二个同调机 群包括c e n t r e l 国家( 原东欧的一些国家) ，而u c p t e 系统的中部和南部机 组对此振荡模式的参与较小； ( 2 ) o _ 3 1 h z 的振荡模式：涉及三个大的同调机群，u c p t e 西部的机组与c e m 限e l 的机组同调相对于u c p t e 中部( 德国、法国和意大利) 的机组而振荡： ( 3 ) 0 5 2 h z 的振荡模式：只涉及c e n n 也l 国家和奥地利和意大利北部的部分地 区： 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 ( 4 ) o 7 8 h z 的振荡模式：只涉及波兰和捷克的机组。 2 中国南方电网的低频振荡特性 随着贵广直流的投入运行，南方电网东西方向将形成两个交直流并列输电通 道：其中北通道主要担负贵州电力的送出，由1 回5 0 0 k v 、3 0 0 0 m w 直流输电 线路( 贵广直流) 和2 回5 0 0 k v 交流线路构成：南通道主要担负云南和天生挢 电力的送出，由1 回5 0 0 k v 、1 8 0 0 m w 直流线路( 天广直流) 和3 回5 0 0 k v 交 流线路构成。北通道与南通道之间由1 回从安顺变电站到天生桥的5 0 0 k v 交流 线路相鞋接。南方电网西电东送的功率在送端为9 0 0 0 m w 左右，在广东受端为 7 0 0 0 m w 左右。由于南方电网是典型的长距离、大容量交直流并列输电系统，其 低频振荡特性一直是一个倍受关注的问题。 图1 2 2 0 0 5 年南方电网5 0 m 网络示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r 锄o f 龇s o u mc k l i ah l t e r c o 衄e c t e ds y s t 锄 在没有安装p s s 的情况下，南方电网有两个区域间振荡模式：o 5 3 h z 和 0 6 6 h z 。其中0 5 3 h z 的振荡模式是南方电网的全局振荡模式，此模式的界面在 由天生桥一平果、天生桥一百色和惠水一河池三条线路组成的交流通道上，在此 界面一侧的机组相对于界面另一侧的机组振荡，主要是云南的机组逆反于广东的 塑垩茎兰璺主兰堡笙兰 蔓= 至堕丝 机组摇摆，而贵卅i 和广西的机组的参与因子都比较小；而对于o 6 6 h z 的振荡模 式，振荡界面西面在罗平一天生桥线路上，东面在来宾一梧州及玉林一茂名线路 上，主要是贵州的机组逆反于云南的机组摇摆，而广东和广西机组的参与因子都 比较小。 1 3 低频振荡的机理 从低频振荡发生研究至今，在机理方面的研究主要集中在以下几个方面 【3 4 】： 1 负阻尼机理 根据线性系统理论分析，由于系统的调节措施的作用，产生了附加的负阻 尼，抵消了系统的正阻尼，导致扰动后振荡不衰减或增幅振荡。 1 9 6 9 年，d e m e l l o 和c o n c o r d i a 运用阻尼转矩的概念对单机无穷大系统低 频振荡现象进行了机理研究，指出：由于励磁系统存在惯性，随着励磁调节器放 大倍数的增加，与转子机械振荡相对应的特征根的实部数值将由负值逐渐上升， 若实部由负变正，会产生增幅振荡。它揭示了单机无穷大系统增幅振荡发生的机 理，这一方法是基于线性系统理论，通过分析励磁放大倍数和阻尼之间的关系来 解释产生低频振荡的原因。基于这种分析的原理和思想，该方法可进一步扩大到 多机系统，通过线性系统的特征根来判断系统是否会发生低频振荡。 2 共振或谐振机理 该理论认为：当输入信号或扰动信号与系统固有频率存在某种特定的关系 时，系统会产生较大幅度的共振或谐振，其频率有时处于低频区域，导致系统产 生低频振荡。 3 非线性理论机理 由于系统的非线性的影响，其稳定结构发生变化。当参数或扰动在一定范 围内变化时，会使得稳定结构发生变化，从而产生系统的振荡。这一分析有别于 线性系统，因为线性系统的稳定是全局性的，而非线性系统的稳定是局部的。电 力系统低频振荡的非线性奇异现象以及表现为一种非周期的、似乎是无规则的突 发性的机电振荡混沌现象，都属于该范畴。 在所有低频振荡机理中，负阻尼机理研究得最早也最成熟，这主要得益于线 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 性系统理论的成熟，目前已经形成了一套比较完整的理论体系，并且在工程上得 到实际应用。 1 4 研究方法 低频振荡研究常用的研究方法可以分为两类：特征值分析法和基于系统辨识 的分析方法。其中p r o n y 方法和测试信号法属于后一类。下面对特征值分析法、 p r o n y 方法和测试信号法做一些简要介绍。 1 特征值分析法【1 4 1 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，进而求取系统特征值、振荡模式、 模态和参与因子等。常见的求特征值的方法有o 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 m o r l d i 算法等。其中对于 q r 算法和s m a 算法，由于存在“维数灾”的问题，可以计算的状态量数量受 到限制；对于s m a 算法和a e s o p s 算法，其计算结果和初始值关系很大，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；而a m o d d i 算法能在整个复平面上一定范围内寻找特征值，适合大型 电力系统计算，但是为了得到所有关键特征值，需要多次进行冗余计算，并且在 理论上不能保证一些关键特征值不被遗漏。 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。以华东电网 为例，该系统有3 8 8 台主力机组，状态变量将近2 5 0 0 个，如果采用特征值分析 法，速度非常慢，结果甚至有可能不收敛；此外，当系统运行状态改变时，需要 重新在工作点线性化以生成新的状态矩阵，这也需要消耗大量时间。 2 p r o n v 方法【1 2 _ 1 5 】 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、衰减因予、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，这对控制器 设计有很重要的意义，例如可以用于p s s 参数整定，h v d c 小信号调制的参数 浙江人学硕士学位论文第一章绪论 设定等。另外，由p r o n y 方法得到的传递函数还可以用于控制信号选取，仿真软 件使用模型及其参数的验证，鲁棒控制器的设计等方面。p m n y 方法在电力系统 领域的其他应用还包括暂态仿真数据的详细分析，e m t p 的网络建模，次同步振 荡问题等。 3 测试信号法6 ，1 9 1 测试信号法是浙江大学近年来提出的一种基于时域仿真的电力系统低频振 荡分析方法。它将机械和结构工程中的模态测试( m o d a lt e s t i i l g ) 理论应用到电力 系统的小扰动稳定性分析。由于电力系统的特殊性，不能像机械和结构工程那样 直接在现场进行激振试验，进而辨识出被研究对象的振动模态，因此测试信号法 主要采用时域数字仿真来实现。测试信号法基于机械导纳和模态辨识理论，对测 试信号进行频率扫描，激发系统振荡，通过时域仿真和频域分析，分析出系统振 荡模式。它的主要特点是采用己被广泛应用的电力系统机电暂态仿真程序来进行 计算；思路清晰，方法直观，结果物理意义明确；即使采用最详细的电力系统元 件模型也不增加计算过程的复杂度；对于大规模电力系统，分析过程简单易行。 1 5 抑制低频振荡的措施 1 加装p s s 8 1 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，既可以阻尼区域间的振荡模式，也可以阻尼局部振荡模式。p s s 的输入 信号可以是发电机转速偏差，功率偏差，频率偏差或者前几者的组合。 对于p s s 的整定，目前比较常用的方法是采用相位补偿，该方法具有如下 优点： ( 1 ) 该方法能把p s s 参数调整到在较宽的频率范围内提供阻尼转矩分量，因 而对该机组具有较高参与因子的系统振荡模式都能得到阻尼。因此该方法比其他 方法，如极点配置和多变量状态空间法，具有更好的鲁棒性； ( 2 ) 确定相位补偿的方法简单，只需要对励磁参考电压v r e f 到q 轴暂态电势 e q 或者机端电压u t 之间的传递函数进行拟合； 根据文献【1 8 】，采用相位补偿法设计p s s ，主要有以下三种方法： ( 1 ) g e p ( g e n 蹦l t o f ，e x c i t a t i o ns y 啦ma n dp o w e rs y 嘶n ) 频率响应法。该方 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 法是对电磁转矩( 或机端电压u t 、q 轴暂态电势e q ) 滞后励磁参考电压的相位 进行补偿。 ( 2 ) p v r 频率响应法。该方法是对电磁功率滞后励磁参考电压的相位进行补 偿。 f 3 1 补偿留数相位。该方法是对励磁参考电压到反馈信号的传递函数留数相 位进行补偿。 p s s 在大系统中如何配置是一个重要的问题。虽然p s s 阻尼当地和区域间振 荡模式的设计原理是类似的，但p s s 对两种类型振荡起阻尼作用的机理是不同 的。与发电机速度偏差相应的参与因子在确定p s s 安装地点问题上是相当有用 的，用它可对可能加装p s s 的发电机组进行初步扫描，然后可以采用留数和频 率响应法进行更精确的计算，以确定适当的安装地点。 2 加装直流小信号调制【2 j 6 】 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 l o o m w 提高到了2 5 0 0 m w 。 选取恰当的调制信号是直流调制研究中必须要解决的问题。调制器输入可取 以下几种信号：整流侧( 或逆变侧) 频率，两侧频率偏差，线路功率偏差和线路 电流偏差。为了避开长距离通讯通道带来的不可靠性，消除两端交流系统的频率 差信号的局部振荡模式，c r e s a p 提出采用并联交流联络线上的功率变化速度作为 调制信号，研究结果表明采用这一调制信号能方便有效地抑制区域间低频振荡模 式。 3 加装f a c t s 装置【2 0 _ 2 3 1 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，如s v c ， s 州r 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。以t c s c 为例，利用t c s c 能快速调节其补偿电抗的能力， 可以有效地阻尼互联电网的区域间低频振荡，比如巴西的南北联络线，就是采用 t c s c 来抑制南北之间的区域间低频功率振荡。目前，f a c t s 装置在国外电网中 得到了越来越多的应用，但是f a c t s 装置带来的可靠性、次同步谐振等问题还 需要进一步研究。 浙江大学硕l 学位论文 第一章绪论 1 6 本文的主要工作 本文主要工作如下： 1 提出一种基于测试信号法的t c s c 功率振荡阻尼( p o d ) 控制器设计方法， 避免了计算量庞大的状态矩阵特征值计算。该方法由三步组成：第一步，利用测 试信号法辨识出电力系统的区域间振荡模式和设计t s cp o d 控制器所需要的 信息。第二步，以留数比为性能指标对1 s cp o d 控制器的各个各选输入信号 进行选择。第三步，用补偿留数相位的方法对p o d 控制器参数进行整定。通过 比较p o d 控制器安装前后低频振荡阻尼比的变化和时域仿真说明该设计方法是 有效的，并适用于大规模电力系统。 2 设计出一套基于p s s e 的p s s 参数整定与校核系统，主要包括以下几个 内容： ( 1 ) 计算华东电网的低频振荡模式、振型和机组参与因子； ( 2 ) 基于澳4 试信号法计算浙江省机组励磁系统相位滞后特性； ( 3 ) 用相位补偿的方法整定机组p s s 参数。 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 】徐政，交直流电力系统动态性为分析【m 】北京：机械工业出版社，2 0 0 4 3 】p _ k u n d u lp o w e rs y s t e m 姚b i l 埘a n dc o i l 仃o l 【m 】m c g r a w _ h i l l ，h l c ，n e wy o r k ， 1 9 9 4 【4 gr o g e r s p o w c rs y s t e mo s c i l l a t i o n s 2 0 0 0 【5 】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 6 ， 9 【6 】卢卫星等美国西部电力系统1 9 9 6 年8 月1 0 日大停电事故【j 电网技术1 9 9 6 ， 9 7 】王梅义，吴竞昌，蒙定中大电网系统技术 m 】北京：中国电力出版社1 9 9 5 【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 王铁强等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 【l o 】g u o p 吨l i u ，酗gx u ，y i n gh l l a n g a n a l y s i so fi n t * a r e ao s c m a t i o n s 抽也e s o u mc h i n ai r l t e r c o 皿e c t e dp 0 w e rs y s t e m ” 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 11 】p k u l l d 眦a p p l i c a t i o no f p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r sf o fe n h a n c e m c n to f o v 啪l l s y s t e ms 诅b i l 时【j 】ti 髓et 咖s a c 乱i l so np o w c rs y s t c m 1 9 8 9 ，4 1 2 】张贤达( z h a n gx i a n d a ) 现代信号处理( m o d e n ls i 鲈a lp r o c e s s m g ) 【m 北京：清 x 浙江大学硕士学位论文第二章1 s c 低频振荡阻尼控制器研究 第2 章t c s c 低频振荡阻尼控制器研究 2 1 问题的引入 电力系统受到扰动时，如缺乏足够的阻尼就会失去稳定，并发生低频振荡现 象。目前，抑制低频振荡的主要手段是电力系统稳定器( p s s ) ，并已得到广泛 应用。但国际上公认当低频振荡频率低于0 3 h z 时，采用p s s 来抑制低频振荡并不 一定可行f ”。利用t c s c 能快速调节其补偿电抗的能力，可以有效地阻尼互联电 网的区域间低频振荡，比如巴西的南北联络线，就是采用t c s c 来抑制南北之间 的区域间低频功率振荡的l h 】；此外，美国、瑞典等国家或地区的电力系统也有 类似的成功范例。 除了能够有效地阻尼系统区域问振荡，t c s c 在电力系统中还可以起到以 下作用：减轻次同步振荡，提高输电容量，提高系统稳定极限，防止电压崩溃 等。由于价格原因，t c s c 使用的广泛性受到一定限制；因此是否选用t c s c 来作为阻尼系统低频振荡的主要措施可以结合t c s c 的其他功能以及成本等综 合考虑。 t c s c 的功率振荡阻尼( p o d ，p o w e ro s c i l l a t i o nd 锄p i n g ) 控制器本质上 属于单输入单输出超前- 滞后相位补偿控制器。设计t c s cp o d 控制器的主要难 点是：控制器输入信号的选择；控制器相位补偿量的确定。本文基于留数 比来选择p o d 控制器的输入信号，以留数相位来确定p o d 控制器的相位补偿 量5 ，6 1 。 设计t c s cp o d 控制器的基本信息包括区域间的振荡模式及其对应的留数 嘲。目前，采用传统的解析法求取大型电力系统的区域间振荡模式及其对应的 留数存在一定困难。本文采用测试信号法求取这些信息 7 _ 9 】，从而可以避免复杂 的特征值分析；而且可以用机电暂态仿真程序来实现，对于大规模电力系统并 不会过多增加计算量。 浙江大学硕士学位论文第二章t c s c 低频振荡阻尼控制器研究 2 2t c s c 的p o d 控制器模型与设计 在区域联络线上安装t c s c 是阻尼区域间低频振荡的一种有效手段。t c s c p o d 控制器模型如图2 1 所示。 瓦。 图2 1t c s cp o d 控制器 f i g 2 1b l o c kd i a 毋a mo f t c s cp o dc o r i o l l e r p o d 控制器的基本原理是在t c s c 的阻抗参考信号凰上叠加调制信号 。o a ，从而改变t c s c 的输出阻抗x 来实现对区域间低频振荡的阻尼。托由上 一级控制器决定；当t c s c 按开环定阻抗控制时，z ，可以认为是一个定值。图2 1 中，再矗为输入信号的测量环节；若名了为隔直环节； 三焉为p 0 。控制器 的超前- 滞后补偿环节，每个超前滞后补偿环节最多可实现6 0 。的相位补偿【5 】；一 阶惯性环节五：一用来表示t c s c 的响应延迟，时间常数弓。很小，通常只有 l + s m 。 2 2 1t c s c p o d 控制器输入信号的选择 由于电力系统的运行方式多变，因此，合理选择t c s cp o d 控制器的输入信 号对提高控制的鲁棒性有重要意义。 t c s cp o d 控制器的输入信号可以采用本地信号，如本地线路的电流、有功 浙江大学硕士学位论文第二章1 s c 低频振蒋阻尼控制器研究 功率、母线电压等；也可以采用远方信号，如远方发电机间的速度偏差其它母 线间的相位偏差，以及邻近线路的有功功率等。输入信号的鲁棒性可以采用计算 其留数比的方法进行检查【酗。其基本概念描述如下： 在p o d 控制器未接入的条件下，利用测试信号法，可以得到t c s c 阻抗参考 信号五和p o d 控制器备选输入信号q 之间的开环传递函数g ( j ) ，g ( j ) 可以表达 成： g ( 。) ：等县：窆? ( 2 1 ) 麟。( s ) 智0 一 ) 、 其中， ( j _ l ，2 ，叻是g ( s ) 的极点，置是相应于 的留数，一对共轭极点表 示一个振荡模式：n = 坑，纨。 根据线性系统理论，传递函数描述了系统中既可控又可观测的那部分状态， 因此g ( s ) 中的极点丑在信号q 中必然是可观测的。根据式( 2 - 1 ) ，极点 仇= 疋，q 对应的留数r 的模i 也f ，可以作为仇在q 中可观测程度的一种指 标5 一。因此，通过计算k 随不同运行方式的变化情况，可以确定办在q 中可 观测程度的变化情况，即可以确定仇在q 中可观测性的鲁棒性。由于各个备选 输入信号的量纲不同，l 墨l 变化的绝对值不适合用来衡量这种鲁棒性：故以留 数比为指标来衡量控制器备选输入信号可观测性的鲁棒性。留数比定义如下： 凤2( 2 - 2 ) 其中， 表示第j 个区域间振荡模式，i 五女，。f i 是在运行方式，下各选输入信号q 对 应于第七个区域间振尊模式的留数模，l r 肿l 是基准运行方式下各选输入量g 对 应于第j | 个区域间振荡模式的留数模。在不同运行方式下，留数比变化越小， 说明该各选输入信号对不同运行方式的鲁棒性越强【6 】。 2 2 2t c s c 的控制器参数整定 t c s cp o d 控制器参数可以采用补偿留数相位的方法来进行整定【l o - 1 甜。由图 型舯 浙江大学硕士学位论文 第二章t c s c 低频振荡阻尼控制器研究 2 1 ，p o d 控制器表达成传递函数的形式为； 哪m 击轰c 篙r 其超前滞后环节的参数可以用如下方程进行计算： ( 2 3 ) = 1 8 0 叱a r g ( 如) ，1 一s i n ( 旦) 口：生： 瓦 l + s i n ( 至)( 2 - 4 ) 疋2 赤 疋= 口i 其中，庐是需要补偿的相位，a r g ( 墨) 是第个区域问振荡模式的留数相位，是 第t 个区域间振荡模式的振荡频率。 确定疋、五后，本文通过分析根轨迹来确定增益k ：首先作出各种运行方 式下区域问振荡模式随x 变化的根轨迹；然后利用根轨迹合理选择定，使得系 统的第七个区域间振荡模式在各种运行状态下都具有较高的阻尼比。 2 3 基于测试信号法的t c s cp o d 控制器设计步骤 由于电力系统的复杂性，难以通过解析法得到设计1 s cp o d 控制器所需要 的区域间振荡模式及其对应的留数。而通过测试信号法对系统进行机电暂态仿真 却能够方便地得到这些信息。基于测试信号法的t c s cp o d 控制器设计步骤如 下： 1 准备好电网潮流数据和动态数据，并设计多种运行方式以便于通过留数比确定 控制器输入量。用测试信号法对电力系统进行小信号稳定性分析求出各种运行 方式下的区域间振荡模式。 2 在t c s cp o d 控制器开环运行的条件下，在其阻抗参考信号甄上施加小扰动： 女- x = x 女c o s ( j j f + 吼) ( 2 5 ) t = t 其中以和吼分别为小扰动的幅值和相位，慨取值范围为o 慨4 石。 1 4 浙江太学硕士学位论文第= 章t c s c 低频振荡阻尼控制器研究 设t c s cp o d 控制器备选输入量为q ，对系统进行机电暂态仿真至稳态，提 取公共周期内j ，0 和q 的变化量x 和q ，分别做离散傅立叶变换，得到不同频 率下的相量胛丁( 以。) 和d f r ( a q t 。) ，求得频率特性序列： g ：呈! ! 竺纽! ( 2 - 6 ) d f t ( a q k ) 根据式( 2 _ 6 ) 拟合出开环传递函数g ( s ) = 器。从g ( s ) 求得对应于区域间振 荡模式的留数模、留数相位、阻尼比等信息后，用留数比的方法确定控制器输入 信号。 3 用补偿留数相位的方法整定t c s c 控制器参数，并检验其有效性后做适当修正。 2 4 实例分析 以图2 2 所示四机系统为例进行分析，参数取自文献 1 5 1 。假设t c s c 安装在 支路a 上，控制器各选输入为：发电机g 1 、g 3 之间的转速差、支路a 的有功、母 线7 的电压幅值、母线6 和母线1 0 的相位差、支路a 的电流幅值。通过修改母线7 和母线9 的负荷，得到4 种运行方式：支路a 的有功功率分别为2 0 0 m w ，1 0 0 m w ， 1 0 0 m w ，一2 0 0 m w 。 图2 2 a m 两区域系统网络结构图 f i g 2 2 4 - g e n e r a t o rs y a e m 首先，用测试信号法对该系统进行小信号稳定性分析，求出四种运行方式下 区域间振荡模式分别为：0 0 5 3 + j 3 3 3 ，0 0 9 1 j 3 5 2 ，0 0 7 4 j 3 5 3 ， 0 0 0 2 3 j 3 3 3 。 浙江大学硬l 学位论文 第二章t c s c 低频振荡阻尼控制器研究 得到各种运行方式下的区域问振荡频率，和阻尼比f ，如表2 2 所示 表2 2a n t c s cp o d 控制器后各种运行方式下的区域间振荡频率和阻尼比 t a b 2 2t h ei n t e r - a r e ao s c i l l a t i n gm o d e si nd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s w i t i lt c s cp o dc o n t r o l l e r 振荡模式频率( h z ) 阻尼比( ) 2 0 0 m w - o 3 5 9 2 0 ：- j 3 4 6 2 8 o 5 5 1 1 21 0 _ 3 1 8 1 0 0 m w - 0 3 0 5 4 8 士j 3 5 9 2 6 o 5 7 1 7 8 8 4 7 2 5 ，1 0 0 m w- 0 3 0 18 9 走3 5 7 9 2 0 5 6 9 6 5 8 4 0 4 7 2 0 0 m w - 0 2 7 5 6 0 - 士1 3 4 1 9 20 5 4 4 1 88 0 3 4 2 表2 2 显示，各种运行方式下的区域间振荡模式的阻尼比都得到了提高。 下面用时域仿真的方法进一步验证上述p o d 控制器的有效性。假设支路b 发 生三相接地短路，故障过程为：t = o 1 s 时，支路b 发生三相短路，r ；0 1 5 s 时 切除故障线路。四种运行方式下支路a 的有功功率、支路a 的电流幅值和p o d 控制器输出x 。o d 的时域仿真曲线分别如图2 4 、图2 5 和图2 6 所示。仿真结果 表明，以支路a 的电流幅值为输入信号的t c s cp o d 控制器在四种运行方式下 都具有良好的阻尼效果。 ( a ) 运行方式为2 0 0 m w 时 ( b ) 运行方式为1 0 0 m w 时 1 8 浙江大学硕士学位论文 第二章t c s c 低频振荡阻尼控制器研究 p i ( m w ) 汐、j 靠l 每。i 、j i l i 05 t i m s ) 1 0 1 5 ( c ) 运行方式为一1 0 0 m w 时 ( d ) 运行方式为一2 0 0 m w 时 加入t c s cp o d 控制器未加入t c s cp o d 控制器 图2 4 支路a 有功功率振荡曲线 f i g 2 4a c t i v ep o w e ro f t i e - l i n ea ( a ) 运行方式为2 0 0 m w 时 o 5 t i m s ) 1 01 5 ( b ) 运行方式为1 0 0 m w 时 1 9 ( c ) 运行方式为一1 0 0 m w 时 ( d ) 运行方式为一2 0 0 m w 时 加入t c s cp o d 控制器未加入t c s cp o d 控制器 图2 5 支路a 的电流幅值变化曲线 f i g 2 5c u r r e n tm a g n i t u d eo f t i e l i n ea ( a ) 运行方式为2 0 0 m w 时 ( b ) 运行方式为1 0 0 m w 时 2 0 浙江大学硕士学位论文第二章t c s c 低频振荡阻尼控制器研究 2 5 结论 o5 t i m s ) 1 01 5 ( c ) 运行方式为- 1 0 0 m w 时 ( d ) 运行方式为2 0 0 m w 时 图2 6p o d 控制器的输出 f i g 2 6t h eo u t p u to f t h ep o dc o n t r o l l e r 本文提出的基于测试信号法的t c s cp o d 控制器设计方案有如下优点： 1 用电力系统机电暂态仿真程序实现，在求区域间振荡模式及其对应的留数 时，避免了复杂的特征值求解，而且不会受到系统阶数增加的影响；是种快捷 有效的设计方式。 2 用留数比为指标对t c s cp o d 控制器输入信号进行选择，采用补偿留数相 位的方法对控制器参数进行整定；该方法能设计出鲁棒性较好的控制器，以适应 电力系统多变的运行方式。 3 本方法还可以用于电力系统其他控制器的设计，如p s s 、直流小信号调制 等。 仿真计算证明了本文提出的方法的有效性。 2 浙江太学硕士学位论文 第= 章t c s c 回劐剁射剧副剿眺黜刚罄 鬟冀鹫翥 iii1 r ：m o h a nm a t h u r , r a j i vk v a r m a jt h y r i s t o r - b a s e df a c t sc o n t r o l l e r sf o r e l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s m jaj o h nw i l e y 翟s o n s i n c 。2 0 0 2 j ；2 ia l b e ! ，od ? d e lr o s s o 。c l a u d i oa 。c a n i z a r e s iv i c t o rm j d o n a ；as t u d yo ft c s c c o n t r o l l e r d e s i g n f o rp o w e rs y s t e ms t a b i l i t yi m p r o v e m e n t j ，i e e e t r a n s a c t i o n so np o w e rs y s t e m s ；2 0 0 1 ；i | ；1 4 8 7 - 1 浙江大学硕士学位论文第三章基于p s s ，e 的p s s 参数整定与校棱系统研究 第3 章基于p s s e 的p s s 参数整定 与校核系统研究 3 1 问题的引入 华东电网是我国主干电网之一，覆盖上海市、江苏省、浙江省、安徽省和 福建省。华东地区一次能源匮乏，需要从葛洲坝、三峡用直流输入水电。华东 发电机组组成为常规火电、常规水电、核电、抽水蓄能和少量风电。到2 0 0 4 年 底，华东电网有主力机组3 8 8 台，总装机容量7 9 5 8 1 m w ；建成武南瓶窑一繁 昌一东善桥及武南一斗山一石牌一黄渡一泗泾一南桥一王店一瓶窑一武南两个 双回5 0 0 k v 回路