（电力系统及其自动化专业论文）电力系统自动切负荷研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t f r e q u e n c yi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n to p e r a t i o n a ls t a t ep a r a m e t e r so f p o w e rs y s t e m f r e q u e n c yd r o pe v e nf r e q u e n c yc o l l a p s ew i l lb ec a u s e dd u et o t h ea c t i v ep o w e rs h o r t a g eb yd i s t u r b a n c e s w h e nt h ea c t i v ep o w e rs h o r t a g ei s s e r i o u s t h eu n d e r f r e q u e n c yl o a ds h e d d i n gd e v i c e sm a yn o to p e r a t e i ti s n e c e s s a r yt op e r f o r ma u t o m a t i cl o a ds h e d d i n gc o n t r o lt or e m o v es o m el o a d s q u i c k l y t h e nt h es y s t e mf r e q u e n c y a f t e rd i s t u r b a n c e so r s t e p o u tc a nb e m a i n t a i n e da tac e r t a i nl e v e l i t sh e l p f u lt or e c o v e rt h es y s t e mf r e q u e n c yt o t h ep e r m i s s i b l ev a l u ea ss o o na sp o s s i b l e s o t h ea u t o m a t i cl o a ds h e d d i n go f f r e q u e n c ys t a b i l i t yc o n t r o lf o rp o w e rs y s t e mi sas t u d yo fg r e a ts i g n i f i c a n c ei n m a n ya s p e c t s t h ef r e q u e n c ys t a b i l i t yc a nb ei m p r o v e da n dt h el o a ds h e d d i n g a m o u n tc a nb er e d u c e da sf a ra s p o s s i b l e a f t e rd i s t u r b a n c e s w h e na n e x t r e m e l ys e r i o u sd i s t u r b a n c ei sa p p l i e dt op o w e rs y s t e m t h es y s t e mc a nb e p r e v e n t e df r o mf r e q u e n c yc o l l a p s ea n dw i d e s p r e a do u t a g eb yp e r f o r m i n g a u t o m a t i cl o a ds h e d d i n gc o n t r 0 1 r e c e n t l nan e wv i e wp o i n to fw i d e a r e a m e a s u r e m e n t st e c h n o l o g yi sp r o v i d e dt ot h el a r g e s c a l ei n t e r c o n n e c t e dp o w e r s y s t e mf r e q u e n c ys t a b i l i t yc o n t r 0 1 t h ep r e s e n ts t a t u so fp o w e rs y s t e ma u t o m a t i cl o a ds h e d d i n gr e s e a r c hi s s u m m a r i z e da n da n a l y z e d a n dt h ek e yp r o b l e m sa r ep o i n t e do u ti nt h i sp a p e r t h r e em e t h o d sf o rf r e q u e n c y s t a b i l i t ya n a l y s i s a r ea l s oi n t r o d u c e da n d a n a l y z e d t h o s e a r et h ed y n a m i cp o w e rf l o wm e t h o d t h ed i r e c tm e t h o df o r f r e q u e n c ys t a b i l i t ya n a l y s i so fp o w e rs y s t e ma n dt h ep r e d i c t i o na l g o r i t h mo f f r e q u e n c ye m e r g e n c y c o n t r o lb a s e do nw i d e a r e am e a s u r e m e n t s a w s c c 9 一b u ss y s t e ma n di e e e s5 0 一g e n e r a t o rm o d i f i e dt e s ts y s t e ma r e e s t a b l i s h e db yu s i n gp s s e m a s s i v ed y n a m i cs i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e do n t h ei e e e s5 0 g e n e r a t o rm o d i f i e dt e s ts y s t e m t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tl o a d s h e d d i n gs c h e m e so nt h ef r e q u e n c ya n db u sv o l t a g ea r ea n a l y z e db a s e do nt h e s a m et o t a la m o u n to fl o a ds h e d d i n g a n dt h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n t1 0 a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l i 页 m o d e l so ns y s t e mf r e q u e n c ys t a b i l i t ya r ea l s oa n a l y z e d a na u t o m a t i cl o a d s h e d d i n ga l g o r i t h mo ff r e q u e n c ys t a b i l i t ye m e r g e n c yc o n t r o lf o rp o w e rs y s t e m b a s e do nw i d e a r e am e a s u r e m e n t st e c h n o l o g yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r b y m o d i f y i n gt h ed i r e c tm e t h o df o rf r e q u e n c ys t a b i l i t ya n a l y s i so fp o w e rs y s t e m a tl a s t t h ep r o p o s a la l g o r i t h mh a sb e e nt e s t e db yp s s es i m u l a t i o n0 nt h e w s c c 9 b u ss y s t e ma n di e e e s5 0 g e n e r a t o rm o d i f i e dt e s ts y s t e m t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h ep r o p o s a la l g o r i t h mi sv a l i d k e yw o r d s p o w e rs y s t e m w i d e a r e am e a s u r e m e n t s a u t o m a t i cl o a ds h e d d i n g p s s e 西南交通大学曲南父逦大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文 本学位论文属于 1 保密 2 不保 年解密后适用本授权书 使用本授权书 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导老师签名 似 日期 瑚富 6 弘 日期 训缸 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果 除文中己经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和 集体 均已在文中作了明确的说明 本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担 本学位论文的主要创新点如下 电力系统自动切负荷控制在系统出现较大功率缺额的紧急情况下 能 提高系统稳定性 防止频率崩溃 并且能减少切除负荷总量 是电力系统 安全稳定控制的重要手段 具有非常重要的理论研究意义和实用价值 论文在研究频率稳定分析快速算法的基础上 提出了基于广域量测的 自动切负荷频率稳定紧急控制算法 在扰动后的稳态频率预测以及保证系 统稳态频率为整定值的自动切负荷量算法上取得创新 该算法不需要确定 暂态衰减结束后的系统参数量 直接利用扰动后瞬间的广域量测数据来计 算雅可比矩阵 从而预测出系统在扰动后的稳态频率以及计算出保证系统 稳态频率为整定值的切负荷量 利用电力系统机电暂态仿真软件p s s e 建立了w s c c 9 母线系统和i e e e 5 0 机改进测试系统 最后通过将该算法 在w s c c 9 母线系统和i e e e 5 0 机改进测试系统上的实现 证明了所提出 算法的正确性和有效性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电力系统频率稳定性 1 1 1 频率稳定问题的提出 在i e e e c i g r e 稳定定义联合工作组给出的新的电力系统稳定定义和 分类报告中指出 频率稳定是指电力系统受到严重扰动后 发电和负荷需 求出现大的不平衡 系统仍能保持稳定频率的能力 频率稳定可以是一 种短期或长期现象 我国 电力系统安全稳定导则 d l7 5 5 2 0 0 1 2 j 定 义频率稳定是指电力系统发生突然的有功功率扰动后 系统频率能够保持 或恢复到允许的范围内不发生频率崩溃的能力 主要用于研究系统的旋转 备用容量和低频减载配置的有效性与合理性 以及机网协调问题 i e e e c i g r e 和行标d l7 5 5 2 0 0 1 均从系统论的角度定义频率在保持发电 和负荷平衡情况下的稳定能力 此外 行标d l7 5 5 2 0 0 1 还从安全运行的 角度定义频率必须保持或恢复到允许的范围内 引 电力系统要求严格按额定频率值运行 正常的状态下一般不允许偏差 4 0 1 h z 士0 2 h z 在紧急状态下也要求尽快恢复至4 9 5 h z 对额定频率 5 0 h z 而言 以上 频率偏离额定值运行 对用户和电力系统本身都会造 成不良后果 随着大容量机组 超高压线路 交直流联合输电以及大区域联网的发 展 供电区域辽阔和容量很大的联合电力系统的建立 增加了稳定破坏事 故连锁发展的危险性 4 在这种情况下 一个大型发电厂或一条超高压输电线的切除 将导致 各局部电力系统功率严重失衡 受电区电力系统功率缺额很大 造成系统 频率下降 严重时将导致全网频率崩溃 另一方面 现代电力系统频率调节能力下降 其原因为 1 大容量机组惯性时间常数乃减小 2 为安全起见 核电机组不参加调节 因此随核电机组所占比例 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的增加 将导致电力系统调节频率的能力下降 3 大机组对频率质量要求较高 为了保护机组本身 一些大型汽 轮发电机配置了频率保护 运行频率过高或过低都可能引起大 机组保护动作 从而导致破坏系统频率稳定事故的连锁发生 4 工业负荷中的恒频传动负荷及民用负荷的增长使得负荷的频率 调节效应减小 由于频率崩溃造成系统大范围停电的事故时有发生 我国湖北系统 1 9 7 0 年的停电事故 1 9 9 6 年马来西亚大停电 5 1 1 9 9 9 年台湾大停电 6 以 及2 0 0 3 年意大利大停电 7 等就是明显的事例 1 9 9 9 年台湾大停电事故是 由于未预料到的故障 加上措施不力而导致频率崩溃所造成 2 0 0 3 年意大 利大停电是由于瑞士一意大利一条输电线跳闸引起与欧洲的全部联络线 连锁跳闸 总输入容量6 6 5 1 m w 造成频率崩溃 发电机全停 1 1 2 课题研究的意义 由于受扰系统的有功缺额会导致系统频率下降 严重时可能引起全网 性的频率崩溃事故 一切正常的自动调节手段已起不到多大作用 8 调节7 系统功率不平衡主要有两种措施 增加功率输入和切负荷 事故发生出现 功率缺额时 系统旋转备用容量将积极 尽可能快地阻止系统崩溃 9 但 是 由于现代电网经济运行的要求 系统的备用容量偏低且起动备用容量 需要一定时间 因此 在系统严重功率短缺时 旋转备用不足以弥补系统 功率缺额 防止频率下降的主要措施是切负荷 切负荷分为低频减载和自动切负荷两类 l0 1 低频减载是最早被采用的 频率稳定控制方法 目前仍是安全稳定运行的最后一道防线 l 在国内外 已得到广泛的研究 1 2 8 1 为了更好地反映功率缺额的大小 低频减载经历 了从最早的按频率切负荷发展到按频率变化率和电压变化率的加速切负 荷 以及自适应整定的切负荷 8 19 1 但是随着电力系统的发展 低频减载已经不能很好地适应现代电力系 统的需要 主要表现在以下几方面 1 由于电力系统的复杂性 扰动后系统频率下降的动态特性复杂 不仅具有时间分布 还具有空间分布的性质 采用简单系统模型 来分析系统频率特性与实际系统相差很大 特别是开始十几秒的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 过程 与系统的实际情况大相径庭 2 0 j 2 现代电力系统负荷波动剧烈 一天内负荷变化可达5 0 以上 在 此情况下 仍以固定的负荷来整定低频减载装置 易造成过切或 欠切 2 1 3 系统有功缺额太大时 可能因为低频减载装置的时延致使其来不 及动作 系统就己崩溃 4 系统在扰动时也可能出现严重电压降低 但由于系统频率调节效 应使系统频率仍处于较高水平 对于受电容量很大的地区 一旦 输入容量突然消失即可能发生此种情况 此时低频减载不起作 用 而必须由低电压切负荷以消除功率不平衡1 2 2 1 l9 9 0 年广东电网在北部电网解列后发电功率缺额大 部分低频减载装 置拒动 致使切负荷量不够 再加上调度失误 造成大停电事故 2 3 1 1 9 9 8 年台湾大停电由于低频减负荷容量严重不足 低频减载方案与机组低频跳 闸值不协调 大量机组低频跳闸使事故迅速恶化 频率崩溃 种种事故表明 当系统有功缺额较大时 仅靠低频减载较难保证系统 频率下降在允许范围内 而需要补充采用自动负荷方式首先连锁切除相应 的集中负荷 后依靠低频减载装置切除部分负荷 使电网频率恢复 根据我国制定的 电力系统安全稳定导则 内容 自动切负荷属于第 二道防线所采取的技术措施 2 4 1 当电力系统或地区功率短缺达3 5 4 0 以上时 25 1 仅依靠分散的反映频率降低的减负荷装置可能达不到防止频率 下降的目的 需要考虑采用自动切负荷措施 i e e e 特种稳定控制工作组 和c i g r es c 3 9w g 0 5 联合在19 9 2 年对国际上使用特种保护装置 s p s 的情况进行了普遍调查 使用自动切负荷装置和传统低频减载装置的比例 分别是1 0 8 和8 2 t 2 6 电力系统自动切负荷频率稳定控制 在电力系统扰动时改善频率稳 定 尽可能减少切除负荷总量 在极端严重的扰动时防止频率崩溃 防止 大面积停电等方面具有非常重要的意义 有效的快速自动切负荷控制与低 频减载相比 其切除负荷量相对较少 根据美国w e c c 南部子系统自动 切负荷装置运行报告 在扰动后达到同等系统频率恢复的情况下 自动切 负荷量比低频减载少1 0 2 0 2 7 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 自动切负荷频率稳定控制的研究现状 目前自动切负荷控制针对暂态稳定研究较多 2 8 3 1 对于自动切负荷频 率稳定控制国内外已有一些初步的理论研究和工程应用 3 2 4 1 切除负荷的 量也与系统运行状态有一定的联系 但是尚缺乏系统的理论研究 缺乏对 电力系统频率动态特性深刻认识基础之上的频率预测控制实时算法 缺乏 在切负荷控制时综合考虑电网过负荷以及电网电压水平的研究 由于切负 荷会改变系统的电网电压水平和系统潮流 综合考虑才有可能实现紧急控 制的全局优化 自动切负荷频率稳定控制存在的基本问题是 何时 何地切除负荷 以及切除多少负荷 由于功率缺额较大时就需要补充采用自动切负荷 因 此功率缺额的估算十分重要 在工程应用上 联络线跳闸时 国内通常按 跳闸前联络线功率值来估计系统功率缺额 按跳闸前联络线功率值快速切 负荷 尽量使地区电网功率保持平衡 文献 3 5 利用扰动前广域同步相量 测量来估计系统有功功率缺额 实现频率预测控制 其中考虑了频变和压 变负荷参数辨识 但是忽略了扰动过程中网损变化以及负荷切除后负荷模 型参数的变化 文献 3 9 在 3 5 的基础上 提出了基于广域同步相量测量 的有功功率缺额和频率预测控制算法 其特点是在发电机一次调频时考虑 了原动机的实际阀门限制 根据同步相量测量信息对负荷及网损在扰动时 的影响进行了估计 但是所试验电力系统的负荷是由恒定功率和恒定阻抗 负荷组成 励磁和调速器采用经典的模型 这种算法有待于在进一步研究 理解频率动态变化规律的基础上完善和深入 文献 3 7 3 8 利用最近一次潮 流计算的雅可比矩阵因子表 快速求得系统在扰动后的稳态频率 并将受 扰系统的减载控制描述成线性规划问题 该算法忽略了扰动后短时间内系 统中发电机转子间的相对摇摆 认为扰动后的瞬时有功增量按照惯性比例 分担 但实际上受扰系统从扰动后瞬间过渡到惯性潮流阶段需要一定的时 间1 4 2 4 3 自动切负荷量可由离线计算分析确定 也可以在线预决策 即在线计 算分析 每隔一定时间 例如几分钟 更新切负荷整定值 加拿大魁北克电 力系统的自动切负荷控制与系统运行状态联系起来 4 0 1 但是目前所有的工 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 程应用中 切负荷量的确定都还只是个大概 1 3 本文的主要工作 本文在回顾分析国内外曾出现的频率稳定事故 指出电力系统自动切 负荷频率稳定控制研究的重要性的基础上 主要作了以下工作 1 分析了国内外目前对电力系统自动切负荷频率稳定控制研究的现 况 分析讨论了三种频率稳定分析方法 2 基于电力系统机电暂态仿真软件p s s e 建立了w s c c 9 母线系统 以及i e e e 5 0 机改进测试系统 并对i e e e 5 0 机改进测试系统作了 一系列仿真实验 仿真分析了系统在扰动后的稳态频率以及对该 系统实施自动切负荷控制后的系统稳态频率 在切负荷总量一定 的情况下 仿真分析不同的切负荷地点以及切负荷量分配对系统 频率和母线电压的影响 仿真分析了不同负荷模型下 系统在遭 受相同扰动后的稳态频率变化 3 在分析研究频率稳定分析快速算法的基础上 提出基于广域量测 的自动切负荷频率稳定紧急控制算法 并利用c 语言编程 将该 算法在w s c c 9 母线系统以及i e e e 5 0 机改进测试系统上实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章电力系统频率稳定性分析方法 2 1 电力系统的频率特性 电力系统的频率特性是指电力系统功率不平衡时 频率变化的特性 当电力系统由于偶发事件导致发电功率小于负荷功率时 发电机的负荷电 气力矩大于机械输入力矩 转速将变慢而使频率降低 反之 当发电功率 大于负荷功率时 转速将加快而使频率上升 系统频率特性为负荷频率特 性 发电频率特性和电压影响的综合效果 2 2 1 2 1 1 频率的静态特性 电力系统静态频率特性指的是稳定 发电与用电平衡 状态下功率和 频率的关系 通常以系统频率调节系数k 来表示 k 的计算式为 瓜 竺 f 笪1 2 1 r n 式中 咒 石为正常运行值 墨包括负荷频率调节系数蚝和发电频率调 节系数磁两部分 1 负荷静态频率特性 负荷静态频率特性是指负荷消耗功率随着频率的上升或降低而增加 或减少的特性 负荷 通常可分为两部分 一部分为电动机负荷只 其有 功功率取决于频率而与电压关系不大 另一部分是静态负荷只 其功率取 决于电压而与频率基本无关 只可近似表示为 最 己 只 k i n f 1 一a a f 七盯u 卢 2 2 式中 a 一全部电动机的等值转矩m 与速度c o 的关系曲线的陡度 卢一静态负荷电压特性陡度 k k 一分别为电动机和静态负荷所占比例 k 1 负荷的频率调节系数k 可由下式求出 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 k 盟l 丝l 丑i 型i 2 3 l b可i 石a u l u u o a f i 兀 负荷的频率调节系数k 因负荷的性质不同 可能在相当大的范围内变 化 不同系统的研究指出k 值的范围为1 8 但典型值是1 3 2 发电机静态频率特性 发电机静态频率特性是指随着频率的升或降 发电机组发出功率减少 和增加的多少 表达式为 屹 一屹 a u 2 4 繇称为发电机的单位调节功率 其标么值表示为 屹 一羔 磁 2 5 发电机组的频率调节系数与发电机组调节系统特性及有无旋转储备 容量有关 频率变化时可以瞬时响应的储备容量称为瞬时储备容量 这部 分容量可由调速器动作启动 调速器的静态调差系数约为4 5 所以当频率上升时 或者频率 下降但有足够储备容量时 发电机组的频率调节系数 约为调差系数的 倒数 即琢 2 0 2 5 如果频率下降但机组功率已达极限 没有储备容量 时 砭 0 实际系统中只有部分机组有备用容量 其他机组可能已达到 功率极限 因此系统发电机组的综合频率调节系数值磁是处于上述两个 极限值之间 3 系统的频率调节效应 因此 以系统总负荷为基准的k 叮为 kt 酎 k r 酎生泣 k s 石a p 半 二3 a f 墨 p 屹 2 6 厂 厂 式中p 尼 圪 表示不平衡初始时发电功率与负荷功率之比 由式 2 6 可知琢取决于负荷频率调节系数k 发电机频率调节系 数砭以及参与调节的发电机组容量之比p 系统频率上升时 参与调节 的发电机组容量较大 且发电机的频率调节系数如也较大 故系统的频 率调节系数k 也较大 当频率下降时则相反 系统频率调节系数降低 极 端情况当所有机组已达极限容量时 0 则k s k l o 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 2 频率的动态特性 电力系统动态频率特性是指系统由于有功功率平衡遭到破坏而引起 系统频率发生变化 频率从正常状态过渡到另一个稳定值所经历的时间过 程 这个过程是较复杂的 与多个因素有关 为分析计算动态特性 暂不 考虑负荷随电压的变化 不考虑发电机的频率调节效应 负荷可表示为频 率的函数 最 e 1 一虬矽 厂 由此 可得如下运动方程 警 乙一瓦 鲁一鲁 一吒等j c 2 一 式中 己 一保留在运行中发电机总的输出有功功率 一保留在运行中发电机总的惯性力矩常数 乙一保留在运行中的发电机总的输入机械力矩 z 一负荷总的电气力矩 一发电机转速 2 1 r f 故障后短时间内 国 c o o a o 乙 乙o 乙 t o 考虑 乃 3 c o 可求得 丁 一d a c o 互鲤 血一益 r 2 8 o 班 设岛 o o 为总阻尼系数 l 为加速力矩 a f f o a o r o o 可得 乃i d7 a f 珥等 乃 2 9 j m 氏l 可由式 2 9 求得乃 珥不变的a t 内的下述计算公式 业 互f 1 一p 一纠 2 1 0 石岛 j a t 互i n f1 一垒笪1 2 1 1 岛lt of o 在故障导致发电功率短缺后 一次旋转储备水平明显影响系统状态 该水平一般不小于全部负荷的2 这是故障后3 0 秒内可由调速器作用而 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 利用的 旋转储备由一次旋转储备 负荷一频率控制的二次储备和值班员 操作的三次储备构成 对于多机系统 频率响应是单机响应在特殊频带内的复合值 它取决 于整个系统互联机组振荡 机组自动电压调节器和调速器响应 起始扰动 的大小和甩负荷的影响 旋转储备在响应相对小的发电功率缺额时是很有利的 在快速恢复频 率至接近额定值时它扮演主要角色 旋转储备的有效性不仅依赖可用的储 备水平 而且依赖储备响应的速度 然而 对于突然大的功率缺额 即使 有足够可用的储备 因响应太慢 对开始阶段影响很小 对于这种状态 切负荷是防止频率崩溃的必要措施 在这种情况利用h v d c 联系是特别有 利的 功率可以从相邻电网输入 故保持稳定必要的切负荷水平可降低 2 1 3 特殊运行状态下的频率特性 在系统动态过程中 各发电机组通常将发生不同程度的摇摆 严重时 甚至失步而进入异步运行状态 这种同步振荡和异步振荡将引起频率的明 显变化 系统中各节点电压是各机组电动势在该点产生的电压相量和 当各机 组同步或异步振荡时 该点电压已不是正弦电压 其瞬时频率也是一个变 化较复杂的量 某些情况下其变化可达很大值 配电系统经较大电阻短路时 会产生较大功率损耗 对于小容量系统 当短路切除时间较长时 也将引起频率的明显降低 当线路重合闸或备用电源自动投入过程中 变电站可能短时断电 接 于母线上的电动机惰转产生的电压频率变化很快 这种情况可能不恰当的 导致低频切负荷等装置误动作 2 2 动态潮流法 常规潮流截取某一时间断面进行计算 其前提是假设系统中功率绝对 平衡 全部发电机的输出功率正好等于所有负荷功率与网损之和 在有些 情况 例如由于发电机退出运行或负荷发生较大变化 系统功率将会不平 衡 功率的不平衡将产生加速功率或减速功率 如果考虑准稳态过程 除 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 了负荷按其频率特性能平衡一部分功率差额外 系统的功率差额将主要由 发电机调速系统的动作来达到新的平衡 这个过程一般并不是只由一台所 谓平衡机的动作实现的 而是多台发电机协调动作的结果 同样系统负荷 也会根据其自身的调节特性去改变其消耗的功率 4 4 1 动态潮流计算的目标 是模拟电力系统稳态运行中的潮流值 即计算全网同摆条件下 不破坏系 统稳定的扰动所造成的新的工况 以及系统解列或并网后的频率变化过 程 其需要的参数包括常规潮流所需参数 以及发电机和负荷的变化模型 和频率模型 4 5 1 目前动态潮流算法大致有两类 第一类算法提出用电力系统动态分析 的动态潮流 这类算法用一个运动方程描述系统的频率一功率变化 计算 时间段取很小 o 3 s 0 5 s 在运动方程中计及了转子加速的影响 各机组 根据转子转动惯量按比例分配不平衡功率 不考虑发电机或负荷静态特性 对功率的影响 在下一次潮流解算前利用当前计算的频率进行发电机和潮 流模型的修正 第二类算法的时间段取得较长 约3 m i n 5 m i n 此算法认 为在这个时间段内 各个机组和负荷的过渡过程已经结束 各节点根据频 率的静态特性系数按比例分担不平衡功率 根据分析的问题不同 第一类适用于电力系统动态分析 第二类适用 于电力系统模拟调度和态势分析 第一类动态潮流算法的基本思想是 4 6 1 忽略电网中机组间的振荡 仅描述事故后的稳态 假定全网频 率统一 2 忽略发电机原动机出力变化 假定发电机机械力矩按原动机特 性变化 或机械力矩不变 3 不模拟快速的机电暂态过程及计及锅炉 核反应堆等的缓慢的 中长期过程 4 基本解法为潮流算法 但常规潮流的不平衡功率集中由平衡机 负担 动态潮流算法把系统不平衡功率按各发电机惯性分配给 所有发电机 5 全网发电出力与负荷的功率不平衡 产生全网频率偏差 由于忽略了发电机组转子间的相对摇摆 认为系统没有同步稳定问 题 系统同一频率定义为其惯性中心频率 o w s 4 2 西南交通大学硕士研究生学位论文 o j s y s e q e 其中皿 q 分别表示第i 台发电机的惯性时间常数和角频率 系统频率动态方程表示为 心i d c o 筘 喜 磐 式中 一系统各发电机的转动惯量之和 i 1 2 玎一发电机序号 己 乞一第i 台发电机的机械功率和电磁功率 o c t 一系统总加速功率 第i 台发电机的转子运动方程为 以哆警 乞 号么 f 乙 第1 1 页 2 1 2 式中 以 只一第f 台发电机的转动惯量及其所占系统总惯量的比例 圪一第f 台发电机的加速功率 负荷采用静态非线性负荷模型 2 13 2 1 4 2 1 5 式中 异 q o 一额定状态下负荷 吸收的有功功率和无功功率 0 c c k p j 一负荷j 的频率 电压特性指数 1 功率平衡方程 3 7 3 8 发电机节点 l 鼻 巴 一f 只聊一 q f q o q j 尸q 2 1 6 a q 0 尸力 负荷节点 乏三端 2 1 7 g2 一g g 2 1 7 式中 弓 g 一负荷节点吸收的有功功率和无功功率 它们是系统 嘞 椰胪 屯g 弓g 亘监逗盔堂亟 塑窒圭堂笪迨窒 箜 兰枣 频率和节点电压的函数 乞 g 一节点注入有功功率和无功功率 玎 1 加一负荷节点序号 假设发电机与负荷不在同一节点 上 且系统中发电机节点的编号在前 2 修正方程式 3 7 3 8 动态潮流计算中取消了平衡节点 系统中存在不平衡功率p a c e 故修 正方程中增加了变量乙 故发电机节点的修正方程为 由于负荷模型是系统频率和节点电压的函数 故负荷节点的功率平衡 方程为 f 钙 一嘉等 日姗 吖矿 p y yy 一 一 k 一嘉等饥呲缈 合并同类项得 i a p i h a o n a y f v 1 舀 彪p 上 a v v 2 2 0 胄p 式 2 2 0 中 n n 一4 o v l v l l 翌 西y v 参照普通潮流的修正方程式 z i 一 力态潮流的修正方程式如下 一最 一尼 0 o 烈吲 沼2 糍j 蚓 y 川 其中下标r 表示参考节点 通常选取平衡节点作为参考节点 将潮流方程与式 2 1 3 频率动态方程迭代求解即是频率动态分析的 坐y券 9 一 婚一矿和衅 乙 抛 叱 旧挚 凹 一 1 lj m e坏 吼以 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 逐步积分法 此类动态潮流的数学实质是求解一组联立的非线性方程和微分方程 工程上常采用交替解法 即每次计算完潮流 得到系统的功率分布及网损 后 进行频率计算 同时计算出由频率效应影响后新的网络注入 用以进 行下次潮流计算 2 3 频率稳定分析的快速算法 2 3 1 频率稳定分析的直接法 频率稳定分析的快速算法的基本思路是利用动态潮流最后一次雅可 比矩阵 求取 和 o o c 的近似表达式 代入频率动态方程 快速求得稳态 频率叱 从而判断系统频率稳定性 3 7 3 8 节点注入功率方程式为 f z 巧 巧 g c o s 0 岛s i n 0 j 三 2 2 2 l q 巧 qs i n o u 一岛c o s 0 对该方程求增量 并参照节点功率修正方程的符号及表达形式 得 阱眵 篇 2 2 3 由式 2 2 3 可看出节点功率增量方程与普通潮流修正方程的表达式 完全相同 普通潮流中的 p 和 q 是功率偏差 在计算中以它们趋于零作 为迭代结束的标志来求得状态变量0 和y 该式中的凹和a q 是系统受到 大扰动冲击后的功率增量 由于它们的存在直接影响系统频率变化 发电机节点的功率增量方程 j 必 碱z f 圾 一k o a r o c 圾 2 2 4 z x q 0 式中 心 一第i 台发电机的频率调节效应系数 负荷节点的功率增量方程 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 将发电机节点和负荷节点的功率增量表达式 2 2 4 和 2 2 5 代入 式 2 2 3 中 参照动态潮流修正方程式的形式 加入叱 修改 和工 的表达式 整理可得 k r k g o p l o o q l 抵 a c o 2 2 6 此功率增量方程式中的雅可比矩阵与动态潮流修正方程式的雅可比 矩阵完全相同 因此可根据最近一次潮流计算的雅可比矩阵因子表 对增 量方程式 2 2 6 中的阻尼相量 心磁眈 渤勉 跏 进行前代 规 格化和回代 由修正方程式的第一行可得 乙 d a c o 2 2 7 则 气 叱 o d a w 乙o 2 2 8 式中 d 一系统频率调节效应系数 p a c e 一系统初始总加速功率 由于在扰动后的稳态时刻乞 0 因此根据式 2 2 8 可求出系统在 扰动后的稳态频率叱 o e w o d 2 2 9 利用式 2 2 9 可以得到诸如切机 切负荷 联络线解列等事件下 的系统稳态频率 进而以该稳态频率是否低于系统临界频率 来判断系统 是否会出现 频率崩溃 同时 也可以用该方法来观察主动对系统实施某 种控制 如切机 切负荷 后系统的稳态频率 从而分析频率紧急控制对系 统频率稳定的影响 一y 一叩 盟缈嘞一缈 伊 协 鸳锄丝锄 峨峨眦眇 l1 j r 6 砚 日日吼以 艮昂o 0 一 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3 2 考虑减载控制的直接法 考虑到负荷节点受减载控制的影响 需要对其节点功率增量表达式进 行修i e 3 7 3 8 假定发电机和负荷不在同一节点上 因此发电机节点功率增 量方程不变 负荷节点功率增量方程修正为 嵋 a p 一岛 岛 一f 旦o v 一嘉 等一 鲁一鲁卜 v ja 巧 巧 j 杉la a 1 曲 2 3 0 a q j 一 岛 q 口 q 哆 一i oqo 万一盟ov v 坐 鼍一等卜 jv j 哆 j la 国a 叫 为能应用最近一次潮流的雅可比矩阵因子表 忽略式 2 3 0 中的 嘉和蕞隔黝率增量方程式 2 2 6 修酰 峨c c 钻 吼 斟l v l 酶 k g 盟一丑 一 j c o wa 盟一监 一 o o 吃 缆 2 31 对式 2 31 反复进行前代 规格化和回代 取第一行 得 叱 d a c o c p 岛 2 3 2 j n l 式中 d 一考虑了减载控制后的系统频率调节效应系数 勺一第 节点减载控制的灵敏度系数 由此可计算出实施减载控制后的系统稳态频率叱 从而可用于评价实 际系统中不同的减载方案 4 7 1 虬 昵e 玩吼屯 足尼0 0 一 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 4 基于广域量测的频率紧急控制预测算法 2 4 1 采用广域量测的优越性 现代电网规模不断扩大 动态特性非常复杂 稳定性控制越来越需要 从系统整体来考虑 传统的仅限于静态范畴的监控与数据采集 s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n s c a d a 系统已不能满足电网 分析需求 而近来受到关注的基于同步相量测量单元 p h a s o rm e a s u r e m e n t u n i t p m u 的广域测量系统 w i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m w a m s 在 一定程度上可以缓解目前对大规模互联电力系统进行动态分析与控制的 困难 对一个或两个事故同时发生的应急处理稳定计算 需要一个庞大的计 算系统而且对系统的状态所进行的计算一定要尽可能的符合系统实际的 状态 在突发事件的应急情况下 传统的本地设备和s c a d a e m s 系统是 没有用处的 原因是从稳态分析得到的信息太有限 广域量测系统对此问 题的解决方法是利用同步相量测量单元 p m u 从而可以脱离s c a d a 监控 建立在线检测 p m u 可测到电压 电流相量和频率 同时能提供一个时间 间隔低至2 0 毫秒的卫星触发时间棒 w a m s 可以在同一参考时间框架下捕捉到大规模互联电力系统各地 点的实时稳态 动态信息 这些信息在电力系统稳态及动态分析与控制的许 多领域 例如潮流计算 状态估计 暂态稳定分析 4 8 1 电压稳定分析 4 9 1 频率稳定分析 3 5 3 6 3 9 低频振荡分析 全局反馈控制等都可能有用 给大 规模互联电力系统的运行和控制提供了新的视角和方法 探讨w a m s 在电 力系统中各种可能的新的应用 尤其是基于w a m s 技术构建大规模互联电 力系统的广域安全监测及控制系统将是很有意义的研究方向垆0 1 不同于 s c a d a 系统 p m u w a m s 提供的广域数据的特点为 1 带有统一时标的高速采样 2 高速的数据传输 3 可提供瞬时值及相位值 4 可提供暂态或动态响应 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 w a m s 将各广域量的时间断面对齐 可得到完整的系统动态曲线 既 可用以校核模型和参数 也可从中提取关于电能动态质量和系统动态安全 的各种信息 p m u 数据作为s c a d a 数据的补充 有利于提高状态估计的 精度 但必须在p m u 测点的比例足够高时才有较明显的效果 5 1 1 尽管我们现在无法预测或防止各种可能导致电力系统崩溃的突发事 件 但是广域保护系统可以提供一个安全可靠的预测和优化协调措施 以 减轻或防止大面积崩溃 由文献 3 5 可知 基于广域量测的紧急频率控制 预测方法在尽早预见不稳定情况 提高电力系统的可用性 接近物理极限 运行 增加无衰减的安全输电能力 更好地利用低成本电机 并尽量减少 切负荷量等方面做了研究 基于广域量测的自动切负荷控制具有以下优越性 1 在线电机的惯性常数是由广域量测系统提供的 2 在动后的初始阶段 可以在线估计负荷的频率和电压灵敏度 并将这些灵敏度包含在系统模型中 而这个系统模型就是建立 控制的基础 3 实际负荷分布可以测量到 因此可以准确知道相应馈线断开的 后果 这一结论也可以用来控制切负荷的数量 或使用其他标 准如负荷优先或切负荷后的潮流 基于广域量测的自动切负荷频率紧急控制可以避免本地低频减载方 案的缺点 例如延迟反应和过切 通过相量测量进行在线计算 从而得到 含有负荷频率灵敏度装置的各电力系统孤岛的单机等值模型 在预测到意 外情况后使用这个频率稳定模型并为电力系统中被监测的区域确定一个 相应的稳定切负荷方案 文献 3 9 利用广域量测数据 提出频率紧急控制预测算法 现介绍分 析如下 2 4 2 扰动量的估计 发电机的转子运动方程可表示为 2 h r b 己一e 2 3 3 式中 日一发电机的惯性时间常数 通常以该台发电机的额定容量品枷 为基准 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 己 一发电机的机械功率和电磁功率 均以该发电机的品枷为基准 国一发电机的电角速度或频率 标么值 对于一个具有n 台发电机的系统 有 n 2 ec o 厶一 2 3 4 i mi i 其中h i e r 和 均以系统基准容量黾一为基准 定义系统惯性常数 以及与之相关的系统角频率 一 系统机 械功率 绷和系统电磁功率 硎为 nn 耳 2 3 5 i lp l h i c o j e 2 3 6 1i 1 一 己 l k 巴 f l 2 3 7 2 3 8 系统加速功率为 k 一足咖 2 3 9 根据方程 2 3 5 2 3 9 改写式 2 3 4 为 2 删西一 乞 2 4 0 基于上述方程 若系统遭受扰动 如发电机或负荷的突然变化 则 将导致系统频率的动态变化 涡轮调速器和系统负荷的灵敏度将对最后结 果起重要作用 系统中 一个切机扰动后的第一个瞬间 系统加速功率包含了扰动易 以及由于频率和电压变化导致的电磁功率变化量必 乞 乞一 e o 一c o o o 一材 一 2 4 1 其中 下标0 一 0 分别表示扰动前和扰动后的瞬时时刻 的网损以及负荷的变化 即 m 必 吨 嵋 1 必描述了系统 2 4 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 其中m 表示系统中总的负荷数 可根据式 2 4 0 计算出系统的加速功率只 其中系统惯性时间常数 可基于广域测量测得系统中发电机的运行状态 并由式 2 3 5 得到 击 卅可利用对扰动后的系统频率进行采样求得 即 m 塾坐号剑 2 4 3 其中 h 为采样时间间隔 电磁功率变化量可以根据广域测量扰动前后的系统电磁功率获得 即 nn 妃 厶 一 厶一 i m 1 因此 根据式 2 4 1 可以估计得到系统的扰动量为 p o 必 2 4 4 2 4 5 2 4 3 频率稳定预测控制算法 假定已求得系统的扰动只 此时希望找到所需切除的负荷量以确保系 统的稳态频率在近期内 例如扰动后3 0 秒 保持在预设值蛾甜以上 在稳态点 以下标o o 表示 经过扰动后 西 0 功率平衡方程可由式 2 4 0 得到 乃 乞 国妇一 一 埘一 一 一甜 一 匕鲥 0 2 4 6 其中 蛾一由于调速器作用产生的机械功率增量 必一在扰动前瞬时时刻和扰动后稳态时刻之间 由于电压和频率变 化造成的电磁功率增量 由于调速器作用 发电机的机械功率增量为 屺 一 足 2 4 7 r 表示速度调节 在计算机械功率增量时若忽略了涡轮机的限制 则 得不到满意的结果 实际上 当由于发电机被切除或负荷增加而造成频率 下降时 只有那些有备用的发电机组才会响应 般情况下 能立即可用 的旋转备用只有一部分 因此 在计算由调速器作用产生的