电力系统稳定器和直流输电控制系统的交互作用对低频振荡抑制效果

电力系统稳定器和直流输电控制系统的交互作用对低频振荡抑制效果 广西大学 硕士学位电力系统稳定器和直流输电控制系统的交互作用对低频振荡抑 制效果的研究 姓名:周艳伟 申请学位级别:硕士 专业:电力系统及其自动化 指导教师:龙军 20070607电力系统稳定器和直流输电控制系统的交互作用对低频 振荡抑制效果的研究 摘 要 电力系统稳定器和高压直流输电控制系统都可以很好的对电力系统出现的低频振荡进行抑制，但是当两者共同作用时却有可能会破坏电力系统的稳定性，产生电力系统低频振荡，甚至导致系统的崩溃。由于这种交互作用非常复杂，所以本文希望通过对电力系统进行仿真的方法对其进行研究。本文利用,,,,,,,,,,,软件对电力系统进行仿真，通过调节电力系统稳定器和高压直流输电控制系统的参数，分析两者之间的交互作用。 本文首先阐述了低频振荡产生的机理，并对发电机、励磁系统、电力系统稳定器、直流输电控制系统的数学模型进行了详细的研究。然后利用,,,,,,,,,,,软件对单机系统中的励磁系统、电力系统稳定器、直流输电控制系统进行仿真，通过调节各自的参数确定对低频振荡的影响。仿真的结果明，励磁系统、电力系统稳定器、直流输电控制系统都可以很好的对低频振荡进行抑制。最后? ?艘桓龆嗷 缌ο低车哪,停 ü 鹘谏厦娴玫降母骺刂破鞯牟问 钡鹘谡饬街挚刂破鳎 芯空饬街挚刂破髦 涞慕换プ饔谩?对多机系统模型的仿真表明，通过适当的调节电力系统稳定器和直流输电控制系统的参数，可以更好的抑制电力系统的低频振荡，提高电力系统的稳定性。关键词:低频振荡电力系统稳定器 直流输电控制系统 ,,,,,,,, ，,,,,,,,，,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,, ,, , ,,, ,,,, ,, ,,, ,,,，,，,，,, ,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,，,,,,，,, ,,,,,,;, ,,,, ,,, ,,, ,,,, ;,, ,,,, ,,, ,,,？,,,;, ,,;,,,,,,,, ,,,,;,,,,,,，,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,—,,,,, ,,,,,, ,,, ;,,,, ,,, ,,,,,,？,,,;, ,,;,,,,,,,,，,,,, ,,, ,,,,, ,,,,,, ;,,,,,,,，,, ,,,,, 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,, ,,, ,,, ;,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,, ,,,, ,,,,(,,, ,,,,,:,,, ,,,？,,,;, ,,;,,,,,,,,;,,,;,,,,;,,,,,,,,,,, ，， 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明:所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名:同耗弗 ?一,年,月上日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即: 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本: 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供检索与阅览服务; 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文; 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间: 口即时发布 口解密后发布 (保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名:,瓣绋导师签名:谚津上咖,年,月二,日广西，叫弗司,,掌位,穹(文 电力,,慵定—,和直訇，泔电控囊,,,晓的交互作用列,,舅,报裔,抑?, 效果的研究 致谢 在硕士生涯即将结束、值此论文完成之际，谨向所有关心、帮助和鼓励我的老师同学表示衷心的感谢。 感谢最尊敬的导师龙军教授对我学习、工作和生活的关心。论文的完成与导师精心的指导是分不开的，从资料的搜集到论文的构思与写作无不凝聚着导师的心血。导师严谨的治学态度，对科学事业孜孜不倦的执着追求时时启发和激励着我，将我逐步引入科学的殿堂:导师高尚的人品和处世风格是我学习的榜样。 感谢谭建成教授、吴杰康教授、王巨丰教授和林苗副教授、粱志坚老师等为此论文提出的宝贵意见;感谢广西大学电气学院为我三年的学习和生活所提供的良好环境;感谢郭袅师姐、彭济湘师兄、卫宁同学等在思维和学习方式上对我的启迪;感谢家人对我默默无闻的支持和鼓励。感谢电气学院,,,,级全体硕士研究生在生活上对我的关心和帮助。他们是我不断上进的源泉。 再次谢谢你们，我的师长、家人、朋友和同学。你们的鼓励和支持不仅帮助我战胜了一个又一个的困难;在未来的日子里，你们的思想、你们为人处世的态度和待人接物的方式，将继续照亮我今后的人生之路，指引我前进:你们的关心和期盼将催促我不断的探索和思考，激励我不断奋斗，追求不 懈。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,昌,,, 声 明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签 名:周艳伟 日 期: ,,,,年,月,,日 ,,广西大掣蝎曩士掣啦论文 电力膏,„，睫定曩,和，晴瞻电舞喇,(,毫的,,,作用对?毛舅,舅,锅;抑，咀 效,,,的研究 第,章绪 论,(,本课题研究的背景和意义 电力系统是一个非线性动态系统【卜孙，是由输配电线路和多种设备以及多种控制手段相互联系，相互影响而形成的电力网络【,，。随着全球经济一体化，电力行业面临前所未有的挑战，电力网络也面临着增大输电能力、保证系统稳定和优化系统运行等任务【,,。 电网互联技术可以合理利用能源资源，提供相互支援，极大地提高了发电和输电的可靠性，因而得到了十分迅速的发展，但它同时也带来了一些新的问题。随着电力网络互联程度的不断提高，系统越来越庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使得电网的安全稳定问题越来越突出,,,,〕。如果电网结构不完善，缺少必要的安全，很容易出现局部的小扰动或异常运行，从而引起系统的不稳定甚至造成大面积的系统瓦解。这种不稳定常表现为发电机(或发电机群)之间的增幅型振荡，在互联系统的弱联络线上表现的尤为突出。引起电力系统频率振荡的范围为,(,,,(,,,，故称为低频振荡，或称为功率振荡〔,,,,。低频振荡有两种表现形式，一种为局部振荡(,,;,, ,,;,,,,,,,,)，它是电气距离很近的几个发电机之间相互振荡或者作为一个整体对于系统内的其它机组的振荡，这类振荡局限于区域内，其频率大致范围为,(,,,(,,,;另一种为区间振荡(，,,,,(,,,, ,,;,,,,,,,)，它是系统的一部分机群对于另一部分机群的振荡，其频率范围一般为,(,,,(,,,，这种振荡的危害性比较大，一经发生会通过联络线向全系统传递。 随着电网的日益扩大，大容量机组在网中的不断投运，以及快速励磁的普遍使用，低频振荡现象在大型互联电网中时有发生，它已成为威胁电网安全的重要问题。随着三峡枢纽工程的建成、超高压长距离输电和全国联网的实施，低频振荡引起的系统稳定问题尤为突出，应引起高度重视。 目前，抑制低频振荡的措施除了传统的在相关机组中加装电力系统稳定器(,,,)之外，利用无功补偿装置…】、直流附加,,,(,,,),,,,来增加系统阻尼也是抑制交流系统低频振荡的有效控制方式。所以研究互联电力系统低频功率振荡发生的机理及各种影响因素，合理配置电力系统稳定器，广西大掣啊炙士掣啦论文 电力,嗽穗定—牵】,翻„??电控?时,,蕊的趸互,,用列,„疆舅„霸,抑?西 效果的研究并对现有电力系统稳定器进行统一整定和调节，同时利用直流输电控制系统的控制和快速调节作用，研究抑制系统低频振荡的有效措施，对于保证电网的安全稳定运行，提高系统的经济效益具有重要意义。,(,低频振荡的研究现状,(,，,国内外电力系统发生低频振荡的主要事故 自,,世纪,,年代北美的西北联合系统和西南联合系统试行互联观察到低频振荡以来，低频振荡现象就不断的被发现。 美国西部的电力系统在,,年,,月,臼、,,年,月,,日、,,年,月,,日、,,年,月,日及,,年,月,,日先后发生了五次低频振荡。原因是当时美国西部向南输送的负荷很重，其中一条联络线因 故障断开后，使系统变成了一个弱互联的系统，从而出现了低频振荡，使其失去了稳定。 我国从上个世纪,,年代初开始，在多个电力系统中发生过低频振荡。,,,,年，河南电力系统的风常线，湖北电力系统的葛凤线;,,,,年广东至香港联络线;,,,,年南方电网的天广线;,,,,年川渝电网的二滩电力送出系统，在这些线路中都曾经出现过低频振荡，也有过因此而使系统解列甚至停电的事故。,,,,年,月,,月问，在南方电网的云南至天生桥、天生桥至广东、广东至香港的联络线上，多次发生低频振荡现象。国内的其他地方，如黑龙江北部系统、南通一崇明岛传输线、河北省的安一保传输线及葛洲坝等地区均发生过不同程度的低频振荡。,(,(,低频振荡的产生机理 电力系统中各发电机通过输电线路并列运行时，会在扰动作用下使某些发电机转子之间出现相对摆动，若阻尼不足则会发生持续的振荡，此时这些发电机有功功率以及发电机之间的输电线路功率就会发生频率为,(,,,,,的低频振荡。 低频振荡产生的根本原因是由于系统的总阻尼很小或为负值。一旦系统受到扰动时，系统内缺乏阻尼引起持续振荡。此时若不采取 要从根本上了解低频增大阻尼的措施就可能会发生振荡失步，甚至系统崩溃。 , 振荡产生的机理，必须先推导其数学模型。 单机一无穷大系统同步发电机方程如下: ,,,,,,,,，,?, (,,,) 发电机转子运动方程: 乃警,埘，一毗 (,,,) ?艿:竺,×,国 (,(,) ,膨。,畸?,，屯,,(,,,) 屯,一捣,,,磊，搞,;,,磊 其中南、岛、毛、毛、,,和气均为大于零的系数。 面,,,五巍,?—,,—,,,,,,),,,,，,,，,,,， 撇,，专×警吣，‰ 一,。堕 一 (,,,) ,、卜 所以闭环传递函数的方程为: ,,,,,，,,,，??,,,, ,,,) 。 ,??,乙,,,,,,, ,乃 判别系统是否是一个稳定的系统，可由劳斯稳定判据可知:所有系数都要大于零，这样可得出系统稳定的必要条件为:,?,，,,?,。 当系统的负荷较重，线路电抗较大，或者系统处于弱联系时，有可能使系统的阻尼,变为负值。当,小于零时，会出现两个具有正实部的共轭 。 , ,,??,,,,,,,,， ,, ,?: 塾 牛锹蹦一键蹦,? 嵋,一砸,，,,,,,, ,,,,一厩丽,,,，,,蹦(,,?,)这样有蟛,一瓦?,瓦,,, ×?,，电磁转矩 (?彤)删,,”,,,蟛,一面,,甬,,,酉,×?万 , 批:一卷‰枷 :一兰脚，(，芝盘?万 一南灿,，甜酣 ,警执刚馨一?…: 毗::墼?, (,,,,)—,,,—，,,，因此 系统总阻尼瓦:,，冬堡 (,一,,),(,(,低频振荡的研究方法 通常把低频振荡问题归于小扰动稳定性分析。进行电力系统小扰动广西大学嵋曩士掌位,毛嘎?，力量激嗣,冠(?,,，嗣潍?,担倒,噍倒，趸互,,用列。?,曩最哥,卵铟 效果的研究稳定性分析的具体方法很多。根据其所依据的数学模型，这些方法可以大体划归为两类，即数值仿真方法(时域方法)、特征值分析方法(频域方法)。随着非线性领域研究的深入，一些专家学者开始把分歧、混沌等理论引入低频振荡的研究。面对大型复杂的电力系统，各种方法都有自己的优点，但也存在各自的不足。 (,)电气转矩解析法 电气转矩解析法是最早应用于小扰动稳定分析的实用方法，一般采用,,,,,,,(,,,,,,,模型对发电机建模，将发电机的电磁转矩沿着功角和转速变化方向分解成两部分，沿功角变化方向者称为同步转矩，沿转速变化方向的称为阻尼转矩。 (,)特征值分析法 ? 特征值分析法是研究小扰动问题的最基本的方法。低频振荡属于小扰动的范畴，因此在分析电力系统低频振荡时广泛 采用特征值分析法。进行分析时首先要将全系统状态方程线性化，求出特征根和特征向量，并根据特征根求出振荡情况。特征根分析法的核心是计算系统状态矩阵的特征根。 (,)频域法 频域法是分析线性时不变动态系统的强大工具，以经典自动控制理论为基础，常用于判断以传递函数描述的系统的稳定性。在低频振荡稳定性分析中，频域法主要用于设计各种控制器，并辅助确定控制器最佳安装地点。从频域的观点看，控制器的作用是提供合适的相位和幅值补偿 (,)时域仿真法 时域仿真法能模拟系统受扰动后，各个系统变量随时间变化的具体过渡过程，从而反映系统的稳定程度。时域仿真法利用系统非线性微分代数方程数学模型为仿真模型，人为地选择某些系统中的关键地点制造“瞬时干扰”，并根据由此造成的系统各状态变量的变化来判断系统的稳定性。 (,),,,,,分析法 近年来，,,,,,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。 (,),,,,分歧分析方法 ,广西，,事硕士掌位鬣,灭?,力膏?毛覆足叠印,,嗣瞩电翟?，,溉的至互了,涌刈,巨爆舅„霸,押—, 效果的研,宅 电力系统是复杂的非线性大系统，而且随着系统规模的不断扩大和负荷的高速增长，系统常处于一种紧运行状态，系统非线性表现尤为突出。分歧现象是非线性系统的重要特点之一。,,年代开始，人们利用分歧理论研究电力系统中的非线性奇异现象，使电力系统稳定与控制的研究有了新的突破。,,年代中期，,,,,和,,,,,,,首次揭示了电力系统低频振荡中的非线性奇异现象，并指出这种现象是由于,,,,分歧引起的。文献〔,,】和【,,】分别就单机无穷大系统和多机系统中出现的非线性奇异振荡现象运用,,,,分歧理论和中心流形定理进行了理论分析;文献【,,】运用,,,,分歧理论进行大规模电力系统小信号稳定域的研究，研究表明,,,,分歧理论是用来分析电力系统随某些参数变化而发生的一种奇异的非线性振荡现象的有效方法。,(,(,低频振荡的抑制措施 ,(加装电力系统稳定器,,, 目前世界上通用的做法是在励磁系统中加装,,,来提高发电机的阻尼。,,,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。,,,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。 ,,,在大系统中如何配置是一个重要的问题。虽然,,,阻尼当地和区域间振荡模式的设计原理是类似的，但,,,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,,,安装地点问题上是相当有用的，用它可对可能加装,,,的发电机组进行初步估算，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。 ,(加装直流小信号调制 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,,,,,,提高到了,,,,,,。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，线路广西大掣啊甄士掌位论文 电力系筑穗定?,和，翻„—,电控制,“蠢的夏互„怍用对?,刃?墨礴,卵—一 藏果的研究功率偏差和线路电流偏差。 ,(加装,,,,,装置 ,,,,,装置的投入同样可以增加对系统低频振荡的阻尼，如,,,，,,,,,,,，,,,,等。,,,,,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,,,,为例，利用,,,,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,,,,来抑制南北之间的区域间低频功率振荡。目前，,,;,,装置在国外电网中得到了越来越多的应用，但是,,,,,装置带来的可靠性、次同步谐振等问题还需要进一步研究。,(,仿真软件,,,,,,,,,,,介绍,(,(,仿真软件,,,,,,,,,,,简介 加拿大曼尼托巴高压直流研究中心开发的,,;,,,,,,,;程序，是,,世纪,,年代中期发展起来的一个电磁暂态仿真软件，因为其丰富和精确的软件模型以及强大的数据分析功能而用于交、直流电力系统的电磁暂态研究，同时也是研究电力电子仿真及非线性?刂频亩喙δ芄ぞ撸 恃芯坎棵潘 ㄓ谩?,,;,,，,,,,,的方针软件主要是由两个部分组成，其中,,,,,(,,,;,,,;(,,,,,,,; ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,)是一个离线的电磁暂态仿真计算程序，是,,,,,,,,,,,仿真的核心。它有相对精确而齐全的电力系统元件模型、方便的数据输入方式以及强大的数据分析功能，是进行电力系统分析和工程研究的有力工具是其仿真核心程序。另一主要部分,,,,,(,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,)是作为该软件的图形用产界面，完成所要研究系统网络图的构建、仿真运行和结果分析等任务。它与,,,,,完美结合的一个强大的图形用户界面极大地增强了,,,,,地能力，使用户可以在一个完全集合的图形环境下构造仿真电路，运行、分析结果和处理数据，保证并提高了研究工作的质量和效果。〔,,, ,,,西大掌硬士掌位论文电力秉统稳定,和直流输电控制赢麓的交互作用对低珂攘荡抑制 藏果的研究,,(, ,,,,,,,,,,,的主要功能 ,,,,,,,,,,,的主要功能是进行电力系统时域和频域的计算仿真。典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，系统参数随时间变化的规律;另外,,,,,,,,,,,软件包也广泛应用于高压直流输电、,,,,,控制器设计、电力系统谐波分析与无功补偿以及电力电子领域的仿真计算等。 以,,,,,,,,,,,程序为软件平台的数字仿真系统是分析和研究各种高压直流输电运行方式及其相应控制模式的有力工具，可实现以下功能: ,、直流输电控制保护系统参数优化的研究功能 ,、故障暂态情况的离线分析功能:在负荷、电压或电流整定值改变等情况下的系统动态特性研究功能 ,、交直流联网系统的相互作用研究功能 ,,,,,,,,,,,主要有以下元件模型库: 集中参数电阻,、电感,、电容,; 随时间变化的电阻,、电感,、电容,; 电压源、电流源、多相谐波源; 单相或三相(耦合或理想)变压器(双绕组和三绕组); 多相(换位)分布参数线路模型和电缆模型; 单相和多相逻辑控制断路器，用来模拟网络连接的改变及各种类型的短路故障; 旋转电机，不但可以模拟三相同步电动机、三相感应电动机，而且模拟汽轮机、水轮机的调速器及交直流励磁器的动态特性; 高压直流输电(,,,,)及灵活交流输电(,,,,,)模型库，包括二极管、晶闸管、,,,、，,,,及避雷器模型库，可以进行电力电子仿真、模拟,,,,,元件(如,,,)和,,,,特性; 测量元件库，包括单相电压表、电流表、三相电压表(,,,)、瞬时有功功率无功功率表、频率表及相位(差)表; 控制面板，包括滑动触头(,,,,,,)、开关(,,,,;,)、按钮(,,,,,,)及调节控制盘(,,,,)，运行中可以在线控制参数值。 ,,,,西大掣瞄曩士学位论文 电力,,境 稳定囊牵，睛晡电控制，,瞻的交互。怍用列,毫舅,舅„露抑制 藏果的研究,(,本文研究的主要内容 本文主要工作是研究电力系统稳定器,,,和直流输电控制系统,,,,对电力系统低频振荡的抑制作用，以及在两个控制系统共同作用下的抑制效果。采用了仿真软件,,,,,,,,,,,建立系统模型，通过调整系统参数，从而达到对电力系统低频振荡最佳的抑制效果。 具体工作如下: (,)在了解发电机、励磁.