发输电设备控制系统对电网振荡特性的影响分析及监测

摘要

电力系统振荡始终是制约电网安全稳定运行的关键因素之一。随着电力系统的不断发展，越来越多新型发输电设备在电网中投入使用。发电侧大量新能源发电设备和输电侧柔性交直流输电装置的投入运行，使电网稳定特性发生了明显的改变，出现了一些不同于传统机电模态振荡的新振荡问题。现有研究发现这些振荡问题与发输电设备的控制系统密切相关，但在其机理方面的研究还不够充分。发输电设备控制系统一方面会向电网引入新的振荡模态——控制模态，另一方面也会影响已有的低频振荡模态，从而影响整个电网的振荡特性。因此，开展发输电设备控制系统对电网振荡特性的影响分析及监测研究对于电力系统安全稳定运行具有重要的意义。
　　本文在归纳总结了电力系统振荡分析和控制研究现状的基础上，阐明了引起电力系统振荡问题的主要因素，针对现有研究成果的局限性，提出了本文的主要研究思路。本文分别以发电机励磁控制、调速控制、柔性交流输电系统的阻尼控制以及双馈风电机组的变流器控制这四种典型发输电设备控制系统为研究对象，开展了其对电网振荡特性的影响及监测方面的相关研究，取得的主要研究成果如下：
　　（1）针对锡盟火电集中外送系统的一种送出方案，详细阐述了该方案下电力系统稳定器增益整定值难以同时满足系统阻尼水平和必须小于临界增益1/3的投运要求的问题。采用海佛容-菲利普斯模型分析了该问题产生的机理，并通过在传统电力系统稳定器上并联一个功率前馈环节，提出了一种改进型的电力系统稳定器以解决该问题。算例分析验证了分析结果的正确性及所提控制器的有效性。
　　（2）针对发电机调速控制系统会影响低频振荡阻尼和向电网引入超低频频率模态振荡的问题，采用转矩分析理论研究了调速系统对低频振荡阻尼的影响，并基于系统频率模型分析了频率模态的特点，然后以4机2区系统为例，进一步分析了频率模态和调速死区对低频振荡的影响。最后，通过华中-华北互联电力系统仿真验证了上述分析结果的正确性。
　　（3）针对发电机原动机调速系统可能导致低频振荡阻尼下降的问题，通过转矩分析理论研究了计与不计调速系统这两种情况下发电机转速以及机械、电磁转矩在功角-转速相平面上的相位关系，并基于分析的结果提出了一种监测调速系统对低频振荡阻尼影响的方法。最后，通过4机2区和实际互联电力系统仿真验证了所提方法的有效性。
　　（4）针对多个柔性交流输电装置阻尼控制器之间的交互影响导致控制模态失稳的问题，首先详细分析了单个柔性交流输电装置阻尼控制器控制模态失稳的机理，进而分析了多个柔性交流输电装置阻尼控制器同时运行导致阻尼控制器控制模态失稳的机理，并提出了一种抑制该模态振荡的反馈控制方法。最后，通过10机39节点系统仿真验证了机理分析的正确性和所提控制策略的有效性。
　　（5）针对弱交流电网中的双馈风电机组在运行时可能产生10Hz左右的控制模态振荡的问题，提出了一种适用于双馈风电机组控制模态失稳机理分析的简化模型。基于该模型定性分析了双馈风电机组在弱电网中运行时引发控制模态失稳的机理及该控制模态的特性。最后，通过算例仿真验证了分析结论的正确性。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 电力系统稳定问题概况

1.3 电力系统振荡问题研究现状

1.4 本文主要研究内容与章节安排

2 发电机励磁系统控制模态对电网低频振荡的影响分析及抑制

2.1 引言

2.2 励磁系统控制模态失稳现象及机理分析

2.3 多机励磁系统控制模态特性分析

2.4励磁系统控制模态振荡抑制方法

2.5算例分析

2.6小结

3 原动机调速系统频率模态对电网区域间低频振荡的影响

3.1 引言

3.2 调速系统对区域间低频振荡阻尼的影响分析

3.3 调速系统频率模态特性分析

3.4 频率模态与调速死区对区域间低频振荡阻尼的影响分析

3.5 算例分析

3.6 小结

4 原动机调速系统对电网低频振荡阻尼影响的在线监测方法

4.1 引言

4.2 振荡时各监测量之间的关系分析

4.3 调速系统对电网低频振荡阻尼影响的监测方法

4.4 算例分析

4.5 小结

5 多FACTS阻尼控制器控制模态失稳机理分析及抑制

5.1 引言

5.2 单个FACTS阻尼控制器控制模态振荡机理分析

5.3 多个FACTS阻尼控制器控制模态失稳机理分析

5.4 FACTS阻尼控制器控制模态振荡抑制方法

5.5 算例分析

5.6 小结

6 弱电网中双馈风电机组控制模态对系统振荡特性的影响分析

6.1 引言

6.2 适用于双馈风电机组控制模态失稳机理分析的简化模型

6.3 双馈风电机组控制模态失稳机理及特性分析

6.4 算例分析

6.5 小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文及专利

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目

附录3 第二章所用仿真模型及参数