大电源外送系统次同步振荡分析方法及特性研究

摘要

我国的能源资源和电力负荷分布状况决定了我国“西电东送，北电南送”的大规模、远距离输电发展格局。为提高输送容量，大型电源基地外送系统广泛采用了串联电容补偿和高压直流输电技术，系统具有近电气距离多机和交/直流多通道等特点，机电耦合特性异常复杂，次同步振荡（Subsynchronous Oscillation，SSO）问题凸显，采用常规的单机无穷大简化等值系统难以准确揭示其次同步振荡特性。另一方面，随着柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission Systems，FACTS）的逐步推广和应用，以及我国西北地区风电的大规模开发和并网，我国电力系统的次同步振荡问题更将呈现出新的特点。本论文结合上述工程背景，研究多机交直流联合电力系统次同步振荡分析的特征值和复转矩系数分析方法，探索含FACTS及风电的大电源外送系统次同步振荡特性。论文的主要工作和研究成果如下。
　　（1）研究了电力系统次同步振荡特征值分析中网络部分状态空间的生成方法。针对具有非常态网络（Improper Network）特点的输电网状态空间生成所面临的独立状态变量选取等问题，归纳了输电网络状态变量选取规律，定义了电容支路动态导纳矩阵的概念，进而采用支路追加的思想提出了一种建立电力系统网络部分状态空间模型的新方法；该方法可方便地根据网络结构确定网络状态变量，且算法易于实现；工程实际算例特征值分析和时域仿真表明了该方法的有效性。
　　（2）改进了基于复频域端口等效导纳矩阵（Complex Frequency Domain Port-equivalence Conductance Matrix，CPCM）的复转矩系数法并开发了相应软件。系统地研究了电力系统元件和网络的复频域建模方法，改进了基于CPCM的复转矩系数法中发电机和网络复频域模型的接口算法，从而使算法可有效地计及多机系统中机组轴系间的耦合作用，提高了电气复转矩系数计算的准确性，并使算法具有分析含发电机转速反馈控制的SSO阻尼装置对机组电气复转矩系数影响的能力；工程实际算例特征值分析和时域仿真均验证了改进算法的有效性。所开发的分析软件可为系统规划/运行中的次同步振荡问题研究提供一种有效的分析手段。
　　（3）以我国某工程系统为原型系统，采用改进的基于CPCM的复转矩系数法研究了含TCSC（Thyristor Controlled Series Capacitor）的交直流联合电力系统的次同步振荡特性，并对比分析了系统中串补线路分别采用TCSC和固定串联电容补偿时系统的次同步振荡特性。分析表明有以下特点可供大电源外送工程规划和运行参考：经交直流联合通道外送的SSO风险小于仅经串联电容补偿外送的风险，且在串联电容补偿输电系统中推广TCSC的使用可降低系统的SSO风险。
　　（4）我国西北地区存在密集的大容量风电和火电集中外送的需求，风电—火电打捆集中外送系统的工程实现将成为必然。针对风电—火电打捆经串补外送系统的次同步相互作用（Subsynchronous Interaction，SSI）新问题，汽轮发电机组和风电机组间SSI特性的相互影响研究表明风电—火电打捆可对汽轮发电机组和风电机组的SSI问题有一定改善作用，并进一步探索了DFIG（Doubly Fed Induction Generator）附加控制综合抑制系统中汽轮发电机组SSO和风电机组SSI的方法和可行性。

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1绪论

1.1研究背景

1.2电力系统次同步相互作用分类

1.3电力系统次同步振荡分析方法研究现状

1.4含FACTS和风电的电力系统次同步振荡研究现状

1.5论文的主要工作和章节安排

2利用电容支路动态导纳矩阵建立网络状态空间的方法

2.1引言

2.2电力系统状态空间介绍

2.3输电网络特点及状态变量选取

2.4网络元件模型

2.5交流输电网络状态空间生成

2.6算例分析

2.7小结

3基于CPCM的复转矩系数法改进研究及软件开发

3.1引言

3.2基于CPCM的复转矩系数法基本原理

3.3电力系统元件的复频域模型建模

3.4改进的基于CPCM的复转矩系数法算法

3.5算例分析

3.6软件开发

3.7小结

4含TCSC的交直流电力系统次同步振荡特性分析

4.1引言

4.2 HVDC复频域模型

4.3 TCSC复频域模型

4.4交直流联合输电系统算例

4.5系统次同步振荡特性分析

4.6小结

5风电—火电打捆串补外送系统次同步相互作用研究

5.1引言

5.2 DFIG风机模型

5.3算例系统

5.4系统次同步相互作用特性研究

5.5 DFIG附加控制抑制系统次同步相互作用研究

5.6小结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2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和获得的知识产权

附录2攻读博士学位期间参与的科研项目

附录3 Canay文献算例参数

附录4 TCSC离散模型计算公式

附录5风电—火电打捆串补外送系统参数