新型磁控可调电抗器抑制电力系统低频振荡研究

摘要

随着我国特高压电网不断发展和大区电网互联程度的不断加深，低频振荡问题已成为电网安全稳定运行的主要威胁之一。可控串联补偿装置在电网运行中发挥着重要作用，实现优化电网潮流分布、降低运行损耗、增加系统阻尼和抑制低频振荡。现有的可控串联补偿装置分为两类:柔性输电装置(Flexible AC Transmission Systems Device，FACTS)和可控电抗器。柔性输电技术较为成熟，但是由于绝缘材料的限制，难以应用于特高压电网中。可控电抗器由于其结构和性能具有独特的技术优势，应用前景广阔。本文采用理论研究与仿真实验相结合的方法，建立了新型磁控式可控电抗器(Saturated-core Controllable Reactor，SCCR)的数学模型，分析了磁控可调电抗器的电抗控制特性，系统性的研究了电力系统低频振荡的发生机理、抑制措施，提出了基于新型磁控可调电抗器抑制低频振荡的控制策略，研究了采用新型磁控式可控电抗器抑制系统低频振荡的有效性。
　　本研究主要内容包括：⑴设计了一种基于磁放大原理的新型磁控可调电抗器，通过在可调电抗器铁心磁路中设置气隙，扩大其电抗调节范围并保持其良好的线性控制特性。分析了新型磁控可调电抗的磁化机理和控制特性，利用三维有限元方法(Finite Element Method，FEM)计算了新型磁控可调电抗器的磁场分布，将漏磁场简化等效为磁通管，建立了考虑漏磁效应的新型磁控可调电抗器的等效磁路模型，计算新型磁控可调电抗器的电抗。对交流绕组中交流电流不变，调节直流绕组中偏磁电流对可调电抗器电抗的影响，和相同直流绕组偏磁电流变化范围下，不同交流电流对SCCR电抗的影响进行分析。计算给出了新型磁控可调电抗器的控制特性。通过仿真计算与样机测试结果比较，对等效磁路模型的正确性和有效性进行验证。⑵基于电力系统低频振荡的负阻尼机理，提出了一种新型磁控可调电抗器抑制电力系统低频振荡的控制策略。以新型磁控可控电抗器为控制对象，推导了包括SCCR的系统状态方程，设计了基于SCCR低频振荡附加阻尼控制器和相应的控制器参数。以单机无穷大系统为研究对象，基于电磁暂态仿真软件(PSCAD)对新型磁控可调电抗器抑制电力系统低频振荡进行的仿真表明，采用新型磁控可调电抗器，大大降低了电力系统低频振荡的持续时间和振荡振幅。⑶选取广域测量信号，提出了一种结合广域测量系统WAMS和新型磁控可调电抗器抑制电力系统低频振荡的控制策略。根据系统小干扰稳定分析方法，计算各个广域测量信号的留数，综合考虑信号的可观性和可控性，分别以联络线有功功率变化量和发电机转速变化量为输入信号，应用留数法设计基于SCCR的低频振荡附加阻尼控制器。通过三种不同联络线传输功率下的多机系统PSCAD实时仿真验证了控制器有效性。⑷提出了一种基于新型磁控可调电抗器抑制电力系统低频振荡的模型预测控制策略。利用模型预测控制方法基于模型、滚动优化和反馈校正的特点，通过对系统控制变量未来轨迹的预测，将SCCR调节范围作为约束条件加入算法中。基于Hildreth方法对控制器设计过程中的优化问题进行求解，很好的规避了矩阵不可逆带来的无解问题以及稳定性问题。建立了包含可控电抗器的多机系统仿真模型，搭建了基于Matlab和电磁暂态仿真软件PSCAD的交互仿真平台，利用模型预测方法得到系统控制变量未来的动态轨迹，显式的将可控电抗器输出范围作为约束条件加入程序中，求取当前时刻最优解，使预测输出变量值尽可能的接近期望值，改善了由于装置本身约束条件给阻尼控制器带来的负面影响。多机系统不同运行方式下的实时仿真结果表明，基于模型预测算法设计的阻尼控制器抑制了系统低频振荡，并具有较好的鲁棒性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 电力系统低频振荡定义

1．3 低频振荡分析方法

1．4 低频振荡抑制装置

1．4．1 电力系统稳定器

1．4．2 柔性输电装置

1．4．3 可控电抗器

1．5 低频振荡阻尼控制器设计方法

1．5．1 留数法

1．5．2 H无穷控制方法

1．5．3 状态预测控制方法

1．6 本文主要工作及章节安排

第2章 新型磁控可调电抗器的建模与分析

2．1 引言

2．2 新型磁控可调电抗器的基本结构和工作原理

2．3 新型磁控可调电抗器的有限元分析

2．4 不计漏磁效应的新型磁控可调电抗器等效磁路模型和数学建模

2．5 考虑漏磁效应的新型磁控可调电抗器等效磁路模型和数学建模

2．5．1 假设条件和磁场划分

2．5．2 主磁路磁导计算

2．5．3 漏磁导计算

2．5．4 磁动势方程

2．6 实验研究及结果分析

2．6．1 试验样机参数

2．6．2 仿真结果分析

2．7 本章小结

第3章 新型磁控可调电抗器抑制电力系统低频振荡的机理分析

3．1 引言

3．2 电力系统低频振荡机理

3．3 新型磁控可控电抗器抑制电力系统低频振荡原理

3．4 基于SCCR的附加阻尼控制策略

3．5 仿真算例及分析

3．6 本章小结

第4章 基于留数法的新型磁控可调电抗器广域控制器设计

4．1 引言

4．2 电力系统广域测量系统

4．3 留数法

4．4 基于留数法设计低频振荡阻尼控制器

4．4．1 基于小于扰稳定分析的多机系统建模

4．4．2 低频振荡阻尼控制器参数计算

4．4．3 控制器输入信号选择和装置布点选择

4．5 多机系统仿真分析

4．5．1 算例1：75％额定联络线功率

4．5．2 算例2：100％额定联络线功率

4．5．3 算例3：125％额定联络线功率

4．6 本章小结

第5章 基于模型预测控制的新型磁控可调电抗器附加阻尼控制器设计

5．1 引言

5．2 模型预测控制方法

5．2．1 模型预测控制方法的系统模型

5．2．2 约束条件处理方法

5．2．3 含有约束条件的模型预测控制方法

5．3 基于模型预测控制方法的附加阻尼控制器设计与实现

5．3．1 基于模型预测控制方法的附加阻尼控制器设计

5．3．2 PSCAD与Matlab的交互仿真平台搭建

5．4 多机系统仿真分析

5．4．1 算例1：75％额定联络线功率

5．4．2 算例2：100％额定联络线功率

5．4．3 算例3：125％额定联络线功率

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士期间发表的学术论文

攻读博士期间申请的专利