基于子空间辨识方法的机电振荡模式的估计与分析

摘要

电网中机电振荡模式的存在严重限制了电网的传输能力。近年来，世界范围内由于机电振荡引发的事故时有发生，足以显现出其巨大的潜在破坏力。因此，机电模式稳定性分析对于电力系统稳定运行有着重要意义。
　　过去几十年间，基于机理建模的分析揭示了机电模式的重要特性，为系统设计和静态安全评估提供了大量的信息和帮助。然而在互联电网背景下，随着电力系统规模和复杂度的不断增大，这类分析方法在建立实时变化的电力系统模型时面临着巨大挑战。借助测量技术的发展，基于测量数据的分析方法逐步成为主流。其中，子空间辨识方法受到广泛关注和研究。然而，基于子空间辨识方法在分析机电振荡模式过程中依旧面临着一些难题。本文将就其中存在的三个主要问题进行分析并分别给出解决方法:
　　(1)分析和对比研究影响机电模式估计准确性的两个主要因素，即采样频率和激励信号的输入，得出提高估计准确性的方法。研究结果表明:过高的采样频率会导致较为接近、阻尼较小的机电模式估计准确性降低;激励信号的输入能大幅提高估计的准确性。由此进一步提出提高估计准确性的方法:降低输出信号的采样频率、在系统中注入小幅度、包含更多低频段能量的长时间的周期激励信号。
　　(2)在基于测量数据分析机电模式过程中提出了一种模式匹配的方法来建立基于测量数据分析与基于物理模型分析得到的机电模式之间的正确对应关系，使得结果能更好地被应用于后续的分析和控制设计中。该方法基于机电模式对应极点发生细微变化时的振型近似保持不变并能揭示出振荡背后的物理含义。通过匹配振荡模式的主要互补发电机（群）来确定模式之间的对应关系。数值结果表明:结合现有的聚合的方法，该方法能准确、简洁地建立模式之问的对应关系。
　　(3)机电振荡模式能量传递通道的寻找。从整个电网中找出机电模式能量传递通道有助于了解机电振荡的本质及特性;找出振荡较剧烈的关键联络线以便阻尼控制器的设计。本文提出了一种基于能量传递观点寻找传递通道的新方法。该方法通过建立模态分析与能量传递的关系，以主要参与振荡的发电机（群）为起点，逐步寻找出机电振荡模式的能量传递通道。测试系统的数值结果体现了该方法的简洁性与准确性。

目录

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致谢

摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 机电振荡模式的相关概念和机理分析

1．2．1 机电振荡模式的相关概念

1．2．2 机电振荡的机理分析

1．3 机电振荡模式主要分析方法

1．3．1 机电振荡模式分析方法分类

1．3．2 基于物理模型的分析方法

1．4 基于测量数据的机电模式估计分析

1．4．1 电力系统测量信号与测量系统

1．4．2 基于测量数据的机电模式估计分析方法的发展

1．4．3 基于暂态数据的估计分析方法

1．4．4 基于类噪声数据的估计分析方法

1．4．5 子空间辨识方法应用于机电振荡模式的估计分析

1．5 本文的研究内容和创新点

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 各章节创新点介绍

1．6 本章小结

2 机电振荡模式物理模型

2．1 引言

2．2 单机无穷大系统

2．2．1 经典发电机模型

2．2．2 三阶实用发电机模型

2．2．3 励磁系统以及PSS

2．2．4 四机系统

2．3 测试系统

2．3．1 新英格兰10机39节点系统

2．3．2 NPCC48机系统

2．3．3 时域仿真数据

2．3．4 自助法用于准确性的评估

2．4 本章小结

3 基于子空间辨识方法的机电模式估计的准确性

3．1 引言

3．2 子空间辨识方法

3．2．1 辨识系统模型

3．2．2 子空间辨识方法

3．3 信号采样频率对于机电模式估计的影响

3．3．1 连续时间极点与离散时间极点

3．3．2 降低采样频率对于机电模式估计的影响

3．3．3 实例研究

3．4 激励信号对于机电模式估计的影响

3．4．1 激励信号

3．4．2 激励信号的振幅、时间长度和能量对于估计结果的影响

3．5 本章小结

4 模式匹配

4．1 引言

4．2 振型

4．2．1 振型的物理意义

4．2．2 机电模式的振型变化

4．3 参考振型的求取

4．3．1 经典二阶模型及单机无穷大系统

4．3．2 多机系统中的参考振型求取

4．3．3 发电机群的聚合化简

4．3．4 同步力矩系数矩阵Ks求取

4．3．5 输出矩阵C的求取

4．3．6 四机系统区间模式

4．4 模式匹配

4．5 实例研究

4．6 本章小结

5 机电模式传递通道的确定

5．1 引言

5．2 机电模式的能量传递通道

5．2．1 发电机动能与母线势能

5．3 功率传输与模态分析

5．3．1 联络线传输功率与模态分析

5．3．2 联络线电流与模态分析

5．4 能量传递主导通道的寻找方法

5．4．1 主导传递通道的支路确定

5．4．2 能量传递主导通道的寻找方法

5．4．3 四机系统

5．5 实例计算

5．6 本章小结

6 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 研究工作展望

参考文献

附录

作者简介

攻读博士学位期间完成的学术论文及其他研究成果