电力系统低频振荡的开环模式谐振机理及风电并网影响

摘要

在现代电力系统向大区域互联和远距离输电方向发展的趋势下，各区域电网之间及区域电网内部的低频振荡现象时有发生，小干扰稳定问题已成为威胁互联电网安全稳定运行的关键因素。目前，电力系统低频振荡的分析机理主要有负阻尼机理、模式谐振机理等，但是依然存在现有机理无法解释的低频振荡现象。因此，对电力系统低频振荡的机理研究亟待得到完善与补充。与此同时，大规模风电并网的格局已经形成，但是对于风电并网对电力系统低频振荡影响的研究，目前仍无定论，甚至没有形成有效的研究方法。为此，本文围绕电力系统低频振荡的机理与研究方法开展了一系列工作。论文的主要研究内容包括:
　　(1)针对同步发电机与多机电力系统之间的动态交互问题，分别建立同步发电机部分与多机电力系统部分的开环传递函数模型，应用开环模式谐振机理，指出了当两个开环模式发生谐振时，对应的两个闭环振荡模式会关于谐振点呈现出对称分布的特点，其中位于谐振点右侧的闭环振荡模式表征了系统小干扰稳定性的减弱。在这种情况下，同步发电机与多机电力系统之间表现出强交互关系。通过算例仿真和对中国两个实际区域电网的仿真，应用开环模式谐振机理成功对现场发生的未知机理的低频振荡现象进行了机理解释。
　　(2)针对两互联系统之间联络线上出现的低频功率振荡问题，分别建立两个系统的两输入两输出开环传递函数模型，应用互联系统间的开环模式谐振机理，揭示了两个互联电力系统之间的开环模式谐振会引起联络线上的功率振荡，并成功解释了中国某区域电网发生的一次低频功率振荡事故。通过加装控制装置，可以消除两互联系统之间的开环模式谐振，达到抑制联络线上功率振荡的目的。
　　(3)针对风电并网对电力系统低频振荡影响的问题，提出因素分解法，指出了并网风电通过潮流和动态交互两个因素来影响电力系统的小干扰稳定性，分别应用恒功率源替代和阻尼转矩分析法定量计算了这两个因素造成的影响，在此基础上提出了风电并网后电力系统机电振荡模式的降阶计算方法。
　　(4)针对风电场的模型聚合问题，推导了应用留数法计算风电场并网对电力系统小干扰稳定性影响的方法，在此基础上提出了用于电力系统低频振荡研究的风电场模型聚合条件。当满足该聚合条件时，可以将整个风电场用单台风机的模型来表示，降低了小干扰稳定分析中的计算量和复杂度，同时可以保证计算电力系统振荡模式的准确性。
　　论文取得的创造性成果及其意义主要有:
　　(1)应用开环模式谐振机理分析了同步发电机与多机电力系统之间的动态交互，并解释负阻尼机理不能解释的一些现象，丰富了电力系统低频振荡理论，为低频振荡的分析提供了一种新的思路，具有实践指导意义。
　　(2)应用两互联系统之间的开环模式谐振机理，为系统间联络线上的功率振荡提供一种新的机理解释，为构建区间功率振荡控制策略奠定了理论基础。
　　(3)提出了因素分解法，定量描述了风电并网的两个影响因素（潮流与动态交互）对振荡模式的影响大小，为风电并网的影响研究提供了一种精细化的分析方法。该方法可以应用到其他有源装置的并网研究中。
　　(4)提出了用于电力系统低频振荡研究的风电场模型聚合条件，不仅可以降低小干扰稳定分析中的计算量和复杂度，也可以保证计算电力系统振荡模式的准确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 电力系统低频功率振荡

1．2 电力系统低频振荡的模式分析法

1．2．1 模式分析法

1．2．2 模式分析法的局限性

1．3 电力系统低频振荡的阻尼转矩分析法

1．3．1 阻尼转矩分析法

1．3．2 阻尼转矩分析法的局限性

1．4 电力系统低频振荡的模式谐振机理

1．4．1 模式谐振机理

1．4．2 模式谐振机理举例

1．4．3 模式谐振机理的局限性

1．5 风电接入对电力系统低频振荡的影响

1．5．1 风电场直接加入系统

1．5．2 风电场替代传统发电厂

1．5．3 目前研究方法的局限性

1．6 论文的主要工作

第2章 电力系统低频振荡的开环模式谐振机理

2．1 问题的提出

2．2 同步发电机并入多机电力系统的数学模型

2．2．1 同步发电机的数学模型

2．2．2 同步发电机并入多机电力系统的数学模型

2．3 开环模式谐振机理

2．3．1 开环模式谐振的数学证明

2．3．2 开环模式谐振的物理解释

2．3．3 开环模式谐振与近似强模式谐振的区别

2．3．4 应用开环模式谐振对电力系统低频振荡的解释

2．4 算例

2．4．1 四机两区域系统算例

2．4．2 纽约-新英格兰系统算例

2．4．3 实际电网算例

2．5 小结

第3章 两互联系统之间的开环模式谐振

3．1 问题的提出

3．2 两互联系统的数学模型

3．3 两互联系统之间的开环模式谐振机理

3．3．1 两互联系统之间开环模式谐振机理的证明

3．3．2 两互联系统之间开环模式谐振机理的应用

3．4 算例

3．4．1 四机两区域系统算例

3．4．2 纽约-新英格兰系统算例

3．4．3 对实际低频振荡事故的分析

3．5 小结

第4章 风电并网对电力系统低频振荡的影响

4．1 问题的提出

4．2 双馈风机并入多机电力系统的数学模型

4．2．1 双馈风机的数学模型

4．2．2 双馈风机并入多机电力系统的数学模型

4．3 风电并网对电力系统低频振荡影响的因素分解法

4．3．1 风电并网对电力系统低频振荡的影响因素

4．3．2 风电并网对多机电力系统的潮流影响

4．3．3 并网风机与多机电力系统之间的动态交互

4．3．4 风电并网后电力系统振荡模式的估算方法

4．3．5 纽约一新英格兰系统算例

4．4 用于电力系统低频振荡研究的风电场模型聚合方法

4．4．1 含有并网风电场的电力系统的传递函数模型

4．4．2 用于电力系统低频振荡分析的风电场模型聚合方法

4．4．3 纽约-新英格兰系统算例

4．5 小结

第5章 结论与展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介