水电孤岛直流送出系统的频率稳定性研究

摘要

随着我国直流输电技术的发展以及西电东送和全国联网工程的实施，高压直流系统在我国电力输送环节中发挥着越来越重要的作用。然而，由于线路检修、故障导致整流站与主网断开或为了输送与主网无联系的特定电厂的电力，直流输电送端会与若干电厂形成相对独立的孤岛系统。当高压直流输电系统处于孤岛方式运行时，系统维持频率稳定性能力弱，再加上水轮机原动机部分的扰动与直流系统之间的耦合作用，如果控制措施不当，极有可能引发水轮机组参与下的送端孤岛出现低频振荡现象。研究表明，水轮机尾水管涡带产生的水压脉动会引起孤岛系统的频率振荡。
　　本文首先建立了水机电耦合系统模型，然后在原有的考虑尾水管水压脉动的线性水轮机模型基础上进行改进，设计了一种谐振函数来模拟尾水管的实际脉动情况，建立了既考虑尾水管水压脉动又考虑弹性水柱的水轮机模型并给出了新的水压脉动函数的极点图。由极点图可知，仅用正弦或余弦信号模拟尾水管水压脉动建立的模型可能会漏掉不稳定极点，但新的水压脉动函数也对直流频率限制器的构造和参数有了更高的要求。
　　其次，本文在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台下搭建了包含4台水轮发电机组的送端孤岛直流送出系统的仿真模型，验证了水轮机模型的准确性并分析了水力系统参数、调速器参数对送端孤岛直流送出系统频率振荡的影响。仿真结果表明，水力启动时间Tw、调速器参数KD对送端孤岛系统的频率振荡影响较大，而弹性时间Te对频率振荡的影响较小。
　　最后，在频率振荡的抑制方法方面，本文主要采用改进的直流频率限制器来抑制由尾水管水压脉动引起的送端孤岛频率振荡问题。通过对调速器参数进行调整，将调速器的死区与直流频率限制器的死区配合使用，最终将孤岛的频率抑制在50Hz左右，频率限制器的抑制效果良好。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及选题意义

1．2 水电孤岛直流送出系统频率稳定性问题概述

1．3 国内外研究现状分析

1．3．1 水轮机以及调速器模型

1．3．2 孤岛方式下的频率稳定与水力系统和直流系统间的耦合作用

1．3．3 水电机组孤岛运行方式下频率振荡机理及抑制措施

1．4 本文的主要工作

第2章 水机电耦合系统模型

2．1 水轮机调速器模型

2．1．1 水轮机调速器的分类

2．1．2 水轮机调节的实质

2．1．3 水轮机调节系统的特点

2．2 水轮机模型

2．2．1 水轮机模型的分类

2．3 考虑尾水管水压脉动情况的水轮机模型

2．3．1 水轮机模型的改进

2．3．2 考虑谐振函数下风的极点图

2．4 发电机模型

2．5 励磁系统模型

2．6 水轮机各模型比较仿真算例与验证

2．7 本章小结

第3章 水机电耦合系统暂态分析

3．1 电气系统侧扰动对于水力系统侧的影响

3．2 水力系统扰动对电气系统的影响

3．3 孤岛运行方式下的频率稳定与水力系统以及直流系统之间的耦合作用

3．3．1 水电孤岛高压直流送出定义的描述

3．3．2 水电孤岛高压直流送出系统模型的建立

3．3．3 水力系统对机网耦合作用的影响

3．3．4 直流系统故障时对送端频率稳定的影响

3．4 本章小结

第4章 高压直流输电送端水电机组孤岛运行频率振荡机理分析

4．1 电力系统低频振荡的共振机理

4．2 尾水管压力脉动对机网耦合的作用

4．3 仿真验证尾水管压力脉动对孤岛系统频率的影响

4．4 本章小结

第5章 孤岛运行方式下的频率抑制措施

5．1 直流频率限制器分类

5．2 本文设计的直流频率限制器模型

5．3 仿真算例

5．4 水轮机系统的优化

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢