交直流送端机组小干扰和大扰动阻尼协调优化方法

摘要

本发明提供了一种交直流送端机组小干扰和大扰动阻尼协调优化方法，包括以下步骤：(1).构建交直流混联送端电网稳定性分析模型；(2).定量评估混联电网小干扰与大扰动振荡阻尼特性；(3).确定满足小干扰振荡阻尼要求的PSS参数可调范围；(4).PSS参数对大扰动振荡的抑制效果分析；(5)小干扰与大扰动振荡阻尼协调的PSS选型及参数优化。本发明提供的交直流混联送端机组小干扰与大扰动振荡阻尼的PSS协调优化方法，可以提高直流送端系统抵御故障冲击的能力，提高电网安全稳定运行水平。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种交直流送端机组小干扰和大扰动 阻尼协调优化方法。

背景技术

我国一次能源与负荷中心呈逆向分布，水能资源主要集中分布于西南地区； 煤炭资源主要分布与山西、陕西以及新疆等西北地区；风能与太阳能资源则主 要分布于甘肃、青海、新疆等地区。为满足中东部负荷中心持续增长的用能需 求、构建“资源节约型、环境友好型”社会的要求以及实现跨大区资源优化配 置，发展特高压直流大容量输电技术是必然的选择。

能源基地集中开发，并通过特高压直流将电力直接送入负荷中心，是一种 经济高效的能源开发与输送方式。为提高送端机组稳定运行能力，能源基地通 常还通过弱交流通道与送端交流主网互联。依据《国家电网公司电力系统安全 稳定计算规定》要求，送端机组小干扰振荡阻尼应大于0.03，大扰动振荡阻尼 应大于0.015，以保证电网在负荷波动以及短路故障冲击等不同程度的扰动下， 能够快速恢复稳定运行。送端发电机配置电力系统稳定器PSS，是增强受扰后机 组振荡阻尼的有效手段，通过参数的合理整定可以满足振荡阻尼的相关要求。

由于特高压直流具有送电容量大、强非线性以及交直流耦合关联程度高等 特点，因此短路等大扰动故障冲击下，交直流混联送端机组的振荡阻尼将与小 干扰振荡阻尼存在较大差异。因此，PSS参数配置不仅要满足小干扰振荡阻尼的 要求，还应能够有效抑制交直流交互影响对大扰动后续振荡阻尼的不利影响， 保障大扰动振荡阻尼大于0.015。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种交直流送端机组小干扰和大扰动阻尼 协调优化方法，从交直流混联送端机组小干扰和大扰动阻尼两个角度，协调优 化机组的PSS选型及参数，提升送端电网稳定运行的能力，保障跨大区资源优 化配置的顺利实施。

为实现上述目的，本发明提供一种协调交直流混联送端机组小干扰和大扰 动振荡阻尼的PSS优化方法，其改进之处在于，所述方法包括以下步骤：

(1).构建交直流混联送端电网稳定性分析模型；

(2).定量评估混联电网小干扰与大扰动振荡阻尼特性；

(3).确定满足小干扰振荡阻尼要求的PSS参数可调范围；

(4).PSS参数对大扰动振荡的抑制效果分析；

(5)小干扰与大扰动振荡阻尼协调的PSS选型及参数优化。

本发明提供的优选技术方案中，在所述步骤1中，收集数据，构建适应交 直流混联送端电网小干扰和大扰动稳定性分析的模型。

本发明提供的第二优选技术方案中，数据包括：交直流混联送端网架结构、 交直流通道送电功率、负荷水平、发电机及其励磁机和调速器、直流输电系统 和控制系统的数据。

本发明提供的第三优选技术方案中，在所述步骤2中，建立交直流混联送 端电网各种典型的正常运行方式；利用小干扰频域特征根扫描程序，计算不同 运行方式下混联电网送端机组的小干扰振荡阻尼；利用暂态时域仿真程序，计 算混联电网大扰动下的暂态时域响应。

本发明提供的第四优选技术方案中，正常运行方式，包括夏季大负荷方式、 夏季小负荷方式、冬季大负荷方式和冬季小负荷方式，以及设备检修方式。

本发明提供的第五优选技术方案中，大干扰下交流电气量大幅波动，直流 动态特性将会呈现出强非线性，小干扰阻尼特性分析结果与大扰动振荡阻尼间 的差异较大，通常由于直流的非线性因素，大扰动阻尼会较小干扰阻尼显著降 低。

若不同运行方式下，交直流混联送端机组小干扰振荡阻尼大于0.03，且各 种大扰动故障后的振荡阻尼均大于0.015，则两者均满足要求，无需对PSS型式 及参数进行优化；否则进行PSS型式及参数的优化，使得小干扰与大扰动振荡 阻尼同时满足要求。

本发明提供的第六优选技术方案中，在所述步骤3中，分别等比例调节PSS 的增益系数、相位超前和滞后参数，绘制送端机组小干扰振荡的特征根变化轨 迹，依据变化轨迹确定满足阻尼比大于0.03要求的参数可调范围。

本发明提供的第七优选技术方案中，在所述步骤4中，在PSS参数可调范 围内，等间隔选择增益系数、相位超前和滞后参数组合，验证大扰动振荡阻尼 特性的改善情况；若大扰动振荡阻尼能够提升至0.015，则该PSS参数即为交直 流混联送端机组小干扰和大扰动振荡阻尼的PSS协调优化方案。

本发明提供的第八优选技术方案中，在所述步骤5中，若在PSS参数可调 范围内，仍无法将大扰动振荡阻尼提升至0.015，则需优选PSS的型式；针对新 选择的PSS，重复步骤2至步骤4，优化PSS的增益系数、相位超前和滞后参数， 使小干扰阻尼比大于0.03且大扰动振荡阻尼高于0.015；若阻尼比能同时满足， 则此时的PSS型式及参数，即为交直流混联送端机组小干扰和大扰动振荡阻尼 的PSS协调优化方案；若仍无法满足阻尼比要求，则在小干扰阻尼比大于0.03 的参数可调范围内，选择大扰动振荡阻尼相对较大的一组参数作为协调优化方 案，并在交流系统中配置相应的切机措施，以配合抑制大扰动故障后的送端机 组振荡。

本发明提供的第九优选技术方案中，优选PSS的型式，包括：输入信号类 型和传递函数逻辑结构。

与现有技术比，本发明提供的一种交直流送端机组小干扰和大扰动阻尼协 调优化方法，可在送端机组具有较强的小干扰阻尼的同时，有效抑制大扰动特 高压直流非线性动态特性对振荡阻尼的不利影响，加快振荡平息。所提出的方 法，用于提升特高压直流送端电网安全稳定运行水平和特高压大容量平稳送电 能力。

附图说明

图1为协调交直流混联送端机组小干扰与大扰动阻尼的PSS优化流程。

图2为以发电机电磁功率偏差为输入的SG型PSS。

图3为复奉特高压直流送端大扰动下的发散振荡响应。

图4为SG型增益系数对根轨迹的影响。

图5为SG型超前参数对根轨迹的影响。

图6为SG型滞后参数对根轨迹的影响。

图7为SG型滞后参数对根轨迹的影响。

图8为以发电机电磁功率偏差和转速偏差组合为输入的S1型PSS。

图9为S1型PSS增益系数对根轨迹的影响。

图10为S1型PSS增益对大扰动暂态响应的影响。

具体实施方式

一种交直流送端机组小干扰和大扰动阻尼协调优化方法，用于抑制直流非 线性特性对大扰动振荡阻尼的不利影响，提高大容量能源基地特高压直流送端 机组稳定运行水平。

如图1所示，一种交直流送端机组小干扰和大扰动阻尼协调优化方法，在 保证小干扰强阻尼的条件下，抑制直流非线性动态特性对大扰动振荡阻尼的不 利影响，所述方法包括以下步骤：

(1).构建交直流混联送端电网稳定性分析模型；

(2).定量评估混联电网小干扰与大扰动振荡阻尼特性；

(3).确定满足小干扰振荡阻尼要求的PSS参数可调范围；

(4).PSS参数对大扰动振荡的抑制效果分析；

(5)小干扰与大扰动振荡阻尼协调的PSS选型及参数优化。

在所述步骤1中，收集交直流混联送端网架结构、交直流通道送电功率、 负荷水平、发电机及其调节器以及直流输电系统和控制系统的相关数据，构建 适应交直流混联送端电网小干扰和大扰动稳定性分析的模型。

在所述步骤2中，建立交直流混联送端电网各种典型的正常运行方式，包 括夏季大负荷方式、夏季小负荷方式、冬季大负荷方式和冬季小负荷方式，以 及设备检修方式。利用小干扰频域特征根扫描程序，计算不同运行方式下混联 电网送端机组的小干扰振荡阻尼；利用暂态时域仿真程序，计算混联电网大扰 动下的暂态时域响应。

大干扰下交流电气量大幅波动，直流动态特性将会呈现出强非线性，小干 扰阻尼特性分析结果与大扰动振荡阻尼间的差异较大，通常由于直流的非线性 因素，大扰动阻尼会较小干扰阻尼显著降低。

若不同运行方式下，交直流混联送端机组小干扰振荡阻尼大于0.03，且各 种大扰动故障后的振荡阻尼均大于0.015，则两者均满足《国家电网公司电力系 统安全稳定计算规定》，无需对PSS型式及参数进行优化。否则，需进一步进行 PSS型式及参数的优化，使得小干扰与大扰动振荡阻尼同时满足要求。

在所述步骤3中，分别等比例调节PSS的增益系数、相位超前和滞后参数， 绘制送端机组小干扰特振荡的征根变化轨迹，依据变化轨迹确定满足阻尼比大 于0.03要求的参数可调范围。

在所述步骤4中，在PSS参数可调范围内，等间隔选择增益系数、相位超 前和滞后参数组合，验证大扰动振荡阻尼特性的改善情况。若大扰动振荡阻尼 能够提升至0.015，则该参数即为交直流混联送端机组小干扰和大扰动振荡阻尼 的PSS协调优化方案。

在所述步骤5中，若在PSS参数可调范围内，仍无法将大扰动振荡阻尼提 升至0.015，则需优选PSS的型式，包括输入信号类型、传递函数逻辑结构。针 对新选择的PSS，重复步骤2至步骤4，优化PSS的增益系数、相位超前和滞后 参数，使小干扰阻尼比大于0.03且大扰动振荡阻尼高于0.015。若阻尼比能同时 满足，则此时的PSS型式及参数，即为交直流混联送端机组小干扰和大扰动振 荡阻尼的PSS协调优化方案。若阻尼比能同时满足，则此时的PSS型式及参数， 即为交直流混联送端机组小干扰和大扰动振荡阻尼的PSS协调优化方案；若仍 无法满足阻尼比要求，则在小干扰阻尼比大于0.03的参数可调范围内，选择大 扰动振荡阻尼相对较大的一组参数作为协调优化方案，并在交流系统中配置相 应的切机措施，以配合抑制大扰动故障后的送端机组振荡。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

(1).构建交直流混联送端电网稳定性分析模型

以2013年四川特高压直流送出系统为例，收集四川交直流混联电网网源建 设时序、负荷发展水平以及发电机及其励磁和调速系统模型等数据，构建四川 与华中主网互联系统的潮流计算模型和稳定计算模型。

依据丰水期电力流预测，各主要送电通道或断面功率安排如下：四川-重庆 交流断面4000MW、川西外送2000MW、向家坝-上海特高压直流6400MW、锦 屏-苏南特高压直流7200MW、长治-南阳-荆门交流特高压通道“南电北送” 5000MW。

由于网源建设时序差异，溪洛渡电站机组超前于溪洛渡-浙西特高压直流投 运，为减少水电窝电容量，2013年溪洛渡电站将通过溪洛渡-复龙-泸州长距离交 流辐射状通道与主网互联，电气联系相对较弱。

(2).定量评估混联电网小干扰与大扰动振荡阻尼特性

向家坝-上海特高压直流混联电网送端溪洛渡、向家坝机组，采用如图2所 示的以发电机电磁功率偏差为输入信号的SG型PSS，参数配置如表1所示。

表1向家坝、溪洛渡SG型PSS参数设置

参数 T_QVK_QST_QST_QPSST_Q1T_Q1，，T_Q2T_Q2，，T_Q3T_Q3，，V_SMAXPSS设置值 5 4.17 5 5 8 2 0.1 0.5 0.01 0.24 0.05

采用小干扰频域特征根扫描程序，计算送端溪洛渡、向家坝机组与四川主 网间相对振荡的小干扰阻尼特性，以及大扰动条件下送端机组与主网功角振荡 的衰减特性，分别如表2和图3所示。从计算结果可以看出，小干扰振荡具有 非常大的阻尼比，但是在大扰动严重故障冲击后电气量大幅波动的情况下，由 于交直流相互耦合作用，送端机组与主网间将呈增幅振荡的趋势。

表2交直流混联送端溪洛渡、向家坝机组与主网振荡模式(单位：Hz)

振荡模式 特征根 振荡频率 阻尼比 溪洛渡、向家坝与主网振荡 -0.6591+i3.4733 0.5528 0.1864

根据计算结果可以看出，小干扰超强阻尼而大扰动负阻尼特性，决定了应 从协调两者阻尼特性角度，对送端机组PSS进行优化，提升送端机组大扰动冲 击下稳定运行的能力。

(3).确定满足小干扰振荡阻尼要求的PSS参数可调范围

采用根轨迹法，计算增益系数、相位超前和滞后参数等比例增加和减小情 况下，交直流混联送端机组与主网振荡的特征根变化轨迹，其中对应增益、超 前参数和滞后参数变化的根轨迹分别如图4、5和6所示。

从图中可以看出，增益小于10时，其数值增大小干扰阻尼比也随之增大； 在10至20之间时，增益增大阻尼比有所减小；超前参数增大阻尼比减小、滞 后参数增大阻尼比影响较小。但总体上看出，参数变化均不会导致小干扰阻尼 比跌落至0.03以下。因此，在考察PSS参数调整对大扰动振荡阻尼特性的影响 时，增益系数、相位超前和滞后参数均可在较宽的范围取值。

(4).PSS参数对大扰动振荡的抑制效果分析

分别考核PSS增益系数、相位超前和滞后参数变化条件下，大扰动交直流 混联送端电网机组功角振荡特性，计算表明，增益系数对大扰动阻尼无明显影 响，相位超前参数增大则会进一步恶化大扰动振荡阻尼，增加相位滞后参数则 有助于提升大扰动振荡阻尼，加快振荡平息，如图7所示。然而，更换短路故 障点位置，进一步增大故障对交直流混联电网冲击程度，优化后的PSS参数仍 无法恢复大扰动后续振荡稳定。

因此，需要进一步从PSS型式和参数两方面，优化其对大扰动振荡阻尼的 提升作用。

(5)小干扰与大扰动振荡阻尼协调的PSS选型及参数优化

仅以发电机电磁功率偏差作为输入信号的SG型PSS，其调控能力相对较弱， 优化增益系数和相位调节参数，尚不足以达到抑制大扰动振荡的目的。为此， 采用以发电机电磁功率偏差与转速偏差组合信号作为PSS输入，即采用S1型PSS， 如图8所示，参数设置表3所示。

表3向家坝、溪洛渡S1型PSS参数设置

参数 T_RWT₅T₆T₇K_RT_RPT_WT_W1T_W2K_ST₉T₁₀T₁₁

设置值 0.02 5 5 5 0.01444 0.02 5 5 5 1 0.6 0.12 0.12 参数 K_PT₁T₂T₁₃T₁₄T3 T4 V_SMAXV_SMIN        设置值 15 2 8 0.5 0.1 0.02 0.02 0.1 -0.1        

计算结果表明，仅采用S1型PSS虽能进一步改善大扰动交直流混联送端电 网振荡阻尼特性，但振荡仍趋于等幅，无法快速衰减。因此，还需进一步优化 PSS的相关参数。

向家坝、溪洛渡机组配置S1型PSS，增益系数调节对小干扰特征根变化轨 迹的影响，如图9所示。可以看出，特征根随增大增益向左移动，小干扰振荡 阻尼进一步增大。不同增益值下的大扰动暂态响应对比，如图10所示，由图可 见增大增益也可同时增强大扰动振荡阻尼，即增强小干扰与大扰动振荡阻尼的 增益调节方向相同。

综合分析计算结果，协调交直流混联送端溪洛渡、向家坝机组小干扰和大 扰动阻尼的PSS优化方案为：采用以发电机电磁功率偏差和转速偏差组合信号 为输入的S1型PSS，并配置如表3所示参数，其中增益值调整为18。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方 案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发 明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修 改均在申请待批的保护范围内。