一种抑制电力系统低频振荡的方法、装置和系统

摘要

本发明公开一种抑制电力系统低频振荡方法、装置和系统。该方法包括：确定变频变压器所在的互联电力系统断面的系统传递函数；根据系统传递函数确定阻尼控制器参数；基于阻尼控制器参数通过VFT抑制电力系统低频振荡。本发明的系抑制电力系统低频振荡方法、装置和系统，控制目标明确，不需要了解系统的具体结构和参数，不需要求解复杂的电力系统方程，只需要跟踪分析系统对扰动的响应，就可以实现阻尼控制器参数的及时调整，在系统中有较好的抑制低频振荡作用，有利于提升电网安全稳定水平。

说明书

技术领域

本发明涉及主要涉及电力系统安全运行与控制技术领域，尤其涉及一种抑制电力系统低频振荡的方法、装置和系统。

背景技术

大电网互联是世界电网发展的基本趋势，而大电网的互联又可能带来低频功率振荡问题，其振荡频率一般在0.1-2.0Hz之间，当该振荡模式为弱阻尼甚至负阻尼时，就可能引发电网失稳，危及电网安全。

20世纪60年代，北美电力系统发生了功率低频振荡。20世纪80年代以来，我国电网随着大机组快速励磁系统的比例增加，以及电网大范围互联，也出现低频振荡现象，如1983年湖南电力系统、1984年广东-香港的互联系统联络线、1985年广东-广西-香港的互联系统、1994年南方电网的互联系统、1998年及2000年川渝电网的二滩电力送出系统、2003年南方-香港的交直流输电系统等等。如何抑制互联系统低频振荡是实现大电网互联需要考虑和解决的重点问题。

目前在工程中实际应用的抑制电力系统低频振荡措施有如下几种：

1.在发电机励磁系统中加装电力系统稳定器抑制电力系统低频振荡。这是目前在我国电力系统中普遍应用的一种措施。

2.应用直流功率调制功能抑制电力系统低频振荡。对直流联网系统或者交直流并联系统，可以通过在直流控制回路加入低频功率振荡阻尼环节，增加系统低频振荡模式下的阻尼。

3.应用FACTS设备，如可控串补、静止无功补偿器等装置进行阻尼控制以抑制电力系统低频振荡。如巴西南北电网互联系统装设了可控串补，通过可控串补阻抗控制可以抑制低频振荡。

但是，上述几种措施不同程度地存在一定的局限性。在发电机励磁系统中加装电力系统稳定器抑制电力系统低频振荡的局限性在于：一是电力系统中发电机数量众多，分布点广，给每台机组配置电力系统稳定器的工作量大；二是在实际运行中一些机组电力系统稳定器可能因管理或技术因素而不受监控地退出运行，影响阻尼效果；三是电力系统稳定器的参数设计需要相互配合协调并与系统不同接线方式相适应，才能起到有效抑制低频振荡的作用，如果系统接线、开机方式发生较大变化，原有的电力系统稳定器抑制低频振荡的作用就可能受到限制。

应用直流调制功能以及可控串补、静止无功补偿器等FACTS设备进行阻尼控制，其局限性首先在于系统中需要有相应的设备。同时可控串补、静止无功补偿等设备是基于阻抗调整或无功功率调整的设备，是间接解决有功功率振荡的措施，受系统结构影响较明显。

总之，适应大电网互联的新趋势，需要在系统低频振荡模式动态识别、控制器设计和抑制措施与装置上有所突破和创新。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种抑制电力系统低频振荡方法，能够适应系统的动态变化，计算复杂度低。

本发明提供一种抑制电力系统低频振荡方法，包括：

确定变频变压器VFT所在的互联电力系统断面的系统传递函数；

根据系统传递函数确定阻尼控制器参数；

基于阻尼控制器参数通过VFT抑制电力系统低频振荡。

根据本发明的抑制电力系统低频振荡方法的一个实施例，确定VFT所在的互联电力系统断面的系统传递函数包括：

利用VFT在VFT所在的互联电力系统断面施加功率扰动；

测量VFT所在的互联电力系统断面在该功率扰动下的功率响应；

根据功率响应采用Prony方法确定系统传递函数。

根据本发明的抑制电力系统低频振荡方法的一个实施例，在VFT所在的互联电力系统断面施加功率扰动包括：通过VFT在VFT所在的互联电力系统断面施加方波功率扰动。

根据本发明的抑制电力系统低频振荡方法的一个实施例，根据系统传递函数确定阻尼控制器参数包括：采用根轨迹极点配置和相位补偿方法根据系统传递函数确定阻尼控制器的参数。

根据本发明的抑制电力系统低频振荡方法的一个实施例，该方法在确定阻尼控制器参数之后还包括：通过VFT在VFT所在的互联电力系统断面施加功率扰动以优化阻尼控制器参数。

根据本发明的抑制电力系统低频振荡方法的一个实施例，阻尼控制器包括隔直环节和超前/滞后相位补偿环节。

本发明实施例提供的抑制电力系统低频振荡方法，通过确定系统传递函数进而确定阻尼控制器参数，通过跟踪分析系统对扰动的响应实现阻尼控制器参数的及时调整，能够适应系统的动态变化，不需要了解系统的具体结构和参数，不需要求解复杂的电力系统方程，计算复杂度低、系统可操作性强。

本发明提供一种抑制电力系统低频振荡装置，包括：阻尼控制器，还包括：

传递函数确定单元，用于确定变频变压器所在的互联电力系统断面并联交流线路的系统传递函数；

阻尼参数确定单元，用于根据系统传递函数确定阻尼控制器参数。

根据本发明的抑制电力系统低频振荡装置的一个实施例，传递函数确定单元包括：

功率扰动施加模块，用于在VFT所在的互联电力系统断面施加功率扰动；

功率响应确定模块，用于测量VFT所在的互联电力系统断面在该功率扰动下的功率响应；

传递函数确定模块，用于根据功率响应基于Prony方法确定系统传递函数。

根据本发明的抑制电力系统低频振荡装置的一个实施例，功率扰动施加模块通过VFT在VFT所在的互联电力系统断面上施加方波功率扰动。

根据本发明的抑制电力系统低频振荡装置的一个实施例，阻尼参数确定单元采用根轨迹极点配置和相位补偿方法根据系统传递函数确定阻尼控制器参数。

根据本发明的抑制电力系统低频振荡装置的一个实施例，还包括阻尼参数优化单元，用于通过VFT在VFT所在的互联电力系统断面施加功率扰动以优化阻尼控制器参数。

根据本发明的抑制电力系统低频振荡装置的一个实施例，上述阻尼控制器包括隔直环节和超前/滞后相位补偿环节。

本发明还提供一种抑制电力系统低频振荡系统，包括：VFT以及上述抑制电力系统低频振荡装置。

本发明提供的抑制电力系统低频振荡装置和系统，通过传递函数确定单元确定系统传递函数，通过阻尼参数确定单元确定阻尼控制器参数，只需要跟踪分析系统对扰动的响应，就可以实现阻尼控制器参数的及时调整，能够适应系统的动态变化，不需要了解系统的具体结构和参数，不需要求解复杂的电力系统方程，计算复杂度低、系统可操作性强。

附图说明

图1示出本发明的抑制电力系统低频振荡方法的一个实施例的流程图；

图2示出本发明的抑制电力系统低频振荡方法的另一个实施例的流程图；

图3示出本发明的一个实施例中反馈控制结构示意图；

图4示出阻尼控制器参考结构的一个例子的示意图；

图5示出本发明的抑制电力系统低频振荡方法的又一个实施例的流程图；

图6示出变频变压器控制器的一个例子的框图；

图7示出本发明的抑制电力系统低频振荡装置的一个实施例的结构图；

图8示出本发明的抑制电力系统低频振荡装置的另一个实施例的结构图；

图9示出典型4机系统的一个例子的系统示意图；

图10示出系统功率响应以及与Prony辨识拟合函数比较；

图11示出典型4机系统采取阻尼控制的效果；以及

图12示出典型4机系统G3退出时采取阻尼控制的效果。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

变频变压器的出现为抑制低频振荡提供了一个新选择。变频变压器的核心部件包括在定子与转子侧都有单相绕组的旋转变压器，使用直流电机驱动系统调整转子磁场相对于定子磁场的相位移，控制经变频变压器输出的功率大小和方向。本公开中的技术方案采用变频变压器的功率调节能力抑制低频振荡。变频变压器作为抑制低频振荡的装备，其工作原理是通过变频变压器动态调节联络线或断面上的功率大小，增强系统低频阻尼，起到了抑制低频振荡的作用。

图1示出本发明的抑制电力系统低频振荡方法的一个实施例的流程图。

如图1所示，在步骤102，确定变频变压器所在的互联电力系统断面的系统传递函数。

在步骤104，根据确定的系统传递函数确定变频变压器的阻尼控制器参数。

在步骤106，基于阻尼控制器参数通过变频变压器抑制电力系统低频振荡。

上述实施例中，充分应用新型电网互联设备-变频变压器的技术特点，采用变频变压器的功率调节能力抑制低频振荡。与PSS分散在各电源点抑制低频振荡不同，VFT主要控制某一断面，控制对象和目标比较清晰。本公开的技术方案，突破电力系统稳定器这种分散式解决低频振荡方法的局限性，能够集中式解决互联系统之间的主要模式低频振荡问题；克服可控串补、静止无功补偿等设备在抑制低频振荡中受系统结构影响较大的局限性。

图2示出本发明的抑制电力系统低频振荡方法的另一个实施例的流程图。

如图2所示，步骤202，利用VFT在VFT所在的互联电力系统断面施加功率扰动。例如，利用VFT在VFT所在的互联电力系统断面施加方波功率扰动。

步骤204，测量VFT所在的互联电力系统断面在该功率扰动下的功率响应。

步骤206，根据功率响应基于Prony方法确定系统传递函数。Prony方法是用指数函数的线性组合来拟合等间隔采样数据的一种信号处理方法，可以分析出被测信号的频率、衰减因子、幅值和相位等特征。

步骤208，根据确定的系统传递函数确定VFT的阻尼控制器参数。

在步骤210，基于阻尼控制器参数通过VFT抑制电力系统低频振荡。

采用VFT的功率调节能力抑制低频振荡，阻尼控制器设计与系统密切相关。传统的阻尼控制参数设计一般采用系统特征值分析方法，根据系统结构与参数，采取静态离线的电力系统特征值分析方法计算电力系统振荡模式以便设计合适的阻尼控制器参数。特征值分析方法需要了解系统结构和主要元件参数，计算量大，需要掌握的基础数据量大。同时系统结构、开机方式也经常发生变化，进一步增加了传统的阻尼控制参数设计的难度。特征值分析方法对实际电网结构变化的适应性相对较差，不能适应系统的动态变化而设计出更合理的阻尼控制器参数。

在上述实施例中，利用Prony方法，能够在不求解系统特征值的情况下，较好地计算出系统扰动响应的传递函数，更适用于变化复杂的大系统低频振荡研究。变频变压器的功率调制功能为抑制互联系统低频功率振荡提供了新的手段，通过变频变压器的功率阶跃调节，在系统中增加扰动，为Prony方法应用提供了有利的条件。综合利用变频变压器和Prony方法可以自动计算和优化阻尼控制器的参数，从而形成抑制电力系统低频功率振荡的自适应阻尼控制器。

下面具体说明如何根据输入输出信号确定系统传递函数。

对于单输入单输出的线性系统，假设其传递函数具有如下形式：

$G\left(s\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{R}_i/(s-{\lambda }_i)---\left(1\right)$

若给定输入信号I(s)，采样输出信号，通过例如Prony方法可以拟合出输出响应Y(s)，则有：

Y(s)＝G(s)I(s)        (2)

其中Y(s)和I(s)都是由一系列延迟信号相加而成的。根据已知的Y(s)和I(s)，就可以计算G(s)的R_i和λ_i。

输入信号采用矩形脉冲信号可以方便计算。变频变压器具有较好的阶跃控制性能，利用这一特点，通过变频变压器施加功率阶跃调节命令，可以测量断面潮流的变化响应，然后应用例如Prony方法可以辨识系统响应函数Y(s)，进而得到输入信号与输出信号之间的传递函数G(s)。

下面说明如何根据确定的传递函数进行阻尼控制器参数的设计。

图3示出本发明的一个实施例中反馈控制结构示意图。如图3所示，其开环传递函数和反馈环节分别为G(s)和H(s)，图3所示系统的闭环传递函数为：

G_L(s)＝G(s)/(1-G(s)H(s))    (3)

闭环系统的特征方程为：

G(s)H(s)＝1                 (4)

图4示出变频变压器抑制低频振荡的阻尼控制器参考结构的一个例子的示意图。需要指出，本领域的技术人员应当理解，阻尼控制器的控制模块数量可根据需要调整。图4中，阻尼控制器输入量采用受控断面的有功功率，通过隔直移相等环节得到传输功率命令的增量，从而调整变频变压器的输送功率，实现抑制功率振荡的目标。

在阻尼控制器方框图确定的情况下，关键是要设计阻尼控制器参数。在取得以上传递函数参数后，可以采用例如根轨迹极点配置和相位补偿方法，来确定阻尼控制器的参数。根轨迹极点配置方法是通过反馈控制环节将系统的主导极点移动到s平面上的指定位置。

设λ_d为期望的闭环系统在s平面上主导极点，则λ_d须满足闭环系统的特征方程，即

G(λ_d)H(λ_d)＝1                    (5)

反馈环节在λ_d满足幅值和相角条件

$\left(\begin{array}{c}\left|H\left({\lambda }_d\right)\right|=\frac{1}{\left|G\left({\lambda }_d\right)\right|}\\ \mathrm{angle}\left[H\left({\lambda }_d\right)\right]=-\mathrm{angle}\left[G\left({\lambda }_d\right)\right]\end{array}\right)---\left(6\right)$

如果传递函数G(s)已知，则采用式(6)可以确定反馈环节在主导频率λ_d处幅值和相角。

选择附图4所示的反馈控制结构，根据预期的阻尼比和给定的控制器方框图，进而能够推导出阻尼控制器的有关参数。

图5示出本发明的抑制电力系统低频振荡方法的又一个实施例的流程图。

如图5所示，步骤502，判断系统状态是否发生变化，如果是，则继续步骤504，否则，按原流程进行。

步骤504，短时锁闭阻尼控制并备投，利用变频变压器的阶跃功率控制功能，在互联系统的断面中施加一个近似的方波功率扰动。

步骤506，测量断面的有功功率响应，恢复阻尼控制。

步骤508，应用Prony方法对所测得的功率响应进行分析，计算得出系统的主要振荡模式及其阻尼比等参数，推导出系统传递函数G(s)。

步骤510，在取得以上传递函数参数后，按照附图3示出反馈控制结构，对于给定的阻尼控制器框图(例如，图4所示由隔直环节和超前/滞后相位补偿环节组成)，采用根轨迹极点配置和相位补偿方法，来确定阻尼控制器的参数H(s)，并确定主导低频振荡频率λ_d处幅值和相角。

步骤512，将确定的阻尼控制器的参数纳入控制系统。

步骤514，在新设计的阻尼控制器投入运行的情况下，利用变频变压器施加一个近似的方波功率扰动。

步骤516，测量断面有功功率响应，恢复阻尼控制。

步骤518，判定阻尼效果是否满足要求，如果否，继续执行步骤520，否则，抑制作用达到预期目标，继续步骤522。

步骤520，修改阻尼控制器的参数，继续步骤512。

步骤522，正式启用阻尼控制器参数。验证阻尼控制器抑制低频功率振荡效果后，该阻尼控制器就可以正式投入运行。

在系统结构发生较大情况下，可以按照以上步骤自动优化设计控制器参数。

VFT的抑制低频振荡的阻尼控制器的设计采用断面的有功功率作为附加输入信号。变频变压器控制器框图如图6所示，当阻尼控制器生效且出现低频振荡时，系统自动以功率振荡增量ΔP为阻尼控制器的输入，阻尼控制器的输出为变频变压器的给定传输功率增量ΔP_VFTref，与变频变压器正常传输时的给定功率P_VFTref相加得出抑制功率振荡所需的给定传输功率P_VFTref′，从而实现了对功率振荡增量ΔP的补偿，起到对联络线传输功率振荡的抑制作用。

本公开的技术主要涉及电力系统安全运行与控制，解决互联电力系统之间的低频振荡问题，研究抑制电力系统低频功率振荡的阻尼控制器设计方法、自动优化调整控制器参数方案和实现相应功能的电力装置，以提高电力系统安全稳定水平和联网送电能力。从实践看，解决低频功率振荡问题，需要能够适应电力系统结构、接线和开机不断变化的情况，准确识别系统振荡模式，并借助有关系统设备实现阻尼低频振荡功能。上述实施例的技术方案，克服在阻尼控制器设计中模式识别依赖于系统结构、参数的局限性，借助变频变压器的调节能力和有关数字信号分析方法，自适应计算互联系统的主要低频振荡模式及阻尼特性，增强阻尼控制器的适应性和抑制效果。

总之，利用以上方法和途径为抑制电力系统低频功率振荡提供了一种新的选择方案，这种方案能够适应系统不断变化的实际情况，能够不需要掌握系统的具体结构和参数，能够避开大范围分散式设计电力系统稳定器装置，能有效地阻尼互联系统的低频功率振荡。

图7示出本发明的抑制电力系统低频振荡装置的一个实施例的结构图。如图7所示，该装置包括传递函数确定单元71、阻尼参数确定单元72和阻尼控制器73。其中，传递函数确定单元71确定变频变压器所在的互联电力系统断面的系统传递函数；阻尼参数确定单元72根据传递函数确定单元71确定的系统传递函数确定阻尼控制器参数。例如，阻尼参数确定单元72采用根轨迹极点配置和相位补偿方法根据系统传递函数确定阻尼控制器参数。根据本发明的一个实施例，阻尼控制器73包括隔直环节和超前/滞后相位补偿环节，例如，采用如图4所示的参考结构。

上述实施例中，通过传递函数确定单元确定系统传递函数，通过阻尼参数确定单元确定阻尼控制器参数，只需要跟踪分析系统对扰动的响应，就可以实现阻尼控制器参数的及时调整，能够适应系统的动态变化，不需要了解系统的具体结构和参数，不需要求解复杂的电力系统方程，计算复杂度低。

图8示出本发明的抑制电力系统低频振荡装置的另一个实施例的结构图。如图8所示，该实施例中传递函数确定单元81包括功率扰动施加模块811、功率响应确定模块812、和传递函数确定模块813。功率扰动施加模块811在VFT所在的互联电力系统断面施加功率扰动。例如，功率扰动施加模块811通过VFT在VFT所在的互联电力系统断面施加方波功率扰动。功率响应确定模块812测量VFT所在的互联电力系统断面在该功率扰动下的功率响应；传递函数确定模块813根据功率响应基于Prony方法确定系统传递函数。根据本发明的一个实施例，可选地，该装置还包括阻尼参数优化单元84。阻尼参数优化单元84通过VFT在VFT所在的互联电力系统断面并联交流线路上施加功率扰动以优化阻尼控制器参数。

在上述实施例中，传递函数确定模块利用Prony方法能够在不求解系统特征值的情况下，较好地计算出系统扰动响应的传递函数，更适用于变化复杂的大系统低频振荡研究。变频变压器的功率调制功能为抑制互联系统低频功率振荡提供了新的手段。通过变频变压器的功率阶跃调节，在系统中增加扰动，为Prony方法应用提供了有利的条件。综合利用变频变压器和Prony方法可以自动计算和优化阻尼控制器的参数，从而形成抑制电力系统低频功率振荡的自适应阻尼控制器。

下面通过一个应用例具体说明本发明技术方案的方法和装置。

下面以图9所示典型4机系统进行说明。该系统区域间主要振荡模式为0.5Hz，在系统仿真中为增幅振荡。为了提高该系统低频振荡阻尼水平，在母线B6与B7之间的一回线路上装设变频变压器。利用电力系统综合分析程序建立了该系统仿真模型。在变频变压器上施加增幅0.1pu时宽0.1秒的扰动，得到附图10虚线所示的系统响应。采用前述方法计算得到表1所示的振荡模式、阻尼系数以及开环传递函数，并通过图10实线给出的拟合曲线进行的校验。分析结果表明，该系统存在0.5Hz的增幅振荡模式，对系统安全不利。

阻尼控制器采用图4结构。选取闭环系统主导极点为λ_d＝-2.5±j3.2，按照第3节极点配置与相位补偿方法确定阻尼控制器的参数为：T_w＝5.0，T₁＝0.137，T₂＝0.1，T₃＝0.137，T₄＝0.1。

对图9所示系统，将阻尼控制纳入变频变压器的控制系统，整个控制框图如图6所示。设系统交流线路B8-B9中间发生持续0.1秒单相瞬时故障，图11比较了有无阻尼控制的仿真结果，分析表明该系统中0.5Hz模态的阻尼比由负阻尼的-0.007提升为满足要求的正阻尼0.05；该系统中1Hz模态的阻尼比由0.05提升为1.07。可以看出通过变频变压器附加阻尼控制提高了系统低频振荡阻尼，无论对区域间的振荡模式，还是对区域内的振荡模式都有明显的抑制作用。

在典型四机系统中，当发电机G3退出时，系统的振荡模式发生了变化，需重新推导求出了新的阻尼控制器参数。按照前述方法节得到阻尼控制器参数。同样，在线路B8-B9中间发生持续0.1秒单相瞬时故障，图12比较了有无阻尼控制时的仿真结果，可见阻尼控制器作用明显。对结构或参数发生变化的4机系统及实际复杂系统的仿真结果表明，基于变频变压器和Prony方法的自适应阻尼控制器有比较好的系统适应性，阻尼效果明显，有利于提升电网安全稳定水平。

低频功率振荡是目前影响大系统安全运行的一个重要因素。本发明为抑制系统低频振荡提供了有效方法。对结构或参数发生变化的不同类型系统的仿真结果(图11和图12)，以及对中国东北-华北-华中特大型电网互联系统的仿真研究表明，本发明所设计的系统功率阻尼控制器，控制目标明确，不需要了解系统的具体结构和参数，不需要求解复杂的电力系统方程，只需要跟踪分析系统对扰动的响应，就可以实现阻尼控制器参数的及时调整，在系统中有较好的抑制低频振荡作用，有利于提升电网安全稳定水平。

需要指出，本发明介绍的低频阻尼控制设计思路和原理也可以适用于直流功率调制等抑制交直流并联系统低频功率振荡的应用场合；本发明所介绍的互联系统不仅包括同步互联的电力系统，对仅通过变频变压器连接的系统也同样适用。

本发明实施例的技术方案适应大电网互联的需要，集成和融合了新型联网设备变频变压器的灵活控制调节能力和基于Prony方法的系统模态识别与分析功能，研究提出了适应电力系统结构和参数动态变化情况的低频功率振荡阻尼控制方案。在本公开中，变频变压器调制输送功率、提供动态激励信号，通过功率调节抑制系统低频振荡；基于Prony方法分析扰动下断面功率的响应特性，包括主导振荡频率及其阻尼比等参数，为阻尼控制器参数设计提供依据；阻尼参数优化单元利用前述低频振荡模式参数，自动优化阻尼控制器的参数，并在系统中经校验后采用。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。