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基于聚合RLC电路模型的电力系统次同步谐振分析方法

摘要

本发明公开了一种基于聚合RLC电路模型的电力系统次同步谐振分析方法,包括以下步骤:建立电厂模型和串补输电系统模型,以获取各子系统的非线性微分方程模型;根据特殊工况下的参数和非线性微分方程模型生成状态方程模型;根据拉普拉斯变换和状态方程模型生成代数方程模型;获取最终等效阻抗模型,以获取串联谐振点;根据串联谐振点将最终等效阻抗模型聚合为等效二阶RLC电路模型;量化SSR分析。本发明实施例的分析方法,通过将等效阻抗模型聚合为等效二阶RLC电路模型,从而进行量化SSR分析,实现SSR的精确量化评估,减小分析误差,提高分析精确度。

著录项

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2018-04-10

    授权

    授权

  • 2015-11-18

    实质审查的生效 IPC(主分类):G06Q10/06 申请日:20150610

    实质审查的生效

  • 2015-10-14

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域,特别涉及一种基于聚合RLC电路模型的电力系统次 同步谐振分析方法。

背景技术

固定串联电容补偿能有效的提高线路的输电能力和电力系统的暂态稳定性,在现代电 力系统中的应用越来越广泛。然而,固定串补与周围的汽轮发电机组或者风力发电机组相 互作用容易引发一种特殊的电力系统稳定性问题,也就是SSR(Subsynchronous Resonance, 次同步谐振)。SSR对机网稳定性和设备安全带来不良影响,例如SSR对汽轮机组大轴机 械系统造成疲劳损伤,降低机组寿命甚至引起大轴断裂,造成严重的设备损坏乃至人身安 全事故;SSR能导致周边风电场中大量风机的脱网和撬棒电路的损坏。

相关技术中,针对电力系统SSR问题的分析方法主要有特征值分析法、频率扫描法、 复数力矩系数法和时域仿真法等。近年来,广泛应用于电力电子设备和电力系统相互作用 研究的阻抗模型分析法提供了新思路。在实际应用中,阻抗模型具有以下几个优点:1)经 推导可以得到各子系统的阻抗模型和整体系统阻抗模型,且物理意义相对明确;2)改变系 统参数时,仅影响某个或几个子系统的阻抗模型,对整体阻抗模型影响小;3)可采用基于 阻抗模型的Nyquist稳定判据判断系统稳定性,形象直观。

然而,在以往的阻抗建模过程中,为了推导方便,大多采用电机的准稳态模型,不考 虑其动态特性。并且,对系统中控制器的控制策略也做了相应的简化,忽略了部分控制器 的动态特性。虽然这些简化操作有利于系统阻抗模型的建立,却带来了不容忽视的分析误 差,原阻抗模型仅能采用Nyquist稳定判据判断系统的稳定性,不适用于SSR风险的精确 评估和量化分析。本发明中提出了一种基于聚合RLC电路模型的次同步谐振问题量化分析 方法,即建立电厂及其串补输电系统详细的阻抗模型,并在谐振频率处将其聚合为二阶RLC 电路模型,基于聚合电路参数实现了SSR的精确量化分析。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此,本发明的目的在于提出一种基于聚合RLC电路模型的电力系统次同步谐振分析 方法,该分析方法可以减小分析误差,实现SSR精确量化分析。

为达到上述目的,本发明实施例提出了一种基于聚合RLC电路模型的电力系统次同步 谐振分析方法,包括以下步骤:获取电厂参数和电力系统参数,并分别根据所述电厂参数 和电力系统参数建立电厂模型和串补输电系统模型,以分别获取所述电厂模型和所述串补 输电系统模型中各子系统的非线性微分方程模型;获取特殊工况下的电厂参数和电力系统 参数,并根据所述特殊工况下的电厂参数和电力系统参数和所述各子系统的非线性微分方 程模型生成所述各子系统的状态方程模型;根据拉普拉斯变换和所述各子系统的状态方程 模型生成所述各子系统的代数方程模型;分别结合所述电厂模型中各子系统的代数方程模 型和所述串补输电系统模型中各子系统的代数方程模型获取电厂的阻抗模型和串补输电系 统的等效阻抗模型,以根据所述电厂的阻抗模型和所述串补输电系统的等效阻抗模型生成 最终等效阻抗模型;获取所述最终等效阻抗模型的串联谐振点;根据所述串联谐振点将所 述最终等效阻抗模型聚合为等效二阶RLC电路模型;以及量化SSR分析。

根据本发明实施例提出的基于聚合RLC电路模型的电力系统次同步谐振分析方法,通 过建立电厂和串补输电系统的阻抗模型,并在谐振频率处将等效阻抗模型聚合为等效二阶 RLC电路模型,从而进行量化SSR分析,实现SSR的精确量化评估,减小分析误差,提 高分析精确度。

另外,根据本发明上述实施例的基于聚合RLC电路模型的电力系统次同步谐振分析方 法还可以具有如下附加的技术特征:

进一步地,在本发明的一个实施例中,所述电厂参数包括电厂内每个发电机和变压器 组的参数、厂内连接线的拓扑结构和厂用电情况信息中的一个或多个参数,所述电力系统 参数包括系统的拓扑结构和线路参数、串联补偿装置的参数中的一个或多个参数。

进一步地,在本发明的一个实施例中,所述各子系统的状态方程模型为:

Δx·i=AiΔxi+BiΔuiΔyi=CiΔxi+DiΔui,

其中,Δxi为状态变量增量列向量,Δui为输出变量增量列向量,Δyi为控制变量增量 列向量,Ai,Bi,Ci,Di分别为相应维度的系数矩阵,Δ表示增量计算,下标i表示第i 个子系统。

进一步地,在本发明的一个实施例中,所述各子系统的代数方程模型为:

xi(s)=AiΔxi(s)+BiΔui(s)Δyi(s)=CiΔxi(s)+DiΔui(s),

其中,s表示Laplace算子;或

sI1-Ai-Bi0CiDi-I2Δxi(s)Δui(s)Δyi(s)=0,

其中,I1,I2表示相应维度的单位系数矩阵。

进一步地,在本发明的一个实施例中,所述最终等效阻抗模型为:

Z(s)=ZD(s)-ZL(s),

其中,ZD(s)为所述电厂的等效阻抗模型,ZL(s)为所述串补输电系统的等效阻抗模型。

进一步地,在本发明的一个实施例中,量化SSR分析的计算公式如下:

σ=R2L,

ω=1LC-(R2L)2,

其中,R为等效电阻、L为等效电感、C为等效电容、ω为SSR频率、σ为SSR阻尼。

进一步地,在本发明的一个实施例中,如果R>0,则提供正阻尼,SSR稳定,否则提 供负阻尼,SSR不稳定。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明 显,或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解,其中:

图1为根据本发明实施例的基于聚合RLC电路模型的电力系统次同步谐振分析方法的 流程图;

图2为根据本发明一个实施例的基于聚合RLC电路模型的电力系统次同步谐振分析方 法的流程图;

图3为根据本发明一个实施例的电厂模型和串补输电系统模型的结构示意图;以及

图4为根据本发明一个实施例的二阶RLC电路模型示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。

此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或 者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者 隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上, 除非另有明确具体的限定。

在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术 语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是 机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两 个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在 本发明中的具体含义。

在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以 包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之 间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在 第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二 特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特 征水平高度小于第二特征。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于聚合RLC电路模型的电力系统次 同步谐振分析方法。参照图1所示,该分析方法包括以下步骤:

S101,获取电厂参数和电力系统参数,并分别根据电厂参数和电力系统参数建立 电厂模型和串补输电系统模型,以分别获取电厂模型和串补输电系统模型中各子系统 的非线性微分方程模型。

其中,在本发明的一个实施例中,电厂参数包括电厂内每个发电机和变压器组的 参数、厂内连接线的拓扑结构和厂用电情况信息中的一个或多个参数,电力系统参数 包括系统的拓扑结构和线路参数、串联补偿装置的参数中的一个或多个参数。

在本发明的一个具体实施例中,参照图2所示,本发明实施例包括以下步骤:

S201,建立电厂及其串补输电系统的等值模型:

图2中的电厂参数具体包括电厂内各发电机和变压器组的详细参数、厂内连接线 的拓扑结构和参数、厂用电情况等。

根据电厂参数,经合理简化处理,将整个电厂建模为多台发电机并联到同一母线 的形式,具体结构见图2中的电厂模型。此处的发电机不限定具体类型,既可以是汽 轮发电机组,又可以是风力发电机组,还可以是水轮发电机组。

图2中系统参数具体包括系统的拓扑结构和线路参数、串联补偿装置的详细参数 等。

根据系统参数,经合理简化处理,将整个串补输电系统建模为一条等效串补输电 线路与无穷大母线串联的结构,具体结构如图3所示。其中,等效串补线路模型由等 效电阻、等效电感和等效电容串联组成,无穷大电网建模为无穷大母线。

S202,建立等值模型的非线性微分方程模型:

详细分析上述电厂模型和串补输电系统模型的内部构成和连接关系,建立电厂模 型和串补输电系统模型中各子系统详细的非线性微分方程模型。其中,发电机应考虑 其暂态模型和全尺度的控制模型,不做任何简化或者降阶处理。

若电厂模型表示火力发电厂,其电厂模型的子系统应包括发电机模型、轴系模型、 励磁系统模型、调速系统模型等等;若电厂模型表示双馈型风力发电厂,则电厂模型 的子系统应包括异步发电机模型、轴系模型、转子侧变换器及其控制系统模型、定子 侧变换器及其控制系统模型和直流环节等。

S102,获取特殊工况下的电厂参数和电力系统参数,并根据特殊工况下的电厂参 数和电力系统参数和各子系统的非线性微分方程模型生成各子系统的状态方程模型。 其中,特殊工况可以指某关注工况。

其中,在本发明的一个实施例中,各子系统的状态方程模型为:

Δx·i=AiΔxi+BiΔuiΔyi=CiΔxi+DiΔui,

其中,Δxi为状态变量增量列向量,Δui为输出变量增量列向量,Δyi为控制变量增量 列向量,Ai,Bi,Ci,Di分别为相应维度的系数矩阵,Δ表示增量计算,下标i表示第i 个子系统。

进一步地,参照图2所示,本发明实施例还包括:

S203,建立线性化的状态方程模型:

根据输入的某关注工况的电厂和系统参数,即系统位于正常运行点时参数,将上述各 子系统的非线性微分方程模型线性化为小信号状态方程模型。则每个子系统线性化的状态 方程模型可整理为标准形式:

Δx·i=AiΔxi+BiΔuiΔyi=CiΔxi+DiΔui---(1)

式中:Δxi表示状态变量增量列向量;Δui表示输出变量增量列向量;Δyi表示控制变 量增量列向量;Ai,Bi,Ci,Di分别表示相应维度的系数矩阵;Δ表示增量计算;下标i 表示第i个子系统。

S103,根据拉普拉斯变换和各子系统的状态方程模型生成各子系统的代数方程模 型。

其中,在本发明的一个实施例中,各子系统的代数方程模型为:

xi(s)=AiΔxi(s)+BiΔui(s)Δyi(s)=CiΔxi(s)+DiΔui(s),

其中,s表示Laplace算子;或

sI1-Ai-Bi0CiDi-I2Δxi(s)Δui(s)Δyi(s)=0,

其中,I1,I2表示相应维度的单位系数矩阵。

进一步地,参照图2所示,本发明实施例还包括:

S204,建立频域内的代数方程模型:

采用拉普拉斯变换,将上述各子系统的线性化状态方程模型(1)转化为s域内的线性 化代数方程模型,如下式:

xi(s)=AiΔxi(s)+BiΔui(s)Δyi(s)=CiΔxi(s)+DiΔui(s)---(2)

式中:s表示Laplace算子

各子系统的线性化代数方程模型也可以表示为:

sI1-Ai-Bi0CiDi-I2Δxi(s)Δui(s)Δyi(s)=0---(3)

式中:I1,I2表示相应维度的单位系数矩阵

S104,分别结合电厂模型中各子系统的代数方程模型和串补输电系统模型中各子 系统的代数方程模型获取电厂的阻抗模型和串补输电系统的等效阻抗模型,以根据电 厂的阻抗模型和串补输电系统的等效阻抗模型生成最终等效阻抗模型。

其中,在本发明的一个实施例中,最终等效阻抗模型为:

Z(s)=ZD(s)-ZL(s),

其中,ZD(s)为电厂的等效阻抗模型,ZL(s)为串补输电系统的等效阻抗模型。

进一步地,参照图2所示,本发明实施例还包括:

S205,建立系统的阻抗模型:

参照图3所示,将电厂模型中各子系统的线性化代数方程模型结合,以发电厂母 线出口处电压Δus和电流Δin为接口变量,整个电厂模型在s域内的代数方程模型可以表 示为:

a11(s)a12(s)a13(s)a21(s)a22(s)a23(s)a31(s)a32(s)a33(s)Δx1(s)Δus(s)-Δin(s)=0---(4)

式中:Δx1表示电厂模型中除端口电压和电流外剩余所有状态变量列向量增量;aij(s) 表示相应维度的系数矩阵,i,j∈I={1,2,3}。

通过数学运算,将方程(4)整理为方程(5),得到发电厂母线出口处电压Δus和电流Δin之间的关系,如下式:

Δus(s)=ZD(s)·[-Δin(s)]  (5)

式中:ZD(s)表示发电厂的等效阻抗模型。

同理,将串补输电系统模型中各子系统的线性化代数方程模型结合,推导串补输电系 统的等效阻抗模型ZL(s),见下式:

Δus(s)=ZL(s)·Δin(s)  (6)

式中:ZL(s)表示串补输电系统的等效阻抗模型。

进而,建立整个电厂串补输电系统详细的阻抗模型为:

Z(s)=ZD(s)-ZL(s)  (7)

式中:Z(s)表示整个电厂串补输电系统的等效阻抗模型。

S105,获取最终等效阻抗模型的串联谐振点。

进一步地,参照图2所示,本发明实施例还包括:

S206,寻找阻抗模型的串联谐振点:

具体地,上述阻抗模型Z(s)是频率ω的函数,寻找使阻抗模型Z(s)虚部为零(即 Im[Z(jω)]=0)时对应的频率,即阻抗模型的串联谐振频率ωr

S106,根据串联谐振点将最终等效阻抗模型聚合为等效二阶RLC电路模型。

进一步地,参照图2所示,本发明实施例还包括:

S207,等效为二阶RLC串联电路:

在串联谐振频率附近{ω|0≤|ω-ωr|<h}(h为很小的正常数),将等效阻抗模型Z(s) 聚合为一个二阶RLC串联电路,参照图4所示。其中,等效电阻R取Z(jωr)的实部, 而等效电感L和等效电容C的参数值可以通过求解下面的优化问题得到:

min||g(ω,L,C)-Im[Z()]||2

g(ω,L,C)=ωL-1ωC---(8)

s.t.ωrL-1ωrC=0

0≤|ω-ωr|<h

式中:g表示非线性函数;ω表示角频率。

S107,量化SSR分析。

其中,在本发明的一个实施例中,量化SSR分析的计算公式如下:

σ=R2L,

ω=1LC-(R2L)2,

其中,R为等效电阻、L为等效电感、C为等效电容、ω为SSR频率、σ为SSR阻尼。

进一步地,在本发明的一个实施例中,如果R>0,则提供正阻尼,SSR稳定,否则提 供负阻尼,SSR不稳定。

进一步地,参照图2所示,本发明实施例还包括:

S208,量化SSR分析:

基于得到的聚合二阶电路参数,可以计算二阶电路的阻尼和振荡频率(即SSR阻尼和 频率),进而开展量化SSR分析,其计算公式如下:

σ=R2L---(9)

ω=1LC-(R2L)2---(10)

可见,当R>0时,系统为SSR提供正阻尼,SSR稳定;反之,系统为SSR提供负阻 尼,SSR不稳定。

在本发明的实施例中,本发明实施例主要步骤包括:建立电厂及其串补输电系统的等 值模型、建立等值模型的非线性微分方程模型、建立线性化的状态方程模型、建立频域内 的代数方程模型、建立系统的阻抗模型、寻找阻抗模型的串联谐振点、聚合为等效二阶RLC 电路模型、量化SSR分析。

本发明实施例考虑了发电机的暂态模型和全尺度控制模型,建立了电厂及其串补输电 系统详细的阻抗模型,并在谐振频率处将其阻抗模型聚合为等效二阶RLC电路模型,通过 等效电阻的正负判断SSR的稳定性,并进一步利用电路参数计算二阶电路的频率和阻尼, 即SSR频率和阻尼,从而实现对SSR的精准量化评估。

具体地,本发明实施例具有以下优点:

1、本发明实施例考虑了发电机的暂态模型和全尺度控制模型,建立了电厂及其串 补输电系统详细的阻抗模型,并在串联谐振频率处将阻抗模型聚合为等效二阶RLC电 路模型,利用等效电阻的正负直接判断SSR的稳定性,利用等效电路参数计算SSR的 频率和阻尼,物理意义明确。

2、由于系统模型采用了全尺度非线性模型,仅在关注工况的正常运行点上进行了 线性化处理,并无其它降阶或者简化处理,因此可利用聚合RLC电路模型对系统进行 精确地SSR风险分析和量化评估。

3、本发明实施例不仅适用于火电厂串补输电系统,而且适用于风电场和水电厂串 补输电系统,适用范围广。

需要说明的是,本发明实施例的分析方法可以增加或删除某些步骤,并且模型表 达可以为离散或连续的传递函数形式,或者模型可以表达为离散或连续状态方程和代 数方程形式,以及在各种你分析软件中采用电路和/或各种功能模块组合来实现。

根据本发明实施例提出的基于聚合RLC电路模型的电力系统次同步谐振分析方法, 通过建立电厂和串补输电系统的阻抗模型,并在谐振频率处将等效阻抗模型聚合为等 效二阶RLC电路模型,从而进行量化SSR分析,通过等效电阻的正负判断SSR的稳 定性,并进一步通过电路参数计算二阶电路的频率和阻尼,即SSR频率和阻尼,实现 SSR的精确量化评估,减小分析误差,提高分析精确度。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为,表示包括 一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段 或部分,并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现,其中可以不按所示出或 讨论的顺序,包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序,来执行功能, 这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤,例如,可以被认为是用于实 现逻辑功能的可执行指令的定序列表,可以具体实现在任何计算机可读介质中,以供指令 执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行 系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用,或结合这些指令执行系统、装置或设 备而使用。就本说明书而言,"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播 或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用 的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下:具有一个或多个布 线的电连接部(电子装置),便携式计算机盘盒(磁装置),随机存取存储器(RAM),只 读存储器(ROM),可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器),光纤装置,以及 便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外,计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述 程序的纸或其他合适的介质,因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描,接着进行 编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序,然后将其存储 在计算机存储器中。

应当理解,本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实 施方式中,多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或 固件来实现。例如,如果用硬件来实现,和在另一实施方式中一样,可用本领域公知的下 列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路 的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列(PGA),现 场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可 以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中, 该程序在执行时,包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中,也可以是各 个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既 可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以 软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读 取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包 含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定 指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的 一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的, 不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况 下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

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