用于提高电力系统暂态稳定性的TCSC紧急控制方法

摘要

本发明公开了一种用于提高电力系统暂态稳定性的TCSC紧急控制方法，首先判断是否启动TCSC紧急控制，若启动在故障清除后安控给TCSC发出强补命令，否则结束本方法；计算等值机转子角度、角速度、惯性时间常数、电磁功率和机械功率；计算当前等值机累积的加速能量和减速能量；根据等值机当前累积的加速能量和减速能量确定TCSC紧急控制策略；判断是否退出TCSC紧急控制策略，若退出则恢复TCSC原有控制策略；否则返回对下一振荡周期继续进行TCSC紧急控制；本发明用于提高电力系统暂态稳定性的TCSC紧急控制方法，不仅能够有效提高暂态过程中首摆的稳定裕度，还可以实现后续振荡的阻尼控制，快速平息功角和功率振荡。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体是涉及一种用于提高电力系统暂态稳定性的TCSC紧急控制方法。

背景技术

近年来，随着大规模新能源接入、特高压交直流输电工程投运以及电力电子技术的快速发展，我国电网逐渐形成了世界上规模最大、输电电压等级最高、复杂程度最高的电网，由于电力系统的非线性以及非自治性不断增加，传统的安全稳定措施已不能完全满足现代电网发展与安全，因此电网需要更加安全、合理和智能的运行控制手段。可控串补装置(TCSC，Thyristor Controlled Series Compensation)这一电力电子设备作为柔性交流输电技术中重要的一员，将固定串补拓展到一个全新的阶段，它可以连续、快速和大范围的改变线路阻抗，从而能够灵活且经济地调节潮流、增加线路输送能力、阻尼系统振荡，有效提高电力系统稳定性，应用前景十分广阔。

国内外已有很多关于利用可控串补装置提高电力系统稳定性的研究，大多数是以避免机组失稳为目标而仅仅对首摆进行强补控制，控制策略以传统的PID控制居多，在TCSC抑制系统振荡方面，多为抑制次同步谐振和低频振荡的研究。

EEAC应用扩展等面积准则方法是电力系统暂态稳定性分析中一个很有效的方法，EEAC等面积法则在量化评估电网的暂态稳定性方面具有一定的优势，已被广泛应用于大电网暂态稳定量化分析与控制，而以往很少有文章结合等面积法则研究TCSC抑制后续功角、功率振荡的具体优化控制策略。

发明内容

发明目的：为了提高电力系统在扰动下的暂态稳定并克服传统安全稳定紧急控制措施精确性和时效性较差的缺点，本发明提供一种用于提高电力系统暂态稳定性的TCSC紧急控制方法，实现灵活且经济地增加线路输送能力、阻尼系统振荡，有效提高电力系统运行的稳定性。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种用于提高电力系统暂态稳定性的TCSC紧急控制方法，该方法包括以下步骤：

S1电力系统运行过程中发生故障，判断是否启动TCSC紧急控制，若启动，在故障清除后安控给TCSC发出强补命令，并进入步骤S2，否则结束本方法；

S2基于实时测量数据，根据EEAC方法计算等值机转子角度、角速度、惯性时间常数、电磁功率和机械功率，进入步骤S3；

S3计算当前等值机累积的加速能量和减速能量，进入步骤S4；

S4根据等值机当前累积的加速能量和减速能量，确定TCSC紧急控制策略，进入步骤S5；

S5判断是否退出TCSC紧急控制策略，若退出，则恢复TCSC原有控制策略，结束本方法；否则返回步骤S2，对下一振荡周期继续进行TCSC紧急控制。

进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：

S11确定预想故障集合，根据离线仿真计算，确定电力系统不同运行方式下存在的故障，确定预想故障集合；

S12电力系统运行过程中发生故障，根据发生故障时电力系统的运行方式及故障类型，确定发生故障是否属于预想故障集合，如果属于则启动TCSC紧急控制；如果不属于，则结束本方法。

进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S21根据EEAC方法，将多机系统中各机组动态分为领前群S和余下群A，领前群S系统等值机转子运动方程用公式(1)表示，余下群A系统等值机转子运动方程用公式(2)表示：

其中，δ_S为领前群S系统等值机的转子角，ω_S为领前群S系统等值机的转子角速度，M_S为领前群S系统等值机的惯性时间常数，P_mS为领前群S系统等值机的机械功率，P_eS为领前群S系统等值机的电磁功率，δ_A为余下群A系统等值机的转子角，ω_A为余下群A系统等值机的转子角速度，M_A为余下群A系统等值机的惯性时间常数，P_mA为余下群A系统等值机的机械功率，P_eA为余下群A系统等值机的电磁功率，t为积分时间，各参数均通过测量直接获取；

S22进一步作单机等值，定义单机无穷大系统等值机转子运动方程：

令：δ＝δ_S-δ_A；ω＝ω_S-ω_A；各参数通过简单计算直接获取；

其中，δ为单机无穷大系统等值机的转子角，ω为单机无穷大系统等值机的转子角速度，M为单机无穷大系统等值机的惯性时间常数，P_m为单机无穷大系统等值机的机械功率，P_e为单机无穷大系统等值机的电磁功率。

进一步地，所述步骤S3中计算当前等值机累积的加速能量和减速能量，计算公式定义如下：

定义在P_m>P_e时段等值机为加速状态，等值机累积加速能量E₊计算公式为：

其中，δ_i1和δ_i2分别表示第i个P_m>P_e时段的起始时刻和结束时刻，n表示P_m>P_e时段的累积个数；

定义在P_m<P_e时段等值机位减速状态，等值机累积减速能量E_{_}计算公式为：

其中，δ_i1和δ_i2分别表示第i个P_m<P_e时段的起始时刻和结束时刻，n表示P_m<P_e时段的累积个数。

进一步地，所述步骤S4中，按公式(6)确定TCSC紧急控制策略：

有益效果：本发明与现有技术比较，具有的优点是：

1、本发明基于EEAC，结合单摆过程中能量守恒原理提出了一种新的安全稳定紧急控制方法，快速平息功角和功率振荡；

2、本发明提高了电力系统在扰动下的暂态稳定，克服了传统安全稳定紧急控制措施精确性和时效性较差的缺点，实现灵活且经济地增加线路传输能力、阻尼系统振荡，有效提高电力系统运行的稳定性。

3、用于提高电力系统暂态稳定性的TCSC紧急控制方法，不仅能够有效提高暂态过程中首摆的稳定裕度，还可以实现后续振荡的阻尼控制，快速平息功角和功率振荡。

附图说明

图1是本发明方法步骤流程示意图。

图2是系统受扰后等值机首摆失稳功角曲线以及对输电线安装TCSC并实施补偿时功角曲线示意图。

图3是等值机反摆过程中TCSC闭锁或强补时功角曲线示意图。

图4是等值机正摆过程中TCSC闭锁或强补时功角曲线示意图。

图5是本发明实施例一电力系统中“双机等值”分群示意图。

图6是本发明实施例一中实施不同控制策略时TCSC串补量示意图。

图7(a)、(b)、(c)、(d)四个图分别为TCSC执行原PSD-BPA控制策略、TCSC全程强补、TCSC仅首摆强补以及TCSC执行本发明控制方法这四种策略时串补量随时间的变化曲线图。

图8是实施不同控制策略时的等值机功角曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

参照图1，本发明提出了一种用于提高电力系统暂态稳定性的TCSC紧急控制方法，图1中步骤S1：判断是否启动TCSC紧急控制：首先确定，根据离线仿真计算，确定电力系统不同运行方式下存在的不安全故障，确定预想故障集合；电力系统运行过程中发生故障，根据发生故障时电力系统的运行方式及故障类型，确定发生故障是否属于预想故障集合，如果属于则启动TCSC紧急控制，在故障清除后安控给预想故障集合TCSC发出强补命令，并进入步骤S2；如果不属于，则结束本发明方法；

图1中步骤S2：基于实时测量数据，根据EEAC方法计算等值机转子角度、角速度、惯性时间常数、电磁功率和机械功率；针对复杂的多机系统，不同发电机穿越不稳定平衡点的时刻不同，各自摇摆曲线也不完全吻合，难以直接使用传统的等面积法则进行控制策略量化求解。因此，基于EEAC将多机系统等值为单机无穷大系统，等值技术为成熟现有技术；

等值机转子运动方程式通过以下步骤得到：

根据EEAC方法，将多机系统中各机组动态分为领前群S和余下群A，领前群S系统等值机转子运动方程用公式(1)表示，余下群A系统等值机转子运动方程用公式(2)表示：

其中，δ_S为领前群S系统等值机的转子角，ω_S为领前群S系统等值机的转子角速度，M_s为领前群S系统等值机的惯性时间常数，P_mS为领前群S系统等值机的机械功率，P_es为领前群S系统等值机的电磁功率，δ_A为余下群A系统等值机的转子角，ω_A为余下群A系统等值机的转子角速度，M_A为余下群A系统等值机的惯性时间常数，P_mA为余下群A系统等值机的机械功率，P_eA为余下群A系统等值机的电磁功率，t为积分时间，各参数均通过测量直接获取；

进一步作单机等值，定义单机无穷大系统等值机转子运动方程：

令：δ＝δ_S-δ_A；ω＝ω_s-ω_A；各参数通过简单计算直接获取；

其中，δ为单机无穷大系统等值机的转子角，ω为单机无穷大系统等值机的转子角速度，M为单机无穷大系统等值机的惯性时间常数，P_m为单机无穷大系统等值机的机械功率，P_e为单机无穷大系统等值机的电磁功率；

从而得到等值机运动方程公式(3)，接着进入图1中步骤S3；

图1中步骤S3：根据步骤S2得到的等值机各参数，计算等值机起始时刻到结束时刻过程中累积的加速能量和减速能量，累积的加速能量和减速能量共同组成能量总和；

步骤S3中计算当前等值机累积的加速能量和减速能量，计算公式定义如下：

定义在P_m>P_e时段等值机为加速状态，等值机累积加速能量E₊计算公式为：

其中，δ_i1和δ_i2分别表示第i个P_m>P_e时段的起始时刻和结束时刻，n表示P_m>P_e时段的累积个数；

定义在P_m<P_e时段等值机位减速状态，等值机累积减速能量E_{_}计算公式为：

其中，δ_i1和δ_i2分别表示第i个P_m<P_e时段的起始时刻和结束时刻，n表示P_m<P_e时段的累积个数；通过公式(4)和公式(5)计算得到累积的加速能量和减速能量；

另外在稳态时恒有：E₊＝E_{_}＝0；

进入图1中步骤S4；

图1中步骤S4：根据系统计算得到的等值机当前累积的加速能量和减速能量，确定TCSC紧急控制策略，安控给可控串补模块下发强补和闭锁指令，其中可控串补模块强补或闭锁状态的选择依据如下：

由EEAC理论可知，当系统受扰后首摆失稳，其功角曲线如图2所示中虚线所示，则故障后首摆任意时刻恒有：E₊>E_{_}；若对输电线安装TCSC并实施补偿，增加了输电功率，等值机电磁功率P_e增大，此时功角曲线如图2实线所示，此时加速能量减少，加速能量增加有利于系统稳定，因此在故障发生后就应该立即下发TCSC强补命令。

若首摆稳定，当达到E₊＝E_{_}时刻时，功角曲线回摆，该回摆称为反摆过程，如图3所示，反摆期间有：E₊<E_{_}；若反摆期间TCSC继续强补，等值机电磁功率如图3虚线所示，若此期间TCSC闭锁，则等值机功率曲线如图3实现所示，则反摆加速能量增加，减速能量减少，有利于系统的稳定性，因此在此期间应下发TCSC闭锁指令；

当再次达到E₊＝E_{_}＝0时刻时，功角曲线再次回摆到如图4所示，称为正摆过程，分析过程与结论与首摆类似，需下发TCSC强补命令；

综上所述，故障后TCSC只需要在强补或闭锁两种极端状态间切换，就可以实现首摆暂态稳定裕度提高和后续振荡的阻尼控制，具体控制策略如下：

图1中步骤S5：判断是否退出TCSC紧急控制策略，若退出，则恢复TCSC原有控制策略，结束本方法；否则返回步骤S2，对下一振荡周期继续进行TCSC紧急控制。

本发明方法将振荡过程中的正摆和反摆视为一个周期，理论上这一时间段内包含了完整的振荡特性，因此每次只需计算单个周期内可控串补的最优控制策略，再由安控下发调节指令，之后每个周期都重复此控制策略，即可在整个抑制振荡过程中达到最优效果，使系统后续振荡快速平息，达到提高系统暂态稳定性的目的。至于结束此控制策略的条件可由实际系统复杂程度以及扰动大小而定，一般设定一个固定控制摆数或时间。

实施例一：

如图5所示的电力系统，G1～G8为同步发电机，G1～G6每台有功280MW，G9～G11为风力发电机每台风机有功出力为280MW；母线5和母线6通过直流输电直接连接；TCSC模块安装在母线1至母线2之间第二回线路上，该段线路的电抗标幺值为0.0475，根据工程经验设置固定串补为该段线路电抗值的20％，最大串补上限为60％；0s时刻母线1至母线2之间第一回线路靠近母线2的地方发生三相短路故障，0.1s断开该线路故障消除；

针对上述故障，参照图6，按前述方法的步骤S2可将发电机组分为临界群G1～G6和余下群G7、G8，进一步进行单机等值易计算得到单机无穷大系统等值机转子运动方程；

按前述方法的步骤S3可计算得到不同串补策略下的暂态能量函数；

参照图7，按前述方法的步骤S4根据等值机累积的能量函数确定可控串补的具体控制策略，另设三个对照组以作为参考，图7中(a)、(b)、(c)、(d)四个图分别为TCSC执行原PSD-BPA控制策略、TCSC全程强补、TCSC仅首摆强补以及TCSC执行本文控制方法这四种策略时串补量随时间的变化曲线。

参照图8，按前述方法的步骤S5，为保证设备的可靠性，退出控制的条件设定为暂态过程中5秒内的前四个周期，之后便退出此紧急控制措施，切换回为原控制策略。由图5中策略4曲线可见，相比较其他几种控制策略，功角振荡明显得到较快抑制；可见，本发明计算得到的紧急控制策略与理论分析效果基本一致，说明了本发明的有效性和优越性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。