一种多机电力系统超低频振荡稳定性评估方法

摘要

本发明涉及一种多机电力系统超低频振荡稳定性评估方法，属于电网安全技术领域。该评估方法包括：建立含有系统主要发电机组的统一频率模型；对目标机组原动机‑调速器传递函数在超低频段（0.05~0.1Hz）内扫频，得到各机组在s平面上超低频频域特性；通过分析目标机组原动机‑调速器传递函数超低频频域特性的性质，评估目标机组对系统超低频振荡稳定性的影响。本发明提出的分析方法机理明确，可应用于多机电力系统超低频振荡稳定性评估，使系统稳定运行。

说明书

技术领域

本发明属于电网安全技术领域，涉及一种小干扰稳定性评估方法，具体涉及一种多机电力系统超低频振荡稳定性评估方法。

背景技术

低频振荡长期影响着电力系统安全稳定运行，其主要是由于励磁系统快速动作以及区域电网间联系过弱引起的。通过建设直流输电线路以使区域电网间异步互联，可以增强网架结构，从而减轻低频振荡的影响。然而2016年云南电网与南方电网主网异步联网后，云南电网内部出现了长时间、超低频的频率振荡现象，即超低频振荡。超低频振荡频率小于0.1Hz(云南电网为0.05Hz)，远低于低频振荡的频率范围。

超低频振荡并不是一个新问题，早在上个世纪70年代左右，加拿大电网就已发现这个问题，并将其称为公共模式(Common Mode)，以对应低频振荡中的本地模式(Local-area Mode)和区域模式(Int er-area Mode)。在其他的国内、外电网实际运行中同样出现了这种频率小于0.1Hz的频率振荡现象。无一例外地，这些电网的水电渗透率均较高，且均能通过调整水电机组调速器参数部分缓解该问题。异步联网前，云南电网与南方电网主网间存在交流联系，系统水电出力占比约为30％；异步联网后，云南电网仅通过直流线路与南方电网主网相连，云南电网成为孤网，系统水电出力占比升高到约70％。可见，超低频振荡与水电机组关系密切。现今，对超低频振荡的机理分析与调速器参数配置主要基于仿真与计算，有些文献用阻尼转矩法解释了单机系统超低频振荡的机理，但由于阻尼转矩法的局限性，无法对多机系统进行分析。且由于超低频振荡的性质与产生原因有别于低频振荡，阻尼转矩法的适用性仍然存疑。因此如何克服现有技术的不足是目前电网安全技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种多机电力系统超低频振荡稳定性评估方法，该方法在利用超低频振荡时间长、频率低特性的基础上，对多机系统超低频振荡的机理进行了分析，由于提出的分析方法基于奈奎斯特判据，因此是严格的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多机电力系统超低频振荡稳定性评估方法，包括以下步骤：

1)建立含有系统主要发电机组的统一频率模型；

2)选定目标机组，并基于统一频率模型得到的其原动机-调速器系统传递函数表达式，在超低频段范围内对其原动机-调速器传递函数扫频，得到其超低频段频域特性；所述的超低频段范围为0.05～0.1Hz；

3)通过分析目标机组原动机-调速器传递函数超低频段频域特性的性质，评估目标机组对系统超低频振荡稳定性的影响：若目标机组原动机-调速器传递函数在超低频段内频域特性的实部小于0，则目标机组对系统超低频振荡稳定性起负作用，反之，则起正作用。

进一步，优选的是，所述的步骤1)中的建立含有系统主要发电机组的统一频率模型步骤：

(1)统计系统所含发电机组调速器和原动机模型的类型以及它们各自占系统总容量的比例；

(2)将各类型调速器和原动机模型按照其各自占系统总容量的比例从大到小排序，选择其中占比最大的1～4种模型搭建于统一频率模型中；

(3)对于(2)中选定的调速器和原动机模型，将其参数设置为系统中出力最大的该类型机组的参数；同时按照以下方式设置统一频率模型中各类型机组的台数：统计各类型机组在系统中的总有功出力，则统一频率模型中各类型机组的台数等于其在系统中的总有功出力除以它的单台有功出力；

(4)根据系统自动发电控制的安排设置统一频率模型中参与自动发电控制的机组台数：将统一频率模型中参与自动发电控制的机组台数设置为系统中参与自动发电控制的机组总有功出力除以单台机组的有功出力的值。

进一步，优选的是，所述步骤2)和步骤3)的具体步骤如下：

1)在统一频率模型中选定目标机组为第k台机组，则在超低频段内对G_k(s)T_k(s)扫频，得到超低频段内的第k台机组原动机-调速器传递函数频域特性：

G_k(jω_i)T_k(jω_i)＝R_k(ω_i)+jI_k(ω_i),ω_i∈[0.05,0.1]Hz,i＝1,2,...,N

其中：s为拉普拉斯算子；G_k(s)为第k台机组调速器传递函数，输入为负的频率偏差量标幺值，输出为阀门开度标幺值；T_k(s)为第k台机组原动机传递函数，输入为阀门开度标幺值，输出为机械功率标幺值；ω_i为扫频频率采样点；i为采样点编号；N为采样点个数；j为虚数单位；R_k(ω_i),i＝1,2,…,N为第k太机组原动机-调速器传递函数频域特性的实部，I_k(ω_i),i＝1,2,…,N为第k太机组原动机-调速器传递函数频域特性的虚部；

2)若在超低频段内R_k(ω_i)>0,i＝1,2,…,N，则第k台机组对超低频振荡稳定性起正作用；

若在超低频段内R_k(ω_i)<0,i＝1,2,…,N，则第k台机组对超低频振荡稳定性起负作用；

若在超低频段内R_k(ω_i),i＝1,2,…,N有正有负，则需要根据系统振荡频率的具体值确定在该频率处R_k(ω)的正负，从而确定第k台机组对系统超低频振荡稳定性的影响。

进一步，优选的是，若在超低频段内R_k(ω_i),i＝1,2,…,N有正有负，则需通过对统一频率模型进行时域仿真，得到系统振荡频率为ω；若R_k(ω)>0，则第k台机组对超低频振荡稳定性起正作用；若R_k(ω)<0，则第k台机组对超低频振荡稳定性起负作用。

本发明利用超低频振荡的振荡频率低、持续时间长特点，根据方式数据，选择各类型机组的典型机组，建立系统统一频率模型。选择目标机组，基于统一频率模型得到目标机组原动机-调速器传递函数的表达式，并对其原动机-调速器传递函数在0.05～0.1Hz范围内扫频，得到其在超低频段内的频域特性。分析目标机组调速器-原动机系统在超低频段内的性质，从而判断目标机组对系统超低频振荡稳定性的影响。

一个含有N机系统的统一频率模型如图2所示，系统功率基值为Sn。对其中第k台机组，G_k(s)为其调速器传递函数(输入为负的频率偏差量标幺值，输出为阀门开度标幺值)，T_k(s)为原动机传递函数(输入为阀门开度标幺值，输出为机械功率标幺值)，s为拉普拉斯算子。系统等效惯性M为以下公式：

M＝∑M_i·K_i,i＝1,...,N

其中M_i，i＝1,…,N为各机组在各自功率基值下的机组惯性标幺值，K_i为各机组功率基值换算到系统功率基值下的系数。如对第k台机组，其机组功率基值为S_k，则其基值换算系数K_k＝S_k/S_n。系统阻尼D为以下公式：

其中P_L为负荷中随频率一次变化的量。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明能够通过在超低频段对目标机组原动机-调速器系统扫频，分析其超低频段频域特性对系统奈奎斯特稳定裕度的影响，从而评估目标机组对系统超低频振荡稳定性的影响，具有清晰的数学基础，并能适用于多机系统分析，准确评估多机系统超低频振荡稳定性。而现有的分析方法数学基础并不明确，且无法对多机系统进行分析。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明方法中统一频率模型的示意图。

图3为本发明实施例仿真验证中统一频率模型的示意图。

图4为本发明实施例仿真验证中GS型调速器模型。

图5为本发明实施例仿真验证中TB型汽轮机模型。

图6为本发明实施例仿真验证中GH型机组模型。

图7为本发明实施例仿真验证中GM型调速器模型。

图8为本发明实施例仿真验证中GA型伺服器模型。

图9为本发明实施例仿真验证中水轮机详细模型。

图10为本发明实施例仿真验证中超低频段内目标机组GH原动机-调速器系统在s平面上的频域特性。

图11为本发明实施例仿真验证中超低频段内目标机组GM原动机-调速器系统在s平面上的频域特性。

图12为本发明实施例仿真验证中目标机组对应典型机组总出力变化后系统频率仿真曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

如图1所示，采用本发明方法进行处理时，通过建立含有系统主要发电机组调速器和原动机模型的统一频率模型，可以实现对原系统超低频振荡的模拟，避免了使用复杂的详细模型，减小了模型复杂度；通过建立统一频率模型，可以得到目标机组调速器-原动机系统的传递函数表达式；通过对目标机组调速器-原动机系统在超低频段内扫频，可以得到其频域特性R_k(ω_i)+jI_k(ω_i),i＝1,…,N；若目标机组原动机-调速器系统实部频域特性R_k(ω_i)>0,i＝1,2,…,N，则目标机组对系统超低频振荡稳定性起正作用；反之若R_k(ω_i)<0,i＝1,2,…,N，则目标机组对系统超低频振荡稳定性起负作用。若在超低频段内R_k(ω_i),i＝1,2,…,N有正有负，则通过对统一频率模型进行时域仿真，得到系统振荡频率为ω；若R_k(ω)>0，则第k台机组对超低频振荡稳定性起正作用；若R_k(ω)<0，则目标机组对超低频振荡稳定性起负作用。

本发明的具体实施例如下：

(1)统计南方电网2017冬大方式中云南电网的机组数据和潮流计算结果。按照之前所述步骤，在Matlab/Simulink软件中建立统一频率模型。

上述的统一频率模型建立遵循如下步骤：

1)方式数据中火电出力为3977.2MW，水电出力为32559MW。

2)对于火电机组，典型机组类型为GS(包含GS型调速器模块与TB型汽轮机模块)。对于水电机组，典型机组类型为GH(GH模型内本身包含调速器与原动机)和GM(包含GM型调速器模块、G A型伺服器模块以及水轮机详细模型模块)。GS型机组总出力为3977.2MW，GH型机组总出力为7717MW，GM型机组总出力为24842MW。

3)对于2)中选定的调速器和原动机模型，将其参数设置为系统中出力最大的该类型机组的参数，具体如下：

对于典型机组GS，功率基值为353MW，在其自身功率基值下机组惯性为8.5。其所含GS型调速器模型如图3所示，TB型汽轮机模型如图4所示，参数如表1：

表1

K18.47TRH8T10FIP0.4T20TCO0.4T30.5FLP0.3TCH0.3λ0FHP0.3

对于典型机组GH，功率基值为109MW，在其自身功率基值下机组惯性为8.31。其所含GH型机组模型如图6所示，参数如表2：

表2

R0.04TW1TG0.25Dd0.25TP0.04K’1TD5

对于典型机组GM，功率基值为667MW，在其自身功率基值下机组惯性为10.38。其所含GM型调速器模型如图7所示，模式选择为开度模式、硬反馈输入信号为Y_PID，参数如表3：

表3

TR10.2TD0.21KW1.7T10KP2.5T20KD1TR20.02KI0.5eP0.04

其所含GA型伺服模型如图8所示，参数如表4：

表4

Tc13KD0To13KI0T20.2Td0KP20

其所含水轮机详细模型如图9所示，图中水系统传递函数F(s)为

其中，

其中，T_ep为压力水管弹性时间常数，T_s为调压室时间常数，T_Wc为引水洞水击时间常数，T_Wp为压力水管水击时间常数，Z_p为压力水管水阻抗，φ_c为引水洞摩擦系数，φ_p为压力水管摩擦系数，s为拉普拉斯算子。参数如表5：

表5

由于GS型典型机组出力为240MW，因此GS型典型机组台数为3977.2/240≈17台。而GH型典型机组出力为95MW，GM型典型机组出力为600MW，因此GH型典型机组台数为81台，GM型典型机组台数为17台。

4)AGC增益K_AGC＝1。参与AGC的机组类型为GH型和GM型，其台数N_GH-AGC为20台，N_GM-AGC为2台。

故最终统一频率模型中台数参数如表6：

表6

N_GS17N_AGC-GH20N_GH61N_AGC-GM2N_GM15

对所搭建的统一频率模型进行仿真(1.9s时系统负荷发生1300M W阶跃)，仿真波形如图12虚线所示，复现了超低频振荡现象。

(2)选定典型机组GH作为目标机组，基于统一频率模型，带入(1)中参数推导得到其原动机-调速器系统传递函数表达式如下，G_GH(s)T_GH(s)＝(1-s)/(s(s/2+1)(s/100+1/4)(((5s)/(4(5s+1))+1/25)/(s(s/100+1/4))+1))

其中s为拉普拉斯算子。将s＝jω带入，在0.05～0.1Hz内均匀地取11个频率采样点，并对目标机组的原动机-调速器系统传递函数扫频得到其超低频频域特性，其频域特性在s平面上如图10所示；

选定典型机组GM作为目标机组，基于统一频率模型，带入(1)中参数推导得到其原动机-调速器系统传递函数表达式如下，

其中s为拉普拉斯算子。将s＝jω带入，在0.05～0.1Hz内均匀地取11个频率采样点，并对目标机组的原动机-调速器系统扫频得到其超低频频域特性，其频域特性在s平面上如图11所示

(3)通过图10可知，在超低频段内R_GH(ω_i)>0，从而可以判断目标机组类型GH对系统超低频振荡稳定性起正作用；通过图11可知，在超低频段内R_GM(ω_i)<0，从而可以判断目标机组类型GM对系统超低频振荡稳定性起负作用。

为了验证分析结果，对系统做如下更改：相比原始系统，令GH对应机组总出力增加1900MW，GM对应机组总出力减少1900MW。仍在1.9s时触发1300MW负荷阶跃，系统频率仿真曲线如图12实线所示。从图12可知，在增加起正作用的机组类型GH、减少起负作用的机组类型GM后，系统超低频振荡稳定性提升了，验证了分析结果的正确性，从而说明了本发明方法的有效性。

因此，本发明方法能够准确评估目标机组对系统超低频振荡稳定性的影响，并为改善系统超低频振荡稳定性提供改进方法，本发明方法具有突出显著的技术效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。