一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法及系统

摘要

本发明公开了一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法及系统，其中方法包括：确定发电机组励磁参数对母线电压轨迹的灵敏度指标，根据所述灵敏度指标分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度；将发电机组的各励磁参数按预设的步长间隔在各励磁参数的取值范围内多次取值，获取各励磁参数在不同取值下电力系统故障期间电压的最低值与恢复时间，确定各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势；通过改变多个发电机组的励磁参数，对各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度以及各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，根据验证结果确定优化的励磁参数。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，更具体地，涉及一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法及系统。

背景技术

十三五期间，特高压交直流输电工程进入快速的发展和建设时期，风电和光伏等新能源大量并网，远距离跨区输电规模持续增长，电网格局和电源结构重大改变，华东电网、山东电网、广东电网受电比例越来越大，“强直弱交”特征突出，电网特性发生深刻变化，交直流系统相互作用以及动态负荷的日益增长，受端电网电压稳定问题越来越突出，动态无功不足导致局部电压失稳向全局电压崩溃的安全稳定风险显著增大。

同步发电机提供无功功率的能力对于防止电力系统电压失稳事故的发生非常关键。励磁系统是连接发电机组和电网的重要环节，对稳定机组运行和维持电力系统电压稳定具有重要作用，其模型参数是网源协调的主要内容之一。

电力系统遭受扰动后，发电机励磁系统根据机端电压变化，自动调节励磁电流使发电机端电压维持在给定的水平，从而提高电力系统的电压稳定程度，发电机的励磁系统是提高电力系统电压稳定性最有效和最经济的控制手段。

因此，发电机励磁系统动态及其限制环节是影响系统电压稳定性的一个重要因素，发电机励磁系统调节参数对系统电压稳定性都会造成一定影响，但是目前并没有一种有效的量化指标来评估各励磁参数对于系统暂态电压稳定性的影响程度及影响趋势，更没有在大型互联电网中探讨发电机励磁参数对于系统暂态电压稳定性影响的研究。

因此，需要一种技术，以实现对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估。

发明内容

本发明技术方案提供一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法及系统，以解决如何对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法，所述方法包括：

确定发电机组励磁参数对母线电压轨迹的灵敏度指标，根据所述灵敏度指标分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度；

将发电机组的各励磁参数按预设的步长间隔在各励磁参数的取值范围内多次取值，获取各励磁参数在不同取值下电力系统故障期间电压的最低值与恢复时间，确定各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势；

通过改变多个发电机组的励磁参数，对各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度以及各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，根据验证结果确定优化的励磁参数。

优选地，所述通过改变多个发电机组的励磁参数，对各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度以及各励磁参数对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，根据验证结果确定优化的励磁参数，包括：

改变多个发电机组的励磁参数，根据计算出的故障后保持系统暂态电压稳定的故障极限切除时间对发电机组的励磁参数性能进行评估，对励磁参数对于系统暂态电压稳定性的影响程度及各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，确定优化的励磁参数。

优选地，所述励磁参数包括：励磁调差系数X

优选地，所述确定发电机组励磁参数对母线电压轨迹的灵敏度指标，根据所述灵敏度指标分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度，还包括：

基于摄动法分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度，公式如下：

式(1)中，

对轨迹灵敏度的绝对值的平均值进行计算，计算公式如下：

式(2)中：t

优选地，所述步长间隔为参数初始值的25％。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的系统，所述系统包括：

第一确定单元，用于确定发电机组励磁参数对母线电压轨迹的灵敏度指标，根据所述灵敏度指标分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度；

第二确定单元，用于将发电机组的各励磁参数按预设的步长间隔在各励磁参数的取值范围内多次取值，获取各励磁参数在不同取值下电力系统故障期间电压的最低值与恢复时间，确定各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势；

结果单元，用于通过改变多个发电机组的励磁参数，对各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度以及各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，根据验证结果确定优化的励磁参数。

优选地，所述结果单元，用于通过改变多个发电机组的励磁参数，对各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度以及各励磁参数对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，根据验证结果确定优化的励磁参数，还用于：

改变多个发电机组的励磁参数，根据计算出的故障后保持系统暂态电压稳定的故障极限切除时间对发电机组的励磁参数性能进行评估，对励磁参数对于系统暂态电压稳定性的影响程度及各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，确定优化的励磁参数。

优选地，所述励磁参数包括：励磁调差系数X

优选地，所述第一确定单元，用于确定发电机组励磁参数对母线电压轨迹的灵敏度指标，根据所述灵敏度指标分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度，还用于：

基于摄动法分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度，公式如下：

式(1)中，

对轨迹灵敏度的绝对值的平均值进行计算，计算公式如下：

式(2)中：t

优选地，所述步长间隔为参数初始值的25％。

本发明技术方案提供一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法及系统，其中方法包括：确定发电机组励磁参数对母线电压轨迹的灵敏度指标，根据灵敏度指标分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度；将发电机组的各励磁参数按预设的步长间隔在各励磁参数的取值范围内多次取值，获取各励磁参数在不同取值下电力系统故障期间电压的最低值与恢复时间，确定各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势；通过改变多个发电机组的励磁参数，对各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度以及各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，根据验证结果确定优化的励磁参数。本发明技术方案提出的一种受端电网发电机暂态电压稳定励磁控制参数性能评估的方法及系统，实现了量化评估发电机励磁参数对系统暂态电压稳定性的影响程度及影响趋势，且在互联大电网中验证了本发明技术方案的正确性。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法流程图；

图2为根据本发明优选实施方式的一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法流程图；

图3为根据本发明优选实施方式的发电机励磁参数对电压的轨迹灵敏度示意图；

图4为根据本发明优选实施方式的多机组励磁放大倍数分别取最大值、最小值时广固高端换流站母线电压示意图；

图5为根据本发明优选实施方式的一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法流程图。本发明提出了一种受端电网发电机暂态电压稳定励磁控制参数性能评估方法，本发明可通过计算相应的量化指标来评估单一发电机励磁参数对于系统暂态电压稳定性的影响程度，进一步确定励磁参数变化带来的系统暂态电压稳定性的变化趋势，并在大电网中提出相应评估方法验证前述结论。本发明实施方式可量化评估发电机励磁参数对系统暂态稳定性的影响，基于此可改善机组励磁参数来提升受端电网的暂态电压稳定性，并为电力系统规划和运行提供重要参考依据。

如图1所示，本发明提供一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法，方法包括：

步骤101：确定发电机组励磁参数对母线电压轨迹的灵敏度指标，根据灵敏度指标分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度。优选地，励磁参数包括：励磁调差系数X

基于摄动法分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度，公式如下：

式中，

对轨迹灵敏度的绝对值的平均值进行计算，计算公式如下：

式中：t

本发明提出发电机组励磁参数对母线电压的轨迹灵敏度指标，以此来量化确定励磁参数的变化对于系统暂态电压稳定性的影响程度。本发明提出发电机组励磁参数对母线电压的轨迹灵敏度指标，以此来量化确定励磁参数的变化对于系统暂态电压稳定性的影响程度，包括：

轨迹灵敏度是电力系统研究领域中非常重要的分析工具，通过研究系统的动态响应对某些参数、初始条件或系统模型的灵敏度来定量分析这些因素对动态品质的影响。轨迹灵敏度是随时间不断变化的动态灵敏度，它是基于系统的微分方程模型。而暂态电压稳定描述的是系统在大扰动后系统电压的动态变化过程，轨迹灵敏度反映了参数对动态轨迹变量的影响程度，而母线电压的运动轨迹可以显示系统的稳定状况，因而以母线电压为动态变量的轨迹灵敏度能够体现发电机励磁参数改变对系统稳定性的影响程度。

系统灵敏度通常有3种表达形式，分别是绝对灵敏度、半相对灵敏度、相对灵敏度。其中绝对灵敏度是因变量对自变量敏感程度的直接表达；半相对灵敏度是自变量变化百分之一时，因变量的增量；相对灵敏度是因变量相对增量与自变量相对增量之比。由于本发明旨在确定发电机励磁参数在其整个调节范围内取值的变化对于系统暂态电压稳定性的影响，若采用相对灵敏度，则可能出现同一参数在不同取值附近变化时，造成系统因变量同样的变化量却得出截然不同的灵敏度，因此，本发明采用绝对灵敏度进行计算分析。

轨迹灵敏度的计算通常分为解析法和摄动法。对于大规模电力系统，由于系统结构复杂、方程维数高，参数解析灵敏度的求解变得非常困难，很难得到各参数灵敏度的结果。因此，对于复杂电力系统，本发明优先使用摄动法进行求解，该方法简单易行，无需对系统进行线性化处理，也无需考虑变量间的关系和系统的结构特点，可以很方便地得到参数灵敏度的近似值，避免了解析法繁琐的数值积分过程，公式如下：

式(1)中，

为使各参数轨迹灵敏度的大小更加直观和清晰，便于分析比较，以轨迹灵敏度的绝对值的平均值作为参考，计算公式如下：

式(2)中：t

步骤102：将发电机组的各励磁参数按预设的步长间隔在各励磁参数的取值范围内多次取值，获取各励磁参数在不同取值下电力系统故障期间电压的最低值与恢复时间，确定各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势；优选地，步长间隔为参数初始值的25％。

本发明将发电机各励磁参数以一定步长间隔在其取值范围内取值若干次，通过比较不同取值下故障后母线电压的跌落程度与恢复时间来确定励磁参数变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势。

为在大电网中得到可观的变化趋势来验证前述结论，本发明可通过改变多个机组的励磁参数，计算故障后保持系统暂态电压稳定的故障极限切除时间来评估机组励磁参数对系统暂态电压稳定的影响。

本发明将发电机各励磁参数以一定步长间隔在其取值范围内取值若干次，通过比较不同取值下故障后母线电压的跌落程度与恢复时间来确定励磁参数变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势包括：

在通过计算轨迹灵敏度指标确定发电机励磁参数对于系统暂态电压稳定性的影响程度后，还需要确定当发电机励磁参数改变时系统暂态电压稳定性的变化趋势。

电力系统发生故障时，故障后电压的跌落程度与恢复时间对系统暂态稳定性具有重要影响。为进一步分析发电机励磁参数对系统暂态电压稳定水平影响的变化规律，分别将发电机各励磁参数以一定步长间隔在其取值范围内取值若干次，例如可在励磁参数取值范围内五次，步长大小设置为参数变化范围的25％，记录比较励磁参数取不同值时故障期间电压的最低值与恢复时间(如故障切除时刻起至电压恢复到0.9pu所需的时间)的变化情况。

步骤103：通过改变多个发电机组的励磁参数，对各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度以及各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，根据验证结果确定优化的励磁参数。

优选地，通过改变多个发电机组的励磁参数，对各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度以及各励磁参数对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，根据验证结果确定优化的励磁参数，包括：

改变多个发电机组的励磁参数，根据计算出的故障后保持系统暂态电压稳定的故障极限切除时间对发电机组的励磁参数性能进行评估，对励磁参数对于系统暂态电压稳定性的影响程度及各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，确定优化的励磁参数。

本发明为在大电网中得到可观的变化趋势来验证前述结论，可通过改变多个机组的励磁参数，计算故障后保持系统暂态电压稳定的故障极限切除时间来评估机组励磁参数对系统暂态电压稳定的影响，包括步骤101和步骤102的内容，本发明分析了单一机组励磁参数变化对于系统暂态电压稳定性的影响，初步得到了不同励磁参数变化对于系统暂态电压稳定性的影响程度、变化趋势。但对于互联大电网，某一机组的励磁参数改变对系统稳定性的影响非常有限。

当系统发生短路时，如果故障切除时间大于某一极限时间，则系统将失去电压稳定，这一极限时间称为系统保持暂态电压稳定的故障极限切除时间，它的大小在一定程度上反映了系统暂态电压稳定性的强弱。

本发明为观察励磁参数改变对系统暂态电压稳定性带来的可观影响，并以此来验证前述结论，可通过改变多个机组的励磁参数，对比不同条件下的故障极限切除时间来确定系统暂态电压稳定性的强弱。

本发明提供的评估方法中，轨迹灵敏度指标采用绝对灵敏度计算，避免了同一参数在不同取值附近变化时，系统因变量同样的变化量却得出截然不同的灵敏度，且以轨迹灵敏度的绝对值的平均值作为参考，指标更加直观清晰且具有参考意义；

本发明提供的评估方法中，不仅可得到发电机励磁参数对系统暂态电压稳定性的影响程度，且可评估发电机励磁参数对系统暂态电压稳定水平影响的变化规律，适合指导工程实践中发电机励磁参数的调整优化；

本发明提供的评估方法中，通过大型互联电网发电机组实例分析结果，验证了发电机暂态电压稳定励磁控制参数性能评估方法的准确性，显示出该方法具有较强的工程实用性。

以下结合互联大电网实例对本发明提出的发电机暂态电压稳定励磁控制参数性能评估方法的具体实施方法作进一步详细描述。

本发明以某年度某区域的电网结构为基础，包含了该年度电网数据。考虑某省区电网暂态电压稳定问题最为严重的丰平大运行方式计算，某省区电网负荷水平为75352MW，某省区通过交直流线路受电量为36786MW。

计算程序使用中国电力科学研究院的电力系统综合分析程序PSASP7.41.04版(Windows版)。

算例中某省区电网同步发电机采用交轴次暂态电势变化的5阶模型并考虑自动励磁调节器和调速器的影响。发电机励磁系统参数包括励磁调差系数X

由于某省区电网发电机数目众多，容量及模型参数组号不尽相同，为使分析结果具有一般性，对某省区电网各主要发电机励磁参数进行轨迹灵敏度分析，包括多个地区等电厂的同步发电机。以某地区直流广固高端换流站母线电压为电压轨迹变量，故障为最严重的第一地区至第二地区1000kV一回线路第一地区侧发生三相永久性短路故障，1.00s发生故障，通过设置不同的故障切除时间来控制系统在故障后的稳定形态，仿真时长为10s。

首先，观察N-1故障后某省区电网能够保持暂态电压稳定时单一机组励磁参数对于系统暂态电压稳定性的影响，故障切除时间设置为90ms。仿真方法为通过改变单一机组的励磁参数，以式(1)、(2)计算得到各励磁参数对于广固高端换流站母线电压的轨迹灵敏度曲线及轨迹灵敏度的绝对值平均值。

以某地区3号机组为例，各励磁参数的轨迹灵敏度及轨迹灵敏度绝对值的平均值如图3及表1。

表1潍坊3号发电机励磁参数对电压轨迹灵敏度绝对值的平均值(/10

由表1可知，各励磁参数中放大环节时间常数T

为进一步分析发电机励磁参数对系统暂态电压稳定水平影响的变化规律，分别将发电机各励磁参数以一定步长间隔在其取值范围内取值五次，步长大小设置为参数变化范围的25％，记录故障期间电压的最低值与恢复时间的变化情况。计算条件与前一节相同，以潍坊3号发电机为例，计算结果如表2所示。

表2发电机励磁参数对故障期间最低电压与电压恢复时间的影响

综合表2故障期间最低电压与电压恢复时间的变化趋势来看，对于励磁调差系数X

前述内容分析了单一机组励磁参数变化对于系统暂态电压稳定性的影响，初步得到了不同励磁参数变化对于系统暂态电压稳定性的影响程度、变化趋势。但对于互联大电网，某一机组的励磁参数改变对系统稳定性的影响非常有限。为观察励磁参数改变对系统暂态电压稳定性带来的可观影响，并以此来验证上一节的结论，可通过改变多个机组的励磁参数，对比不同条件下的故障极限切除时间。

以励磁放大倍数为例，更改多个地区发电机的励磁放大倍数，对比多机组励磁放大倍数取不同值时的保持电压稳定的故障极限切除时间，经仿真发现，当励磁放大倍数较大时，故障极限切除时间较长，当励磁放大倍数较小时，故障极限切除时间较短。当四台机组励磁放大倍数均取最大值时，故障极限切除时间为90ms，当励磁放大倍数都取最小值时，故障极限切除时间显著减小。

如图4所示，为故障切除时间设置为90ms、四台机组励磁放大倍数均分别取最大值和最小值时对应的广固高端换流站的母线电压，可以看到励磁放大倍数取最大值时系统电压在故障期间可以恢复到正常值并保持稳定，而取最小值时系统电压在故障后发生崩溃。由此可见随着励磁放大倍数的减小，系统的暂态电压稳定性将下降，这与前一节得出的结论一致。

同样，通过修改多个机组的其他励磁参数，也得到了与前一节一致的结论，由此验证了所提评估方法的正确性。

图5为根据本发明优选实施方式的一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的系统结构图。如图5所示，本发明提供一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的系统，系统包括：

第一确定单元501，用于确定发电机组励磁参数对母线电压轨迹的灵敏度指标，根据灵敏度指标分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度；优选地，励磁参数包括：励磁调差系数X

基于摄动法分析各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度，公式如下：

式(1)中，

对轨迹灵敏度的绝对值的平均值进行计算，计算公式如下：

式(2)中：t

第二确定单元502，用于将发电机组的各励磁参数按预设的步长间隔在各励磁参数的取值范围内多次取值，获取各励磁参数在不同取值下电力系统故障期间电压的最低值与恢复时间，确定各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势；

结果单元503，用于通过改变多个发电机组的励磁参数，对各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度以及各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，根据验证结果确定优化的励磁参数。

优选地，结果单元503用于通过改变多个发电机组的励磁参数，对各励磁参数的对于系统暂态电压稳定性的影响程度以及各励磁参数对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，根据验证结果确定优化的励磁参数，还用于：

改变多个发电机组的励磁参数，根据计算出的故障后保持系统暂态电压稳定的故障极限切除时间对发电机组的励磁参数性能进行评估，对励磁参数对于系统暂态电压稳定性的影响程度及各励磁参数的变化对系统暂态电压稳定性的影响趋势进行验证，确定优化的励磁参数。

本发明优选实施方式的一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的系统500与本发明另一优选实施方式的一种对发电机暂态电压稳定励磁参数性能进行评估的方法100相对应，在此不再进行赘述。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。