電力系統(tǒng)強(qiáng)迫功率振蕩的監(jiān)測與抑制方法研究.pdf

1、隨著超大規(guī)模交直流全國互聯(lián)電網(wǎng)的初步形成和“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”概念的提出，互聯(lián)電網(wǎng)的規(guī)模將進(jìn)一步由國家和地區(qū)擴(kuò)展到全球。電網(wǎng)的大規(guī)模互聯(lián)在提高發(fā)電和輸電的經(jīng)濟(jì)性和可靠性的同時，也使得電網(wǎng)中的功率擾動源數(shù)量逐漸增多，如調(diào)速器故障、汽輪機(jī)壓力脈動和水輪機(jī)輸出功率波動，以及具有隨機(jī)性和波動性的風(fēng)電場、光伏電站和電動汽車等。而系統(tǒng)中持續(xù)的周期性功率擾動可能會引發(fā)電網(wǎng)的功率振蕩，這種振蕩被稱為強(qiáng)迫功率振蕩。更嚴(yán)重的是，當(dāng)振蕩頻率接近系統(tǒng)自然振蕩頻率

2、時，可能發(fā)生共振現(xiàn)象，造成整個電力系統(tǒng)的大幅功率振蕩。強(qiáng)迫功率振蕩起振快、振幅大、傳播范圍廣，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重危害。本論文圍繞電力系統(tǒng)強(qiáng)迫功率振蕩，在振蕩監(jiān)測（擾動源分析和振蕩性質(zhì)判別）以及抑制方法等多個方面展開了研究，主要工作如下:
　　(1)研究了發(fā)電機(jī)的原動機(jī)及調(diào)速器中的不同擾動源，分析了不同類型原動機(jī)及調(diào)速器中不同位置擾動源對強(qiáng)迫功率振蕩的影響。首先建立了考慮功率擾動源的電力系統(tǒng)模型，分析了強(qiáng)迫功率振蕩的基

3、本原理。在此基礎(chǔ)上對原動機(jī)及調(diào)速器進(jìn)行建模，深入研究其中可能存在的擾動源以及它們對強(qiáng)迫功率振蕩的影響。通過理論分析和算例仿真對比研究了汽輪機(jī)和水輪機(jī)及它們的調(diào)速器中不同位置擾動源引發(fā)的強(qiáng)迫功率振蕩的特點(diǎn)。所得研究結(jié)果對深入理解強(qiáng)迫功率振蕩的發(fā)生機(jī)理和研究抑制措施具有重要的參考意義。
　　(2)提出了一種基于復(fù)調(diào)制細(xì)化譜分析(Zoom-FFT)和反距離加權(quán)插值(IDW)的強(qiáng)迫功率振蕩判別方法。通過對負(fù)阻尼機(jī)理低頻振蕩和強(qiáng)迫功率振蕩進(jìn)

4、行頻譜分析，研究兩種低頻振蕩的頻譜特征，并提煉振蕩性質(zhì)的判據(jù)。據(jù)此提出一種基于頻域分析的強(qiáng)迫功率振蕩判別方法。該方法采用Zoom-FFT分析振蕩數(shù)據(jù)得到低頻振蕩的頻譜，具有計(jì)算量小和分辨率高的特點(diǎn)，能夠有效區(qū)別兩種振蕩的頻譜特征。進(jìn)一步采用IDW方法對所得頻譜進(jìn)行插值擬合，計(jì)算判斷指標(biāo)，并結(jié)合能量閥值和權(quán)重閥值來判斷振蕩的性質(zhì)。最后，在四機(jī)兩區(qū)仿真系統(tǒng)和華東電網(wǎng)實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明了所提方法的有效性、抗噪性和魯棒性。
　　

5、(3)考慮擾動形式的多樣性和電網(wǎng)振蕩模態(tài)的復(fù)雜性，研究了擾動特性和振蕩模態(tài)特性對強(qiáng)迫功率振蕩響應(yīng)的影響機(jī)理以及它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。綜合采用時域分析和頻域分析方法，探究了擾動的表現(xiàn)形式、頻率、幅值以及振蕩模態(tài)的頻率、阻尼比特性等與強(qiáng)迫功率振蕩響應(yīng)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，歸納分析其影響規(guī)律。通過數(shù)值計(jì)算和模型仿真對所得結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，所得結(jié)論為強(qiáng)迫功率振蕩的抑制打下理論基礎(chǔ)。
　　(4)考慮強(qiáng)迫功率振蕩特性和多種振蕩模態(tài)，提出一種基于粒子群優(yōu)化

6、算法(PSO)的用于抑制強(qiáng)迫功率振蕩的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的PSS大多針對負(fù)阻尼機(jī)理低頻振蕩進(jìn)行設(shè)計(jì)，而未考慮強(qiáng)迫功率振蕩特性。本文在分析PSS抑制強(qiáng)迫功率振蕩原理的基礎(chǔ)上，針對強(qiáng)迫功率振蕩設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，考慮強(qiáng)迫功率振蕩模態(tài)特性分配加權(quán)因子，并采用PSO獲得PSS參數(shù)。最后在四機(jī)兩區(qū)系統(tǒng)中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明本方法對強(qiáng)迫功率振蕩的抑制效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的PSS，并且保持了其抑制負(fù)阻尼機(jī)理低頻振蕩的良好效果。

7、　　(5)基于強(qiáng)迫功率振蕩的發(fā)生機(jī)理，研究了含有儲能單元的靜止同步補(bǔ)償器(E-STATCOM)抑制強(qiáng)迫功率振蕩的原理，理論分析并證明了其抑制強(qiáng)迫功率振蕩能力的優(yōu)越性。闡述了E-STATCOM的結(jié)構(gòu)與工作原理，通過建立包含E-STATCOM的電力系統(tǒng)模型，詳細(xì)分析其注入的有功和無功功率對強(qiáng)迫功率振蕩的影響機(jī)理。從理論上分析證明E-STATCOM完全抑制強(qiáng)迫功率振蕩的可行性，以及相比于只能提供無功功率的STATCOM，E-STATCOM在抑

8、制強(qiáng)迫功率振蕩方面的優(yōu)越性。
　　(6)考慮強(qiáng)迫功率振蕩具有持續(xù)能量注入的特征，從能量控制的角度提出了基于諧振控制器的E-STATCOM抑制強(qiáng)迫功率振蕩的方法。采用諧振控制器對從擾動源所在區(qū)域流向系統(tǒng)其它部分的有功和無功功率分別進(jìn)行閉環(huán)控制，使得向系統(tǒng)其它部分傳播的強(qiáng)迫功率振蕩被完全抑制?；诤蠩-STATCOM的電力系統(tǒng)模型，從理論上分析了所提控制方法抑制強(qiáng)迫功率振蕩的原理。此外，詳細(xì)研究了采用所提方法時E-STATCOM的安