CN103778283B - 一种基于pscad的电气复转矩系数扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力系统稳定控制领域的一种基于PSCAD的电气复转矩系数扫描方法。该方法为：1）在电磁暂态软件上加载电气复转矩系数扫描模块；2）输入电气参数和扫描参数；3）根据扫描频率产生一个小幅值的扰动，对于已进入稳定状态的电力系统，将此扰动施加于转子机械转矩之上；4）到系统再次进入稳态，提取发电机电磁转矩信号和转子角速度响应量，计算电气复转矩系数；5）判断此扫描频率是否超过截止频率，若没超过，则在此频率基础上加一个扫描步长，返回步骤3），扫描下一个频率点的电气复转矩系数；若超过，则停止计算，完成扫描。本发明实现了在时域仿真软件上对电气复转矩系数法的自动扫描，仿真方法速度快、成本低。

Description

一种基于PSCAD的电气复转矩系数扫描方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定控制领域，并且特别地涉及一种基于PSCAD的电气复转矩系数扫描方法。

背景技术

电力系统次同步振荡（Subsynchronous Oscillation，SSO）是一种严重的稳定性问题，它会导致发电机组大轴的疲劳积累，甚至断裂，严重威胁着电力系统的安全运行。串联电容补偿输电线路或直流输电系统都有可能引起发电机组与电网之间不良的相互作用从而导致次同步振荡。上世纪70年代，在美国Square Butte高压直流输电工程调试过程中，首次发现了由HVDC引起的汽轮发电机组的SSO问题。后来，在美国的CU、IPP，印度的Rihand-Deli，瑞典的Fenno-Skan等高压直流输电工程中，都表明了有可能导致SSO。

截至到2012年底，全国已投入运行的串补容量超过30.688Gvar，其中可控串补工程有3个，总容量为849.8Mvar。到2020年，国家电网公司将有约40个HVDC工程投入运营，其中很大一部分直流工程负责相关大型火电基地的电力外送任务，这些HVDC工程容量大、电压等级高、输电距离远，而且由于送端主要是超临界、超超临界的大型火电机组，这使得直流控制系统引发的SSO问题越来越突出。其中，葛南、天广二回、高岭和呼辽等直流工程曾发现存在HVDC引发SSO的风险。因此，深入分析、研究可能引发的SSO已成为一个重要的技术问题。

复转矩系数分析法是I.M.Canay先生于1982年提出的一种次同步振荡分析方法。目前，对于电气复转矩系数，即可以通过系统的传递函数模型推导得到，也可以通过时域响应曲线计算得到，然后再根据复转矩系数法稳定判据和来分析轴系的稳定性。解析法由于尚未建立多FACTS装置在次频率范围内精确数学模型，应用有限，而时域响应曲线可以通过物理系统的测试得到，也可以通过仿真软件进行时域计算得到，其中仿真方法速度快、成本低，不受系统中多FACTS装置影响，得到了越来越多的应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种基于PSCAD的电气复转矩系数扫描方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

1）在电磁暂态软件上加载电气复转矩系数扫描模块；

2）通过电气复转矩系数扫描模块输入电气参数和扫描参数；

3）根据扫描频率f产生一个小幅值的扰动，对于已进入稳定状态的电力系统，将此扰动信号施加于转子机械转矩之上；

4）到系统再次进入稳态，提取出发电机电磁转矩信号和转子角速度响应量，计算电气复转矩系数；

5）判断此扫描频率是否超过截止频率，若没超过，则在此频率基础上加一个扫描步长，返回步骤3），扫描下一个频率点的电气复转矩系数；若超过，则停止计算，完成电气复转矩系数的扫描。

所述步骤1）中电气复转矩系数扫描模块包括：参数输入区，算法实现区，结果监测区，结果监测区实时监测电气弹性系数和电气阻尼系数的扫描数值，判断其是否有效；该模块通过数据接口与外部系统数据进行交换，实现参数输入区，算法实现区，结果监测区的封装。

所述步骤2）中电气参数有：系统工频，扰动量幅值；

扫描参数：起始频率，截止频率，扫描步长。

所述系统工频为50Hz或60Hz；所述扫描步长为0.1Hz至1Hz。

所述步骤3）中小扰动信号的产生形式为：

或

其中，λ<1，T_λ、分别是频率为λ的脉动转矩的幅值和初相位，T_λ为标幺值，介于0.005-0.05之间，使ΔT_m的值不至于破坏系统可线性化的假设条件。

所述步骤4）计算电气复转矩系数：

41）将发电机电磁转矩信号和转子角速度响应量进行Fourier分解，得出频率λ下的和其中表示发电机电磁转矩信号的向量形式；表示转子角速度响应量的向量形式；

42）求出频率为λ时的电气弹性系数K_e(λ)和电气阻尼转矩系数D_e(λ)，计算公式为：

$K_e\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\mathrm{j\&omega;Im}\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{T}}_e}{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}}\right)$

$D_e\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{T}}_e}{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}}\right).$

发明的有益效果：本发明实现了在时域仿真软件上对电气复转矩系数法的自动扫描，仿真方法速度快、成本低，不受系统中多FACTS装置影响，以辅助科研工作者或相关工程技术人员利用电力系统相关软件（PSCAD/EMTDC）进行电力系统次同步振荡方面研究。

附图说明

图1示出了本发明提出的用于电气复转矩系数扫描方法流程图。

图2示出了第一标准模型的电气复转矩弹性系数扫描结果；

图3示出了第一标准模型的电气阻尼转矩系数扫描结果；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所提出的方法做进一步的说明。

如图1所示为本发明提出的用于电气复转矩系数扫描方法流程图；该方法的具体步骤为：

1）在电磁暂态软件上加载电气复转矩系数扫描模块；

电气复转矩系数扫描模块包括：参数输入区，算法实现区，结果监测区，结果监测区实时监测电气弹性系数和电气阻尼系数的扫描数值，判断其是否有效；该模块通过数据接口与外部系统数据进行交换，实现参数输入区，算法实现区，结果监测区的封装。

2）通过电气复转矩系数扫描模块输入电气参数和扫描参数；

电气参数有：系统工频，扰动量幅值；系统工频为50Hz或60Hz。

扫描参数：起始频率，截止频率，扫描步长。扫描步长即扫描精度为0.1Hz至1Hz。

3）根据扫描频率f产生一个小幅值的扰动，对于已进入稳定状态的电力系统，将此扰动信号施加于转子机械转矩之上；

小扰动信号的产生形式为：

或

其中，λ<1，T_λ、分别是频率为λ的脉动转矩的幅值和初相位，T_λ为标幺值，介于0.005-0.05之间，使ΔT_m的值不至于破坏系统可线性化的假设条件。

4）到系统再次进入稳态，提取出发电机电磁转矩信号和转子角速度响应量，计算电气复转矩系数；

电气复转矩系数的具体计算步骤为：

41）将发电机电磁转矩信号和转子角速度响应量进行Fourier分解，得出频率λ下的和其中表示发电机电磁转矩信号的向量形式；表示转子角速度响应量的向量形式；

42）求出频率为λ时的电气弹性系数K_e(λ)和电气阻尼转矩系数D_e(λ)，计算公式为：

$K_e\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\mathrm{j\&omega;Im}\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{T}}_e}{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}}\right)$

$D_e\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{T}}_e}{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}}\right).$

5）判断此扫描频率是否超过截止频率，若没超过，则在此频率基础上加一个扫描步长，返回步骤3），扫描下一个频率点的电气复转矩系数；若超过，则停止计算，完成电气复转矩系数的扫描。

这里以次同步第一标准模型为例来介绍电气复转矩系数扫描方法。

步骤1：产生一个小扰动信号这里T_λ取0.02，取0。

步骤2：对于已进入稳定状态的电力系统，将此扰动信号施加于转子机械转矩之上。

步骤3：施加扰动转矩后，一直仿真到系统再次进入稳态，提取出发电机电磁转矩信号和转子角速度信号。

步骤4：将上述2个量进行Fourier分解，得出频率λ下的和根据下式求出电气弹性系数K_e(λ)和电气阻尼转矩系数D_e(λ)：

$K_e\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\mathrm{j\&omega;Im}\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{T}}_e}{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}}\right)$

$D_e\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{T}}_e}{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}}\right).$

步骤5：将扰动λ每次增加1Hz，直至60Hz（系统工频），重复步骤1到步骤4，即可得到0-60Hz内的电气复转矩系数。

如图2和图3所示为第一标准模型的电气复转矩弹性系数和电气阻尼转矩系数扫描结果；对于带串联电容补偿的简单电力系统来说，K_e(λ)的数值较小，在每个轴系自然扭振频率附近，不论串联电容补偿度如何变化，K_m(λ)+D_e(λ)=0所对应的频率与K_e(λ)=0处的频率相差都很小。

当定子回路与外电路相连接时，特别是具有串联补偿电容的外电路情况下，随着串联补偿度的增加，电气子系统产生的负阻尼也随着增大；从电气阻尼频率特性曲线上可以看出，在自然扭振频率处，电气子系统的电气阻尼系数最小，甚至可能为负值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于PSCAD的电气复转矩系数扫描方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

1)在电磁暂态软件上加载电气复转矩系数扫描模块；

2)通过电气复转矩系数扫描模块输入电气参数和扫描参数；

3)根据扫描频率f产生一个小幅值的扰动，对于已进入稳定状态的电力系统，将此扰动信号施加于转子机械转矩之上；

4)到系统再次进入稳态，提取出发电机电磁转矩信号和转子角速度响应量，计算电气复转矩系数；

5)判断此扫描频率是否超过截止频率，若没超过，则在此频率基础上加一个扫描步长，返回步骤3)，扫描下一个频率点的电气复转矩系数；若超过，则停止计算，完成电气复转矩系数的扫描；

所述步骤1)中电气复转矩系数扫描模块包括：参数输入区，算法实现区，结果监测区，结果监测区实时监测电气弹性系数和电气阻尼系数的扫描数值，判断其是否有效；该模块通过数据接口与外部系统数据进行交换，实现参数输入区，算法实现区，结果监测区的封装。

2.根据权利要求1所述的一种基于PSCAD的电气复转矩系数扫描方法，其特征在于，所述步骤2)中电气参数有：系统工频，扰动量幅值；

扫描参数：起始频率，截止频率，扫描步长。

3.根据权利要求2所述的一种基于PSCAD的电气复转矩系数扫描方法，其特征在于，所述系统工频为50Hz或60Hz；所述扫描步长为0.1Hz至1Hz。

4.根据权利要求1所述的一种基于PSCAD的电气复转矩系数扫描方法，其特征在于，所述步骤3)中小扰动信号的产生形式为：

或

其中，λ<1，T_λ、分别是频率为λ的脉动转矩的幅值和初相位，T_λ为标幺值，介于0.005-0.05之间，使ΔT_m的值不至于破坏系统可线性化的假设条件。

5.根据权利要求1所述的一种基于PSCAD的电气复转矩系数扫描方法，其特征在于，所述步骤4)计算电气复转矩系数：

41)将发电机电磁转矩信号和转子角速度响应量进行Fourier分解，得出频率λ下的和其中表示发电机电磁转矩信号的向量形式；表示转子角速度响应量的向量形式；

42)求出频率为λ时的电气弹性系数K_e(λ)和电气阻尼转矩系数D_e(λ)，计算公式为：

$K_e\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=j\mathrm{\&omega;}\mathrm{Im}\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{T}}_e}{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}}\right)$

$D_e\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{T}}_e}{\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}}\right).$