CN103997047B - 一种点对网系统的次同步振荡建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种点对网系统的次同步振荡建模方法，包括以下步骤：以电力系统的研究机组、串补输电线路和以及以串补输电线路端点为中心的扩展网络作为点对网系统的初始建模规模，在其边界点等值为阻抗后的电压源模型，形成初始建模模型；根据形成的建模模型，用prony算法获得建模模型次同步振荡扭振模态特征值并分析其次同步振荡扭振模态特征值判断中的参数是否相同，确定建模模型是否合理。本发明在合适范围内建模了既能满足仿真时间要求又能符合工程研究精度需求的电磁暂态模型，提高了分析次同步振荡问题的效率和可操作性。

Description

一种点对网系统的次同步振荡建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种点对网系统的次同步振荡建模方法。

背景技术

远距离交流串联补偿输电工程已经大量投运，使次同步振荡成为威胁我国电网安全的重要因素之一。如伊敏、绥中、上都、宝日希勒、盘南、锦界、托克托、神木、府谷以及阳城等众多大型火电厂都通过串联补偿输电线路接入系统，均存在较严重的次同步振荡威胁。

面对复杂的大规模电力系统，建立全系统详细电磁暂态模型进行实际工程研究，无疑是理论上最为精确的方法。但是，大规模的电磁暂态仿真不仅在时间消耗上难以忍受，而且小步长的迭代误差积累也会使仿真结果失去参考价值。

与低频振荡不同，次同步振荡仅在部分电力系统中传播，次同步振荡动态并不涉及全部电力系统电磁暂态模型，允许在合适范围内获得满足工程精度需要的电磁暂态模型。在合理范围之外的电网区域对次同步振荡的影响可以忽略，从而由外部区域决定的电压源模型的电阻参数对次同步的影响微弱可以忽略，为用电阻参数的变化来确定建模模型的合理性提供了依据。

据已有的参考文献《comparisonofSSRCalculationandTestResults》，指出外网等值模型的规模的对SSR结果有一定的影响，并用频率阻抗扫描法进行了验证，但未提出详细的建模方法。文献《一种适用于次同步谐振研究的电力系统外网等值方法》提出了一种外网等值方法。此文献是通过不同规模的频率阻抗曲线间的误差来确定外网建模规模的合理性。频率阻抗曲线只能间接反映对次同步振荡结果的影响，它们之间的差异并不能代表次同步振荡实际结果的差异，而真正反映次同步振荡本质的是其次同步振荡扭振模态特征值的差异。文献提出方法都是逐步扩大建模模型的规模，对比不同的建模模型来判断建模的合理性。已经建立的模型不能自身判断等值是否合理，必须多进行一次扩大规模的等值才能判断等值的合理性。对于通过逐步扩大范围建模问题，次同步振荡传统建模方法的保留区域较为保守，影响了实际分析结果，对于适用具体网络的初始建模范围还没有合适的方案。

发明内容

为了克服频率阻抗扫描曲线只是间接的反映次同步振荡分析结果的误差，已经建立的模型不能自身判断建模是否合理的不足，本发明提出一种点对网系统的次同步振荡建模方法。本发明指出了一个适用于点对网系统的较为合理的初始建模范围，通过比较等值模型的电阻参数变化对次同步振荡扭振模态特征值的影响确定建模模型合理性，有效的减少了建模的次数，提高了分析次同步振荡问题的效率和精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种点对网系统的次同步振荡建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以电力系统的研究机组、串补输电线路和以串补输电线路端点为中心的扩展网络作为点对网系统的初始建模规模，在初始建模规模的边界点处将外部网络等值为阻抗后的电压源模型，形成初始建模模型；

步骤2：根据形成的建模模型，用prony算法获得建模模型的次同步振荡扭振模态特征值其中是模态特征值；是模态阻尼；是模态频率；j为虚部标志；

步骤3：忽略建模模型中电压源模型的电阻参数，并用prony算法获得其次同步振荡扭振模态特征值其中是模态特征值；是模态阻尼；是模态频率；j为虚部标志；

步骤4：当特征值中参数满足则确定此建模模型合理；否则，根据的值，扩大建模规模，并在建模规模的边界点处将外部网络等值为阻抗后的电压源模型，形成新的建模模型，重复步骤2,步骤3，步骤4直到满足式：则确定为最终的建模模型。

进一步地，步骤1中的扩展网络是：与串补输电线路末端节点间接相连的最短电气距离为3到6个母线节点规模，如果串补输电线路末端节点附近为环网，则保留1到2个层次的环网模型规模，以及串补输电线路末端节点附近的大负荷模型。

进一步地，步骤2中所述的用prony算法获得建模模型的次同步振荡扭振模态特征值是：运行建模模型，获得转速偏差曲线，利用prony算法程序分析转速偏差曲线，提取次同步振荡扭振模态特征值

进一步地，中的参数是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的衰减因子，是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的频率，prony算法程序将参数 保留两位有效数字,i为次同步振荡扭振模态的个数。

进一步地，步骤3中所述的忽略建模模型中电压源模型的电阻参数，并用prony算法获得其次同步振荡扭振模态特征值将建模模型中电压源模型的电阻参数值调为0，电抗参数值不变，重新调节研究机组发电功率与去电阻值之前相同，运行建模模型，获得转速偏差曲线，利用prony算法程序分析转速偏差曲线，提取次同步振荡扭振模态特征值其中：是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的衰减因子，是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的频率，prony算法程序一般将参数保留两位有效数字,i为次同步振荡扭振模态的个数。

进一步地，步骤4中所述的根据的值，扩大建模规模是：计算出的值，当值小于1％时，建模规模以建模模型的边界点为中心向外扩展至与其相连的电气距离最短的1到2个节点，当值大于1％到5％时，建模规模以建模模型的边界点为中心向外扩展至与其相连的电气距离最短的2到6个节点，若扩展建模规模边界区域存在环网模型，一般以环网模型的节点为扩展建模规模的边界点，其中：初始建模模型保证在5％之内。

进一步地，边界点是建模规模边界上与外网相连的节点，如果边界附近存在环网模型，以环网模型的节点为边界点。

本发明的有益效果是：

1.指出了一个适用于点对网系统的初始建模范围，使初次建模模型较为接近实际的建模模型。有效的减少了此后的建模次数，提高了次同步振荡结果的精确度。改善了传统建模方法的建模规模较为保守，影响了次同步振荡分析的精确度的问题。

2.以系统的频率阻抗作为评价指标只能间接反映对次同步振荡结果的影响，不能代表次同步振荡实际结果的差异，对此，本发明以系统的次同步振荡扭振模态特征值作为评价指标，从本质上揭示了不同模型次同步振荡结果的影响。

3.提出了一种确定建模模型合理性的判据：根据现有的对SSR模态在电网中传递特性的认识，当系统建模模型的规模达到一定的程度时，进一步扩大建模规模对次同步振荡结果的影响可忽略不计，此时由建模规模区域外网络决定的电压源模型的电阻参数变化前后的建模模型的次同步振荡扭振模态特征值保留一定位数的有效数字后是相同的。基于此，本发明提出通过比较建模模型去电阻参数前后的次同步振荡扭振模态特征值变化来判断建模模型的合理性。此种判断方法，一是可以避免已经建立的模型必须多进行一次扩大规模的建模才能判断合理性，减少了等值次数；二是去电阻参数前后的特征值差异程度很好的反映了建模模型距离最终合理建模模型的差异程度，为下一步扩展合理的建模规模提供了数据参考。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的步骤示意图。

图2是初步建模模型范围示意图。

图3是最终建模模型范围示意图。

具体实施方式

以下结合附图1、2、3进一步说明本发明的技术方案。

一种点对网系统的次同步振荡建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以电力系统的研究机组、串补输电线路和以串补输电线路端点为中心的扩展网络作为点对网系统的初始建模规模，在初始建模规模的边界点处将外部网络等值为阻抗后的电压源模型，形成初始建模模型；

步骤2：根据形成的建模模型，用prony算法获得建模模型的次同步振荡扭振模态特征值其中是模态特征值；是模态阻尼；是模态频率；j为虚部标志；

步骤3：忽略建模模型中电压源模型的电阻参数，并用prony算法获得其次同步振荡扭振模态特征值其中是模态特征值；是模态阻尼；是模态频率；j为虚部标志；

步骤4：当特征值中参数满足则确定此建模模型合理；否则，根据的值，扩大建模规模，并在建模规模的边界点处将外部网络等值为阻抗后的电压源模型，形成新的建模模型，重复步骤2,步骤3，步骤4直到满足式：则确定为最终的建模模型。

步骤1中的扩展网络是：与串补输电线路末端节点间接相连的最短电气距离为3到6个母线节点规模，如果串补输电线路末端节点附近为环网，则保留1到2个层次的环网模型规模，以及串补输电线路末端节点附近的大负荷模型。

步骤2中的用prony算法获得建模模型的次同步振荡扭振模态特征值是：运行建模模型，获得转速偏差曲线，利用prony算法程序分析转速偏差曲线，提取次同步振荡扭振模态特征值

中的参数是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的衰减因子，是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的频率，prony算法程序将参数保留两位有效数字,i为次同步振荡扭振模态的个数。

步骤3中的忽略建模模型中电压源模型的电阻参数，并用prony算法获得其次同步振荡扭振模态特征值将建模模型中电压源模型的电阻参数值调为0，电抗参数值不变，重新调节研究机组发电功率与去电阻值之前相同，运行建模模型，获得转速偏差曲线，利用prony算法程序分析转速偏差曲线，提取次同步振荡扭振模态特征值其中：是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的衰减因子，是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的频率，prony算法程序一般将参数保留两位有效数字,i为次同步振荡扭振模态的个数。

步骤4中的根据的值，扩大建模规模是：计算出的值，当值小于1％时，建模规模以建模模型的边界点为中心向外扩展至与其相连的电气距离最短的1到2个节点，当值大于1％到5％时，建模规模以建模模型的边界点为中心向外扩展至与其相连的电气距离最短的2到6个节点，若扩展建模规模边界区域存在环网模型，一般以环网模型的节点为扩展建模规模的边界点，其中：初始建模模型保证在5％之内。

边界点是建模规模边界上与外网相连的节点，如果边界附近存在环网模型，以环网模型的节点为边界点。

实施例

本实施例应用改进的新西兰IEEE10机组39节点系统模型进行建模，在39节点加入一条串联补偿线路和一台900MW发电机组，并将两个39节点系统模型合并为一个78节点系统模型，重点研究39节点处施加发电机组的SSR问题，建模方法步骤如下：

步骤1：以电力系统的研究机组和串补输电线路，以及以串补输电线路端点为中心的扩展网络作为点对网系统的初始建模规模，在其边界点等值为阻抗后的电压源模型，形成初始建模模型。

所述的扩展网络是：与串补输电线路末端节点间接相连的最短电气距离为3到6个母线节点规模，如果串补输电线路末端节点附近为环网，则保留1到2个层次的环网模型规模，以及串补输电线路末端节点附近的大负荷模型，其中：边界点是建模规模边界上与外网相连的节点，如果边界附近存在环网模型，一般以环网模型的节点为边界点。

本实施例的初始建模模型是：以电力系统的研究机组和串补输电线路，以及39节点间接相连的最短电气距离为3到6个母线节点规模，兼顾串补输电线路末端39节点附近为环网，保留2个层次的环网模型规模，以及保留39节点处的大负荷模型为初始建模规模，包括了26、27、17、16节点左边的所有区域，具体如图1所示；以环网模型的节点16节点和26节点为边界点，在两个边界点用传统次同步振荡建模方法等值为阻抗后的电压源模型，形成初始建模模型。

步骤2：根据形成的建模模型，用prony算法获得建模模型的次同步振荡扭振模态特征值 ${\mathrm{\λ}}_1^i={\mathrm{\σ}}_1^i+{\mathrm{jf}}_1^i.$

所述的prony算法获得建模模型次同步振荡扭振模态特征值是：运行建模模型，获得转速偏差曲线，利用prony算法程序分析转速偏差曲线，提取次同步振荡扭振模态特征值

所述的中的参数是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的衰减因子，是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的频率，prony算法程序一般将参数保留两位有效数字,i为次同步振荡扭振模态的个数。

本实施例中是获得39节点处研究机组转速偏差曲线，利用prony算法程序分析转速偏差曲线，提取次同步振荡对应的主要次同步振荡扭振模态特征值。

步骤3：忽略建模模型中电压源模型的电阻参数，并用prony算法获得其次同步振荡扭振模态特征值 ${\mathrm{\λ}}_2^i={\mathrm{\σ}}_2^i+{\mathrm{jf}}_2^i.$

所述的忽略此建模模型中电压源模型的电阻参数，并用prony算法获得其次同步振荡扭振模态特征值其特征在于：将建模模型中电压源模型的电阻参数值调为0，电抗参数值不变，重新调节研究机组发电功率与去电阻值之前相同，运行建模模型，获得转速偏差曲线，利用prony算法程序分析转速偏差曲线，提取次同步振荡扭振模态特征值其中：是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的衰减因子，是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的频率，prony算法程序一般将参数保留两位有效数字,i为次同步振荡扭振模态的个数。

本实施例中，将建模模型边界点处的电压源模型的电阻参数全部调为0，初始建模模型时，将26节点和16节点处电压源模型的电阻参数调为0，然后运行建模模型，获得39节点处研究机组转速偏差曲线，利用prony算法程序分析转速偏差曲线，提取次同步振荡扭振模态特征值。

步骤4：当特征值中参数满足

${\mathrm{\σ}}_1^i={\mathrm{\σ}}_2^i,$

则确定此建模模型合理；否则，根据的值，适当的进一步扩大建模规模，并在边界点等值为阻抗后的电压源模型，形成新的建模模型，重复步骤2,步骤3，步骤4直到满足式：

${\mathrm{\σ}}_1^i={\mathrm{\σ}}_2^i,$

则确定为最终的建模模型。

所述的根据的值，适当的进一步扩大建模规模是：计算出的值，当值小与1％时，建模规模以建模模型的边界点为中心向外扩展至与其相连的电气距离最短的1到2个节点，当值大于1％到5％时，建模规模以建模模型的边界点为中心向外扩展至与其相连的电气距离最短的2到6个节点，若扩展建模规模边界区域存在环网模型，一般以环网模型的节点为扩展建模规模的边界点，其中：初始建模模型一般会保证在5％之内。

本实施例中初始建模模型得到和不相同，则判断初始建模规模不合理，计算的值为2.86％，建模规模以建模模型的边界点为中心向外扩展至与其相连的电气距离最短的2到6个节点，且扩展建模规模边界区域存在环网模型，则取环网模型节点64、42、43、45为扩展规模边界点，在边界点出等值为电压源模型，形成新的建模模型，判断发现新的建模模型为最终的等值模型，建模规模如图2所示。

依据本实施例提供的系统，用prony算法分别计算5种不同建模规模模型的次同步振荡扭振模态特征值分析结果，其中不同建模规模分别是：模型1是传统次同步振荡建模方法对应模型；模型2是图1建模规模对应模型；模型3是图2建模规模对应模型；模型4是以55和65节点为边界点的建模模型；模型5是全系统标准模型。

表一：

对比不同模型的次同步振荡扭振模态特征值分析结果可知，随着等规模的扩大，与全系统模型的次同步振荡扭振模态特征值差异逐步缩小并且收敛，而且去电阻参数对模型次同步振荡扭振模态特征值的影响也是逐步缩小并且收敛；最终确定的建模范围对应的模型(模型3)，与全系统详细模型的次同步振荡扭振模态特征值差异最小，传统模型偏离全系统模型的最大阻尼误差为0.022，最终模型的最大阻尼偏差仅为0.005。

因此，与全系统次同步振荡扭振模态特征值的比较分析，验证了所提出的建模方法的有效性。

Claims (7)

1.一种点对网系统的次同步振荡建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以电力系统的研究机组、串补输电线路和以串补输电线路端点为中心的扩展网络作为点对网系统的初始建模规模，在初始建模规模的边界点处将外部网络等值为阻抗后的电压源模型，形成初始建模模型；

步骤2：根据形成的建模模型，用prony算法获得建模模型的次同步振荡扭振模态特征值其中是模态特征值；是模态阻尼；是模态频率；j为虚部标志；

步骤3：忽略建模模型中电压源模型的电阻参数，并用prony算法获得其次同步振荡扭振模态特征值其中是模态特征值；是模态阻尼；是模态频率；j为虚部标志；

步骤4：当特征值中参数满足则确定此建模模型合理；否则，根据的值，扩大建模规模，并在建模规模的边界点处将外部网络等值为阻抗后的电压源模型，形成新的建模模型，重复步骤2,步骤3，

步骤4直到满足式：则确定为最终的建模模型。

2.根据权利要求1所述的一种点对网系统的次同步振荡建模方法，其特征在于：所述步骤1中的扩展网络是：与串补输电线路末端节点间接相连的最短电气距离为3到6个母线节点规模，如果串补输电线路末端节点附近为环网，则保留1到2个层次的环网模型规模，以及串补输电线路末端节点附近的大负荷模型。

3.根据权利要求1所述的一种点对网系统的次同步振荡建模方法，其特征在于：所述步骤2中所述的用prony算法获得建模模型的次同步振荡扭振模态特征值是：运行建模模型，获得转速偏差曲线，利用prony算法程序分析转速偏差曲线，提取次同步振荡扭振模态特征值

4.根据权利要求3所述的一种点对网系统的次同步振荡建模方法，其特征在于：所述的中的参数是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的衰减因子，是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的频率，prony算法程序将参数保留两位有效数字,i为次同步振荡扭振模态的个数。

5.根据权利要求1所述的一种点对网系统的次同步振荡建模方法，其特征在于：所述步骤3中所述的忽略建模模型中电压源模型的电阻参数，并用prony算法获得其次同步振荡扭振模态特征值将建模模型中电压源模型的电阻参数值调为0，电抗参数值不变，重新调节研究机组发电功率与去电阻值之前相同，运行建模模型，获得转速偏差曲线，利用prony算法程序分析转速偏差曲线，提取次同步振荡扭振模态特征值其中：是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的衰减因子，是用prony算法得出的第i个次同步振荡扭振模态的频率，prony算法程序一般将参数保留两位有效数字,i为次同步振荡扭振模态的个数。

6.根据权利要求1所述的一种点对网系统的次同步振荡建模方法，其特征在于：所述步骤4中所述的根据的值，扩大建模规模是：计算出的值，当值小于1％时，建模规模以建模模型的边界点为中心向外扩展至与其相连的电气距离最短的1到2个节点，当值大于1％到5％时，建模规模以建模模型的边界点为中心向外扩展至与其相连的电气距离最短的2到6个节点，若扩展建模规模边界区域存在环网模型，一般以环网模型的节点为扩展建模规模的边界点，其中：初始建模模型保证在5％之内。

7.根据权利要求2所述的一种点对网系统的次同步振荡建模方法，其特征在于：边界点是建模规模边界上与外网相连的节点，如果边界附近存在环网模型，以环网模型的节点为边界点。