CN104036076A - 一种基于pscad的电气复转矩系数三维扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统仿真领域，尤其涉及一种基于PSCAD的电气复转矩系数三维扫描方法，通过在电磁暂态软件上加载电气复转矩系数三维扫描模块，根据串联补偿度计算串联补偿电容值，然后产生一个扰动施加于转子机械转矩之上；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；判断此扫描频率是否超过截止频率，若没超过则增加频率扫描步长，若超过则停止计算；判断此扫描补偿度是否超过截止补偿度，若没超过则增加补偿度扫描步长，若超过则完成三维扫描。本发明实现了对频率、补偿度的连续扫描，从而得到频率、补偿度、复转矩系数的三维曲线，仿真方法速度快、成本低，不受系统中多FACTS装置影响。

Description

一种基于PSCAD的电气复转矩系数三维扫描方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真领域，尤其涉及一种基于PSCAD的电气复转矩系数三维扫描方法。

背景技术

随着电力系统的不断扩大，超高压、远距离输电线路和大容量发电机组的投入运行以及为了提高电力系统稳定性和输电能力而采取的线路串联电容补偿和直流输电等措施，除了伴随而来的巨大经济效益外，也给电力系统的安全稳定运行带来了新的问题，电力系统次同步振荡就是其问题之一。

复转矩系数法是一种定量分析电力系统次同步振荡问题的方法。该方法用两个复转矩系数K_E(λ)和K_M(λ)分别表示次同步振荡时的电气转矩和机械转矩。其中，K_E(λ)和K_M(λ)的虚部分别表示电气部分和机械部分在振荡频率下的等效阻尼，通过对系统的频率扫描，并比较这两个等效阻尼系数的大小，可以判断系统是否存在次同步振荡的危险。

目前，对于电气复转矩系数，主要是通过仿真软件进行时域仿真计算得到。但是现有的计算电气复转矩系数的时域仿真方法一般只考虑到了电气复转矩系数与扫描频率之间的关系，而没有考虑到串联补偿度对电气复转矩系数的影响。

发明内容

为了详细地分析扫描频率、线路串联补偿度与电气复转矩系数的关系，本发明公开了一种基于PSCAD的电气复转矩系数三维扫描方法，主要步骤包括：

步骤1、在电磁暂态软件上加载电气复转矩系数三维扫描模块；

步骤2、通过电气复转矩系数三维扫描模块输入电气参数和扫描参数；

步骤3、根据串联补偿度计算串联补偿电容值；

步骤4、在算得线路串联补偿电容值的基础上，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，将此扰动施加于转子机械转矩之上；

步骤5、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；

步骤6、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频率扫描步长，返回步骤4，扫描下一个频率点的电气复转矩系数，若超过，则停止计算；

步骤7、判断此扫描补偿度是否超过截止补偿度，若没超过，则在此补偿度基础上加一个补偿度扫描步长，返回步骤3，扫描下一个补偿度情况下的电气复转矩系数，若超过，完成电气复转矩系数的三维扫描。

所述步骤1中电气复转矩系数三维扫描模块包括：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，线路电感值；扫描参数有：起始频率，截止频率，扫描步长，起始线路补偿度，截止线路补偿度，补偿度扫描步长。

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中串联补偿电容值的计算方法为：

$c=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{kL}}=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_b\right)}^2\mathrm{kL}}$

其中，f_b是系统工频，为50Hz或60Hz，ω为工频所对应的角频率，k为当前的系统串联补偿度，L是系统串联的电感值。

所述步骤4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5计算电气复转矩系数：

步骤501、将发电机电磁转矩信号和转子角速度响应量进行傅里叶分解，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；

步骤502、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：

$K_e\left(\mathrm{\λ}\right)=-\mathrm{\λIm}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}_e}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}\right)$

$D_e\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}_e}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}\right).$

发明的有益效果是实现了在时域仿真软件上对频率、补偿度的连续扫描，从而得到频率、补偿度、复转矩系数的三维曲线。仿真方法速度快、成本低，不受系统中多FACTS(Flexible Alternative Current Transmission Systems，柔性交流输电系统)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为本发明提出的用于电气复转矩系数三维扫描方法流程图；

图2为第一标准模型的电气复转矩弹性系数三维扫描结果；

图3为第一标准模型的电气复转矩阻尼系数三维扫描结果。

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三维扫描方法流程图；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三维扫描模块；

电气复转矩系数三维扫描模块包括：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三维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。起始线路补偿度，截止线路补偿度，补偿度扫描步长。扫描步长即扫描精度为0.1Hz至1Hz。

3)根据串联补偿度计算串联补偿电容值；

4)在算得线路串联补偿电容值的基础上，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。

5)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：

Ⅰ)将发电机电磁转矩信号和转子角速度响应量进行傅里叶分解，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；

Ⅱ)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：

$K_e\left(\mathrm{\λ}\right)=-\mathrm{\λIm}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}_e}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}\right)$

$D_e\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}_e}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}\right)$

6)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频率扫描步长，返回步骤4)，扫描下一个频率点的电气复转矩系数，若超过，则停止计算；

7)判断此扫描补偿度是否超过截止补偿度，若没超过，则在此补偿度基础上加一个补偿度扫描步长，返回步骤3)，扫描下一个补偿度情况下的电气复转矩系数，若超过，完成电气复转矩系数的三维扫描；

这里以次同步第一标准模型为例来介绍电气复转矩系数三维扫描方法。

步骤1：设置初始扫描补偿度为0.5，补偿度扫描步长为0.03，截止扫描补偿度为0.8；初始扫描频率为5Hz，频率扫描步长为0.5Hz，截止扫描频率为55Hz。

步骤2：根据串联补偿度计算串联补偿电容值；

步骤3：在算得线路串联补偿电容值的基础上，根据扫描频率产生一个小扰动信号这里T_λ取0.01，取0

步骤4：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5：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6：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)：

$K_e\left(\mathrm{\λ}\right)=-\mathrm{\λIm}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}_e}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}\right)$

$D_e\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}_e}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}\right)$

步骤7：将扰动λ每次增加0.5Hz，直至55Hz，重复步骤3到步骤6，即可得到当前补偿度情况下5-55Hz内的电气复转矩系数。

步骤8：将补偿度增加0.03，直至0.8，重复步骤2到步骤7，即可得到补偿度为0.5-0.8的情况下5-55Hz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三维扫描结果。

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)按上述具体步骤完成电气复转矩系数频率特性曲线三维扫描。通过这两个曲线研究系统电气部分弹性系数频率特性和阻尼系数频率特性，特别是阻尼系数频率特性，是研究电力系统次同步振荡的基础。具体可以用来判断装置投入、参数改变、控制策略变化等不同情况在不同串联补偿度下对系统电气阻尼的影响。

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 (7)

1.一种基于PSCAD的电气复转矩系数三维扫描方法，其特征在于，主要步骤包括：

步骤1、在电磁暂态软件上加载电气复转矩系数三维扫描模块；

步骤2、通过电气复转矩系数三维扫描模块输入电气参数和扫描参数；

步骤3、根据串联补偿度计算串联补偿电容值；

步骤4、在算得线路串联补偿电容值的基础上，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，将此扰动施加于转子机械转矩之上；

步骤5、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；

步骤6、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频率扫描步长，返回步骤4，扫描下一个频率点的电气复转矩系数，若超过，则停止计算；

步骤7、判断此扫描补偿度是否超过截止补偿度，若没超过，则在此补偿度基础上加一个补偿度扫描步长，返回步骤3，扫描下一个补偿度情况下的电气复转矩系数，若超过，完成电气复转矩系数的三维扫描。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中电气复转矩系数三维扫描模块包括：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。

3.根据权利要求1所述的方法，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，线路电感值；扫描参数有：起始频率，截止频率，扫描步长，起始线路补偿度，截止线路补偿度，补偿度扫描步长。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中系统工频为50Hz或60Hz；扫描步长为0.1Hz至1Hz。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中串联补偿电容值的计算方法为：

$c=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{kL}}=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_b\right)}^2\mathrm{kL}}$

其中，f_b是系统工频，为50Hz或60Hz，ω为工频所对应的角频率，k为当前的系统串联补偿度，L是系统串联的电感值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4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。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5计算电气复转矩系数：

步骤501、将发电机电磁转矩信号和转子角速度响应量进行傅里叶分解，得出频率λ下的和

步骤502、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：

$K_e\left(\mathrm{\λ}\right)=-\mathrm{\λIm}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}_e}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}\right)$

$D_e\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}_e}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}\right)$

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。