CN108462169B - 一种提高电力系统暂态稳定的切机切负荷量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高电力系统暂态稳定的切机切负荷量计算方法，属于电力系统稳定领域。本发明的方法是：当识别到系统有失稳迹象时依据故障切除前后功角不能突变原理计算故障切除后相平面上发电机角速度与功角的关系；然后根据发电机角速度与功角关系计算使系统稳定的最小拟切机量；选取系统的输电断面，并通过输电断面上功率与电压幅值、电压相位的关系计算切机切负荷的比例。最终得到系统的实际切机切负荷量。本发明提出的切机切负荷量的计算方法可以使有失稳迹象的系统快速得到是系统电压稳定与功角稳定的最小切机切负荷量。

Description

一种提高电力系统暂态稳定的切机切负荷量计算方法

技术领域

本发明涉及一种提高电力系统暂态稳定的切机切负荷量计算方法，属于电力系统稳定领域。

背景技术

现代电力系统已发展为大规模的区域电网互联系统。电网跨区域互联带来巨大经济利益的同时，也会使暂态稳定性问题更加复杂。暂态不稳定性仍然是现代电力系统面临的最大威胁之一。有效的实时暂态稳定性预测和应急控制至关重要。传统采用的暂态稳定紧急控制策略主要是通过“离线制定策略表，实时匹配”的控制方法，控制策略的有效性基于电力系统网络模型和元件参数的准确性，但是系统的模型和参数是往往难以准确得到的。随着广域测量系统(WAMS)的广泛应用，基于PMU/WAMS的实时电力系统暂态不稳定性问题已成为热点研究课题之一，使电力系统实现实时暂稳识别与紧急控制成为可能。

系统发生暂态失稳问题，其本质是发生大扰动后的系统送端功率过剩或者是受端有功不足，导致发电机组无法保存同步运行，同时也可能带来电压失稳问题。在电力系统很多的失稳场景中，电压失稳和功角失稳往往交织在一起，难以区分出是电压失稳还是功角失稳的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提高电力系统暂态稳定的切机切负荷量计算方法，以用于计算出提高电力系统稳定的最优切机、切负荷量。

本发明采用的技术方案是：一种提高电力系统暂态稳定的切机切负荷量计算方法，包括如下步骤：

step1、计算在故障切除后相平面上发电机角速度与功角的关系:

式(1)中：δ₁为故障切除后发电机功角；Δω₁(δ₁)为故障切除后发电机角速度；ω₀为同步发电机角速度，电力系统中取ω₀＝100π；M为发电机转动惯量；P_M为发电机机械功率；P_e1(δ₁)为故障切除后发电机电磁功率；C₁是根据故障切除前后相平面轨迹的连续性求出的值；

step 2、计算使系统稳定的最小拟切机量：

步骤S1、对发电机电磁功率进行拟合：

P_e1(δ₁)＝A+Bsin(δ₁-C) (2)

步骤S2、计算系统的不稳定平衡点：

步骤S3、计算使系统稳定的最小切机量：

式(2)、(3)、(4)中：A，B，C是待求常数，可以通过电力系统中发电机功角和电磁功率的历史数据，依据最小二乘法辨识得到；δ₁为故障切除后发电机功角；δ_UEP不稳定平衡点；ω₀为同步发电机角速度，电力系统中取ω₀＝100π；M为发电机转动惯量；P_M为发电机机械功率；P_e1(δ₁)为故障切除后发电机电磁功率；C₁是根据故障切除前后相平面轨迹的连续性求出来的值；

step 3、根据输电断面计算切机切负荷比例：

步骤S1、计算输电断面上母线电压相角变化而带来的功率变化：

步骤S2、计算输电断面上由母线幅值变化而带来的功率变化：

步骤S3、计算切机切负荷的比例：

式(5)、(6)、(7)中：ΔP_θ为输电断面上母线电压相角变化而带来的功率变化量；U_A、U_B分别为输电断面两侧母线电压幅值；θ为输电断面两侧母线电压相位差；Δθ输电断面两侧母线电压相位差变化量；X_∑、R_∑分别为输电断面电抗和电阻；ΔP_u为输电断面上由母线电压幅值变化而带来的功率变化量；α＝π/2-arctg(X_∑/R_∑)；ΔU_A、ΔU_B分别为输电断面两侧电压幅值变化量；S₁为切负荷比例、S₂为切机比例；

step4、计算实际系统的切机切负荷量：

式(8)中：ΔP_M为实际切机量、ΔP_L为实际切负荷量。

本发明的有益效果是：

1、本发明从相平面轨迹特征出发，可以仅仅依靠少量信息就可计算使系统稳定的最小切机量。

2、本发明结合输电断面上的信息，计算了最小切机切负荷量比例。

3、该方法充分考虑电压稳定和功角稳定的耦合关系，避免了以往仅仅依靠切机来提高系统稳定性的不足。

附图说明

图1为3机9节点系统示意图；

图2为故障下各发电机功角示意图图；

图3为故障下母线节点电压示意图；

图4为故障下发电机角速度与功角关系示意图；

图5为切机切负荷后发各电机功角示意图；

图6为切机切负荷后各节点母线电压示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的说明。

实施例1：如图1-6所示，一种提高电力系统暂态稳定的切机切负荷量计算方法，以用于计算出提高电力系统稳定的最优切机、切负荷量，具体包括如下步骤：

step1、计算在故障切除后相平面上发电机角速度与功角的关系:

式(1)中：δ₁为故障切除后发电机功角；Δω₁(δ₁)为故障切除后发电机角速度；ω₀为同步发电机角速度，电力系统中取ω₀＝100π；M为发电机转动惯量；P_M为发电机机械功率；P_e1(δ₁)为故障切除后发电机电磁功率；C₁是根据故障切除前后相平面轨迹的连续性求出的值；

step 2、计算使系统稳定的最小拟切机量：

步骤S1、对发电机电磁功率进行拟合：

P_e1(δ₁)＝A+Bsin(δ₁-C) (2)

步骤S2、计算系统的不稳定平衡点：

步骤S3、计算使系统稳定的最小切机量：

式(2)、(3)、(4)中：A，B，C是待求常数，可以通过电力系统中发电机功角和电磁功率的历史数据，依据最小二乘法辨识得到；δ₁为故障切除后发电机功角；δ_UEP不稳定平衡点；ω₀为同步发电机角速度，电力系统中取ω₀＝100π；M为发电机转动惯量；P_M为发电机机械功率；P_e1(δ₁)为故障切除后发电机电磁功率；C₁是根据故障切除前后相平面轨迹的连续性求出来的值；

step 3、根据输电断面计算切机切负荷比例：

步骤S1、计算输电断面上母线电压相角变化而带来的功率变化：

步骤S2、计算输电断面上由母线幅值变化而带来的功率变化：

步骤S3、计算切机切负荷的比例：

式(5)、(6)、(7)中：ΔP_θ为输电断面上母线电压相角变化而带来的功率变化量；U_A、U_B分别为输电断面两侧母线电压幅值；θ为输电断面两侧母线电压相位差；Δθ输电断面两侧母线电压相位差变化量；X_∑、R_∑分别为输电断面电抗和电阻；ΔP_u为输电断面上由母线电压幅值变化而带来的功率变化量；α＝π/2-arctg(X_∑/R_∑)；ΔU_A、ΔU_B分别为输电断面两侧电压幅值变化量；S₁为切负荷比例、S₂为切机比例；

step4、计算实际系统的切机切负荷量：

式(8)中：ΔP_M为实际切机量、ΔP_L为实际切负荷量。

采用所述步骤S1的具体原因如下：

(1)在单机无穷大系统中，忽略阻尼，不计调节器和调速器作用，描述发电机暂态过程的数学表达式如下：

(2)根据(9)式，可以推导得发电机暂态过程中发电机角速度与功角的关系：

(3)根据故障切除后的发电机状态属于暂态过程中的特殊阶段，根据(10)式，故障切除后，相平面上发电机角速度与功角的关系关系：

式(9)、(10)(11)中：δ为暂态过程中发电机功角；Δω(δ)为暂态过程中发电机角速度；ω₀为同步发电机角速度，电力系统中取ω₀＝100π；M为发电机转动惯量；P_M为发电机机械功率；P_e(δ)为故障切除发电机电磁功率；C_i是根据暂态过程相平面轨迹的连续性求出的值；δ₁为故障切除后发电机功角；Δω₁(δ₁)为故障切除后发电机角速度；P_e1(δ₁)为故障切除发电机电磁功率；C₁是根据故障切除前后相平面轨迹的连续性求出的值；

采用所述步骤S2的具体原因如下：

(1)当辨识出系统将失稳时，应当采取紧急控制措施，对于单机系统，可以假定切机比例为λ，切除出力的同时也减小了惯性，根据切机后发电机状态属于暂态过程中的特殊阶段，根据(10)式，因此切机后的相平面轨迹为

式(12)中：Δω₂(δ₂)为切机后发电机角速度；P_e2(δ₂)为切机后发电机电磁功率，一般情况下假设切机前后电磁功率相等，即P_e1(δ₁)＝P_e2(δ₂)；C₂是根据切机前后相平面轨迹的连续性求出来的值。

(2)其中，最小拟切机量就是使得角速度满足Δω₂(δ_UEP)＝0，为了简化计算用C₁代替C₂，由(12)式化简可求得：

(3)最终得到最小切机量：

采用所述步骤S3的具体原因如下：

(1)对于只含有送端和受端的等值电力系统，输电断面上传输的功率可由下式确定：

(2)对输电断面输送的功率进行微分可得：

式中，

举例说明：为了验证本文所提切机切负荷算法的准确性和可行性，以IEEE3机9节点系统为例，图1中数字1-9表示9个节点，应用PSAT软件对系统进行仿真。计算步长取0.02s，发电机为2阶模型，负荷为定阻抗模型。通过仿真计算得到发电机的功角、机械功率、角速度和电磁功率等参量计算所需切机切负荷量。

设置故障为母线7在1s接地短路，1.2s后继保动作切除母线5与母线7所连线路，发电机功角如图2所示，各母线节点电压如图3所示，可知系统将发生功角失稳和电压失稳，因此需要采取紧急控制措施。

步骤S1、计算在故障切除后相平面上发电机角速度与功角的关系，如图4所示。

步骤S2、计算使系统稳定的最小拟切机量，计算可得需切除发电机80MW。

步骤S3、根据输电断面计算切机切负荷比例，需切除发电机比例为7/8，负荷比例为1/8。

步骤S4、计算实际系统的切机切负荷量，可得切除发电机量为70MW，切除负荷量为10MW，对于在1.2s后切机切负荷后的发电机功角如图5所示，各节点电压如图6所示，可知切机切负荷后能使系统功角稳定和电压稳定。

在IEEE3机9节点仿真表明，本发明提出的切机切负荷量的计算方法可以使有失稳迹象的系统快速得到是系统电压稳定与功角稳定的最小切机切负荷量。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种提高电力系统暂态稳定的切机切负荷量计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

step1、计算在故障切除后相平面上发电机角速度与功角的关系:

式(1)中：δ₁为故障切除后发电机功角；Δω₁(δ₁)为故障切除后发电机角速度；ω₀为同步发电机角速度，电力系统中取ω₀＝100π；M为发电机转动惯量；P_M为发电机机械功率；P_e1(δ₁)为故障切除后发电机电磁功率；C₁是根据故障切除前后相平面轨迹的连续性求出的值；

step 2、计算使系统稳定的最小拟切机量：

步骤S1、对发电机电磁功率进行拟合：

P_e1(δ₁)＝A+B sin(δ₁-C) (2)

步骤S2、计算系统的不稳定平衡点：

步骤S3、计算使系统稳定的最小切机量：

式(2)、(3)、(4)中：A，B，C是待求常数，可以通过电力系统中发电机功角和电磁功率的历史数据，依据最小二乘法辨识得到；δ₁为故障切除后发电机功角；δ_UEP不稳定平衡点；ω₀为同步发电机角速度，电力系统中取ω₀＝100π；M为发电机转动惯量；P_M为发电机机械功率；P_e1(δ₁)为故障切除后发电机电磁功率；C₁是根据故障切除前后相平面轨迹的连续性求出来的值；

step 3、根据输电断面计算切机切负荷比例：

步骤S1、计算输电断面上母线电压相角变化而带来的功率变化：

步骤S2、计算输电断面上由母线幅值变化而带来的功率变化：

步骤S3、计算切机切负荷的比例：

式(5)、(6)、(7)中：ΔP_θ为输电断面上母线电压相角变化而带来的功率变化量；U_A、U_B分别为输电断面两侧母线电压幅值；θ为输电断面两侧母线电压相位差；Δθ输电断面两侧母线电压相位差变化量；X_∑、R_∑分别为输电断面电抗和电阻；ΔP_u为输电断面上由母线电压幅值变化而带来的功率变化量；α＝π/2-arctg(X_∑/R_∑)；ΔU_A、ΔU_B分别为输电断面两侧电压幅值变化量；S₁为切负荷比例、S₂为切机比例；

step4、计算实际系统的切机切负荷量：

式(8)中：ΔP_M为实际切机量、ΔP_L为实际切负荷量。

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