CN108879727B - 一种基于pss4b-l抑制超低频振荡的方法 - Google Patents

一种基于pss4b-l抑制超低频振荡的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PSS4B‑L抑制超低频振荡的方法，基于机组的运行工况确定超低频场景集，再计及上述场景集，通过设置PSS4B‑L带通环节、超前滞后环节、限幅环节相关变量的参数，结合一类多变量阻尼比灵敏度进行PSS4B‑L的最优选址进行判定，以确定PSS4B‑L的最优安装位置，最终达到抑制超低频振荡的目的。

Description

一种基于PSS4B-L抑制超低频振荡的方法
技术领域
本发明属于电网安全稳定控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于多频段电力系统稳定调节器低频段结构(PSS4B-L)抑制超低频振荡的方法。
背景技术
近年来，实际电网中发生多次频率低于0.1Hz的超低频振荡事件，2017年、锦苏直流进行孤岛实验期间，孤岛内部调速器失稳，导致系统出现频率约为0.07Hz的频率异常波动情况。云南电网在2016年进行异步联网实验时，网内产生了频率为0.05Hz，波动在49.9～50.1Hz之间的振荡，振荡持续25分钟，严重威胁了电力系统安全运行。因此就超低频振荡的机理进行分析，提出有效的超低频振荡的控制策略对于电力系统的安全稳定运行具有十分重要的意义。
针对超低频振荡的抑制问题，现有研究多是基于优化调速器参数来抑制超低频振荡，但该措施在抑制超低频振荡的同时会引起调速器调速性能的下降。而相关研究表明理论上可通过附加PSS抑制超低频振荡，但传统PSS在超低频段提供的阻尼较小，无法有效抑制超低频振荡。多频段结构的PSS4B通过独立调节各频段的增益、相位、限幅以及滤波器参数，为各个频段的振荡提供合适的阻尼，解决了传统PSS低频段抑制振荡能力不足的问题。鉴于此，本专利提出一种基于PSS4B-L抑制超低频振荡的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于PSS4B-L抑制超低频振荡的方法，通过在各种工况情形对PSS4B-L各环节参数进行整定以确保其具备鲁棒性，再结合一类多变量阻尼比灵敏度进行PSS4B-L的最优选址进行判定，以确定PSS4B-L的最优安装位置，最终达到抑制超低频振荡的目的。
为实现上述发明目的，本发明一种基于PSS4B-L抑制超低频振荡的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、依据水轮机组的运行工况，确定产生超低频振荡的场景集W，再对场景集内所有场景逐一进行辨识，形成振荡频率集F；
Figure GDA0002950905440000021
其中，wp表示产生超低频振荡的第p个场景，fp表示第p个场景所对应的超低频振荡频率；
(2)、基于多变量阻尼比相对灵敏度的PSS4B-L选址判定
(2.1)、计算第i种超低频振荡场景wi下，第k台发电机组配置PSS4B-L的多变量阻尼比相对灵敏度
Figure GDA0002950905440000022
其中，Sk_i为场景为wi时第k台发电机组的多变量阻尼比相对灵敏度；ξi为系统的超低频振荡模式阻尼比，Vk为第k台发电机组配置的PSS4B-L输出，ξi0为ξi的给定值，Vk0为变量Vk对应的稳态值，r为采样点，θ1,θ2,…,θm为PSS4B-L中各环节中的变量；对上式进行变形可得：
Figure GDA0002950905440000023
Figure GDA0002950905440000024
(2.2)、采用中值法计算
Figure GDA0002950905440000025
Figure GDA0002950905440000026
(2.3)、对
Figure GDA0002950905440000027
进行离散化处理，再计算各采样点绝对值的平均值：
Figure GDA0002950905440000028
其中，
Figure GDA0002950905440000029
为PSS4B-L的输出曲线上的总采样点数；
(2.4)、计算多变量阻尼比相对灵敏度的具体取值Ak_i：
Figure GDA00029509054400000210
(2.5)、重复步骤(2.1)-(2.4)依次计算场景集W内其余超低频振荡场景对PSS4B-L的多变量阻尼比相对灵敏度的取值；
(2.6)、对所有超低频振荡场景下的多变量阻尼比相对灵敏度的取值进行累加求均值处理，得到多种场景下的综合阻尼比灵敏度为：
Figure GDA0002950905440000031
其中，Ak_i为在场景i下的多变量阻尼比相对灵敏度的取值；
(2.7)、将第k台发电机在多种场景下的综合阻尼比灵敏度
Figure GDA0002950905440000032
与预设的阻尼比灵敏度阈值ψ比较，如果
Figure GDA0002950905440000033
则在第k台发电机组处安装PSS4B-L，否则不安装，并进入步骤(2.8)；
(2.8)、重复步骤(2.1)-(2.7)，继续判断剩余台发电机组处是否安装PSS4B-L，并在满足条件的发电机处安装上PSS4B-L；
(3)、设置PSS4B-L带通环节参数
Figure GDA0002950905440000034
其中，fd为带通环节的中心频率；R为带通的补偿系数，与带通宽度B相关；为了使各种工况情形下的振荡频率均在通频带内，fd和B满足如下关系：
Figure GDA0002950905440000035
其中，fmin与fmax为振荡频率集F中频率的最小值与最大值，δ为频率裕量；
(4)、设置PSS4B-L超前滞后相位环节以及幅值限幅环节参数
在多种工况情形，构建超低频振荡场景集的目标函数：
Figure GDA0002950905440000041
Figure GDA0002950905440000042
其中，ui为模型中待优化参数，其包含超前滞后相位环节以及幅值限幅环节中所有待优化参数，U为其可行域；α(ui,wi)为在场景wi情形时，系统的待优化参数设置为ui时，超低频振荡模式所对应的实部，ξ'min(ui,wi)为除了超低频振荡模式外的其他振荡模式中阻尼最小值，ξ0为给定阻尼下限值；
(5)、根据上述步骤(2)中各发电机组所确定的安装PSS4B-L的位置，并结合步骤(3)、(4)设置的各参数，对系统进行模式识别，达到抑制系统的超低频振荡。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于PSS4B-L抑制超低频振荡的方法，基于机组的运行工况确定超低频场景集，再计及上述场景集，通过设置PSS4B-L带通环节、超前滞后环节、限幅环节相关变量的参数，结合一类多变量阻尼比灵敏度进行PSS4B-L的最优选址进行判定，以确定PSS4B-L的最优安装位置，最终达到抑制超低频振荡的目的。
同时，本发明基于PSS4B-L抑制超低频振荡的方法还应具有以下有益效果：
(1)、本发明提出的PSS4B-L参数设置方法充分考虑系统的多种工况情形，整定所得的PSS4B-L参数具备较好的鲁棒性，在多种工况情形下均具有较好的抑制超低频振荡能力；
(2)、依据多变量阻尼比灵敏度可识别超低频振荡模式的强相关机组，在灵敏度较大处安装PSS4B-L具有更佳的控制效果。
附图说明
图1是本发明基于PSS4B-L抑制超低频振荡的方法流程图；
图2是PSS4B-L的结构图；
图3是西南某区域水电模型图；
图4是配置PSS4B-L前后系统部分机组的频率偏差的波动曲线；
图5场景2情形下配置PSS4B-L前后川江边#1机组频率偏差曲线；
图6场景4情形下配置PSS4B-L前后川江边#1机组频率偏差曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明基于PSS4B-L抑制超低频振荡的方法流程图。
在本实施例中，将上述措施应用西南某区域水电进行实例分析，系统等值简化拓扑如图3所示，包含17台水电机组，为更加精细的反映系统机电暂态特性，发电机组均采用五阶模型。水电机组总装机容量约为1200MW，区域内负荷可忽略不计，水电机群产生的功率通过升压接入220KV电网，然后汇集至川九龙220KV变电站，最后经升压至500KV与主网进行连接实现外送。
下面我们结合图1和图3，对本发明一种基于PSS4B-L抑制超低频振荡的方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
S1、结合图3所示的水电模型拓扑图，依据水轮机组的运行工况，以不同的水锤效应时间常数值进行表征，通过调整部分水轮机组水锤效应时间常数值，形成如表1所示场景集；
场景集 川江边#1 川穿偏桥#1 川五一桥#1 川沙坪#1 川踏卡#1
场景1 2.0 2.0 2.0 1.0 1.0
场景2 1.0 2.0 3.0 2.0 4.0
场景3 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0
场景4 2.5 2.5 3.0 3.0 4.0
场景5 5.0 5.0 4.0 2.0 1.0
场景6 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0
表1再对场景集内场景逐一进行辨识，形成表2所示的振荡频率集F。
Figure GDA0002950905440000051
Figure GDA0002950905440000061
表2
S2、基于多变量阻尼比灵敏度的PSS4B-L选址判定
确定产生超低频振荡的场景集W，再对场景集内所有场景逐一进行辨识，形成振荡频率集F；
Figure GDA0002950905440000062
其中，wp表示产生超低频振荡的第p个场景，fp表示第p个场景所对应的超低频振荡频率；
(2)、基于多变量阻尼比相对灵敏度的PSS4B-L选址判定
(2.1)、针对PSS4B-L的安装位置的优选，采用一种多变量阻尼比灵敏度计算方法，即阻尼(超低频振荡模式)对PSS4B-L输出的灵敏度，具体表现形式如下所示：
Figure GDA0002950905440000063
其中，Sk_i第i种超低频振荡场景wi下，第k台发电机组配置PSS4B-L的多变量阻尼比灵敏度。
为消除参数量纲对于灵敏度分析的影响，本发明引入相对灵敏度概念，即：计算第i种超低频振荡场景wi下，第k台发电机组配置PSS4B-L的多变量阻尼比相对灵敏度
Figure GDA0002950905440000064
其中，Sk_i为场景为wi时第k台发电机组的多变量阻尼比相对灵敏度；ξi为系统的超低频振荡模式阻尼比，Vk为第k台发电机组配置的PSS4B-L输出，ξi0为ξi的给定值，Vk0为变量Vk对应的稳态值，r为采样点，θ1,θ2,…,θm为PSS4B-L中各环节中的变量；对上式进行变形可得：
Figure GDA0002950905440000071
Figure GDA0002950905440000072
分析上式可知，Vk0/ξi0为常量，阻尼比相对灵敏度的大小与
Figure GDA0002950905440000073
成反比，因此阻尼比相对灵敏度计算的关键在于
Figure GDA0002950905440000074
的计算。
S2.2、采用中值法计算
Figure GDA0002950905440000075
针对
Figure GDA0002950905440000076
的计算，为避免引起方向误差，采用中值法进行计算，即可表示为：
Figure GDA0002950905440000077
上式计算中采取的两次摄动，对于PSS4B-L各环节的全体变量同时进行扰动，再采用PSS4B-L的输出作为全体变量的共同作用结果进行阻尼比灵敏度的计算，其反应了整体PSS4B-L对于超低频振荡模式的影响，相较于单变量灵敏度更加合理。
S2.3、上式计算所得实为一条曲线，为比较
Figure GDA0002950905440000078
的大小，可对对
Figure GDA0002950905440000079
进行离散化处理，再计算各采样点绝对值的平均值：
Figure GDA00029509054400000710
其中，
Figure GDA00029509054400000711
为PSS4B-L的输出曲线上的总采样点数；
S2.4、计算多变量阻尼比相对灵敏度的具体取值Ak：
Figure GDA00029509054400000712
S2.5、重复步骤S2.1-S2.4依次计算场景集W内其余超低频振荡场景对PSS4B-L的多变量阻尼比相对灵敏度的取值；
S2.6、对所有超低频振荡场景下的多变量阻尼比相对灵敏度的取值进行累加求均值处理，得到多种场景下的综合阻尼比灵敏度为：
Figure GDA00029509054400000713
其中，Ak_i为在场景i下的多变量阻尼比相对灵敏度的取值；
综合阻尼比灵敏度值越大，表明单位控制代价的阻尼效果愈佳，换言之在达到相同阻尼效果情形下，所付出的控制代价越小。即在综合阻尼比灵敏度较大处安装PSS4B-L控制效果更佳。
S2.7、将第k台发电机在多种场景下的综合阻尼比灵敏度
Figure GDA0002950905440000081
与预设的阻尼比灵敏度阈值ψ比较，如果
Figure GDA0002950905440000082
则在第k台发电机组处安装PSS4B-L，否则不安装，并进入步骤S2.8；
S2.8、重复步骤S2.1-S2.7，继续判断剩余台发电机组处是否安装PSS4B-L，并在满足条件的发电机处安装上PSS4B-L；
在本实施例中，通过计算表2所示的场景集下系统各机组的综合阻尼比灵敏度，其具体计算结果如下面表3所示；
机组 综合灵敏度 机组 综合灵敏度
川偏桥#3 2.959 川沙坪#2 0.951
川铁河厂#1 1.853 川踏卡#1 0.916
川江边#1 1.673 川斜卡#3 0.867
川偏桥#1 1.475 川斜卡#1 0.657
川偏桥#2 1.468 川踏卡#2 0.628
川江边#3 1.459 川五一桥#1 0.565
川江边#2 1.384 川斜卡#2 0.589
川铁河厂#2 1.366 川五一桥#2 0.516
川沙坪#1 1.249 阀值 1.500
表3
本实施例中，设置灵敏度阀值为1.5，综合上面表2分析可知，考虑在川偏桥#3、川铁河厂#1、川江边#1处安装PSS4B-L。
S3、设置PSS4B-L带通环节参数
SS4B-L带通环节的功能为实现中心频率差分滤波，使得中心频率点出输出幅值最大，相位为零。因此相关参数应当设置为：
Figure GDA0002950905440000091
其中，fd为带通环节的中心频率；R为带通的补偿系数，与带通宽度B相关；为了使各种工况情形下的振荡频率均在通频带内，fd和B满足如下关系：
Figure GDA0002950905440000092
其中，fmin与fmax为振荡频率集F中频率的最小值与最大值，δ为频率裕量,取为0.1；
本实施例中，通过不断调节R值使得带通滤波器带宽为B，从而确定R的具体数值，带通环节相关变量的具体取值如表4所示。
变量 数值 变量 数值
f<sub>d</sub> 0.0379 T<sub>L1</sub> 3.6399
R 1.1 T<sub>L2</sub> 4.0039
K<sub>L1</sub> 231 T<sub>L7</sub> 4.0039
K<sub>L2</sub> 231 T<sub>L8</sub> 4.4043
表4
S4、设置PSS4B-L超前滞后相位环节以及幅值限幅环节参数
超前滞后相位环节以及幅值限幅环节的作用是通过设置合理的参数，使得其产生适当的附加转矩，抵消调速系统产生的负阻尼转矩，从而提升整个系统的阻尼，抑制超低频振荡。而且在提升超低频振荡模式时，需要避免恶化其他模式的阻尼。鉴于此，本发明充分考虑到系统存在的多种工况情形，构建超低频振荡场景集的目标函数，具体为：
Figure GDA0002950905440000101
Figure GDA0002950905440000102
其中，ui为模型中待优化参数，其包含超前滞后相位环节以及幅值限幅环节中所有待优化参数，U为其可行域；α(ui,wi)为在场景wi情形时，系统的待优化参数设置为ui时，超低频振荡模式所对应的实部，ξ'min(ui,wi)为除了超低频振荡模式外的其他振荡模式中阻尼最小值，ξ0为给定阻尼下限值，取为0.06；
在本实施例中，超前滞后相位环节以及幅值限幅环节变量的具体取值如表5所示；
Figure GDA0002950905440000103
表5
S5、根据上述步骤S2中各发电机组所确定的安装PSS4B-L的位置，并结合步骤S3、S4设置的各参数，对系统进行模式识别，就可以达到抑制系统的超低频振荡。
图4中给出了按照本发明所述控制策略前后系统部分机组的频率偏差的波动情况，其中包括了实施优化策略前机组的频率偏差曲线(虚线)，实施优化策略后机组的频率偏差曲线(实线)，图示结果证明了本发明所提措施可有效抑制超低频振荡现象。
图5、图6给出了在场景2以及场景4情形下按照本发明所提出PSS4B-L参数整定方法前后川江边#1机组的频率偏差情形。其中包括了实施策略前机组的频率偏差曲线(虚线)，实施策略后机组的频率偏差曲线(实线)。图示结果表明了本专利所提出的方法具备多种工况情形下的鲁棒性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于PSS4B-L抑制超低频振荡的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、依据水轮机组的运行工况，确定产生超低频振荡的场景集W，再对场景集内所有场景逐一进行辨识，形成振荡频率集F；
Figure FDA0002950905430000011
其中，wp表示产生超低频振荡的第p个场景，fp表示第p个场景所对应的超低频振荡频率；
(2)、基于多变量阻尼比相对灵敏度的PSS4B-L选址判定
(2.1)、计算第i种超低频振荡场景wi下，第k台发电机组配置PSS4B-L的多变量阻尼比相对灵敏度
Figure FDA0002950905430000012
其中，Sk_i为场景为wi时第k台发电机组的多变量阻尼比相对灵敏度；ξi为系统的超低频振荡模式阻尼比，Vk为第k台发电机组配置的PSS4B-L输出，ξi0为ξi的给定值，Vk0为变量Vk对应的稳态值，r为采样点，θ1,θ2,…,θm为PSS4B-L中各环节中的变量；对上式进行变形可得：
Figure FDA0002950905430000013
Figure FDA0002950905430000014
(2.2)、采用中值法计算
Figure FDA0002950905430000015
Figure FDA0002950905430000016
(2.3)、对
Figure FDA0002950905430000017
进行离散化处理，再计算各采样点绝对值的平均值：
Figure FDA0002950905430000018
其中，
Figure FDA0002950905430000019
为PSS4B-L的输出曲线上的总采样点数；
(2.4)、计算多变量阻尼比相对灵敏度的具体取值Ak_i：
Figure FDA0002950905430000021
(2.5)、重复步骤(2.1)-(2.4)依次计算场景集W内其余超低频振荡场景对PSS4B-L的多变量阻尼比相对灵敏度的取值；
(2.6)、对所有超低频振荡场景下的多变量阻尼比相对灵敏度的取值进行累加求均值处理，得到多种场景下的综合阻尼比灵敏度为：
Figure FDA0002950905430000022
其中，Ak_i为在场景i下的多变量阻尼比相对灵敏度的取值；
(2.7)、将第k台发电机在多种场景下的综合阻尼比灵敏度
Figure FDA0002950905430000023
与预设的阻尼比灵敏度阈值ψ比较，如果
Figure FDA0002950905430000024
则在第k台发电机组处安装PSS4B-L，否则不安装，并进入步骤(2.8)；
(2.8)、重复步骤(2.1)-(2.7)，继续判断剩余台发电机组处是否安装PSS4B-L，并在满足条件的发电机处安装上PSS4B-L；
(3)、设置PSS4B-L带通环节参数
Figure FDA0002950905430000025
其中，fd为带通环节的中心频率；R为带通的补偿系数，与带通宽度B相关；为了使各种工况情形下的振荡频率均在通频带内，fd和B满足如下关系：
Figure FDA0002950905430000026
其中，fmin与fmax为振荡频率集F中频率的最小值与最大值，δ为频率裕量；
(4)、设置PSS4B-L超前滞后相位环节以及幅值限幅环节参数
在多种工况情形，构建超低频振荡场景集的目标函数：
Figure FDA0002950905430000031
Figure FDA0002950905430000032
其中，ui为模型中待优化参数，其包含超前滞后相位环节以及幅值限幅环节中所有待优化参数，U为其可行域；α(ui,wi)为在场景wi情形时，系统的待优化参数设置为ui时，超低频振荡模式所对应的实部，ξ'min(ui,wi)为除了超低频振荡模式外的其他振荡模式中阻尼最小值，ξ0为给定阻尼下限值；
(5)、根据上述步骤(2)中各发电机组所确定的安装PSS4B-L的位置，并结合步骤(3)、(4)设置的各参数，对系统进行模式识别，达到抑制系统的超低频振荡。
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