CN110808593B - 弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法及装置，本发明基于电力网络小信号模型，将电力网络简化为基于主导特征模式的二阶系统，从机理上给出单个的动态无功补偿装置单独接入时，不同的控制环节对系统电磁振荡特征模式的灵敏度。当多个控制器同时接入时，通过相互作用系数可评估控制器之间相互作用的大小，并且协同考虑多台控制器的控制效果。

Description

弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法及装置

技术领域

本发明涉及电网安全稳定控制领域，具体涉及弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法及装置。

背景技术

随着电网中电力电子器件的渗透率不断增加，多控制器引发电磁振荡的风险将越来越突出。这主要是由于：首先，弱联系电网中的长线路以及串补等设备使得电网中易存在容易和控制器产生相互作用的电磁特征模态；其次，电网中的控制器参数往往并非协同考虑，不同控制器的策略的协同作用引发电磁振荡的风险广泛存在；最后，弱联系电网中的运行方式变化、新能源随机波动等因素对电网特性的显著影响使得控制策略设计存在一定困难。因此，需要针对弱联系电网的特性，定量给出不同控制器对系统特征模态变化的灵敏度，便于对控制器的响应特性提出量化指标，设计阻尼控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法及装置，本发明基于电力网络小信号模型，将电力网络简化为基于主导特征模式的二阶系统，从机理上给出单个的动态无功补偿装置单独接入时，不同的控制环节对系统电磁振荡特征模式的灵敏度。当多个控制器同时接入时，通过相互作用系数可评估控制器之间相互作用的大小，并且协同考虑多台控制器的控制效果。

本发明通过下述技术方案实现：

弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法，包括以下步骤：

S1：获取待优化动态无功补偿的一次电路参数、暂态控制策略传递函数H，以及电网侧基础资料；

S2：利用步骤S1获取的电网侧基础资料，基于戴维南等值原理建立外部等值电路模型，根据电网拓扑链接特性，获取电力网络频率相关节点导纳矩和接入点看入的频率相关节点导纳矩阵，将外部等值电路模型的等值边界向外部扩展校验所关心频段内的阻抗特性；

S3：利用步骤S1获取的待优化动态无功补偿的一次电路参数，基于电感电容方程构建电力网络状态空间模型，结合步骤S2的外部等值电路模型获取电力网络的特征模态；

S4：利用步骤S3构建的电力网络状态空间模型进行电磁振荡响应特性分析，基于步骤S1获取的暂态控制策略传递函数H进行动态无功补偿阻尼控制器构建；

S5：利用步骤S4构建的动态无功补偿阻尼控制器分析多动态无功补偿控制器相互作用。

进一步地，步骤S1中优化动态无功补偿的一次电路参数包括滤波器容量、电容、电抗、电阻参数，TCR的容量、电抗参数；电网侧基础资料包括输电线路参数、变压器铭牌参数、并联电抗器、电容器参数以及发电机次暂态电抗。

进一步地，步骤S2中外部等值电路模型的等值边界的求取步骤如下：

S21：将电网中需要建模的元件用电压源、电感、电容、电阻构成的网络代替；

S22：利用戴维南等值获取外部等值电路参数；

S23：根据电网拓扑链接特性，获取电力网络频率相关节点导纳矩阵，以及从SVC接入点看入的频率相关节点导纳矩阵；

S24：根据频率相关节点导纳矩阵可计算从SVC所在电气节点看入的导纳特性，将等值边界向外部扩展，在所关心频段内从SVC所在端口看入的频率相关阻抗特性近似保持不变。

进一步地，步骤S3中电力网络状态空间模型的构建步骤如下：

S31：获取在派克变换下，电感、电容的方程；

S32：根据步骤S31中电感、电容的方程，将电力网络等效成电感、电容、电阻网构建电力网络状态空间模型；

S33：对步骤S32构建的电力网络状态空间模型进行简化处理获得标准的状态空间模型，求解系数矩阵的特征值获得电力网络的特征模态。

进一步地，步骤S4中动态无功补偿阻尼控制器的构建步骤如下：

S41：利用电力网络状态空间模型进行系统的电磁振荡响应特性分析，求取电力网络的主导特征模式传递函数；

S42：基于暂态控制策略传递函数H，结合主要关心相频特性的变化情况，获取附加阻尼控制器传递函数。

本发明针对现有技术空白，基于电力网络小信号模型，将电力网络简化为基于主导特征模式的二阶系统，从机理上给出单个的动态无功补偿装置单独接入时，不同的控制环节对系统电磁振荡特征模式的灵敏度。当多个控制器同时接入时，通过相互作用系数可评估控制器之间相互作用的大小，并且协同考虑多台控制器的控制效果。

弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析装置，包括：

存储装置：用于存储待优化动态无功补偿的一次电路参数、暂态控制策略传递函数H，以及电网侧基础资料；

外部等值电路模型分析与校验装置：用于将电网侧基础资料，基于戴维南等值原理建立外部等值电路模型，根据电网拓扑链接特性，获取电力网络频率相关节点导纳矩和接入点看入的频率相；

电力网络状态空间模型构建与分析装置：用于将待优化动态无功补偿的一次电路参数，基于电感电容方程构建电力网络状态空间模型；

动态无功补偿阻尼控制器构建装置：用于将构建的电力网络状态空间模型进行电磁振荡响应特性分析，基于步骤S1获取的暂态控制策略传递函数H进行动态无功补偿阻尼控制器构建；

阻尼控制及分析装置：用于将构建的动态无功补偿阻尼控制器分析多动态无功补偿控制器相互作用。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明针对现有技术空白，基于电力网络小信号模型，将电力网络简化为基于主导特征模式的二阶系统，从机理上给出单个的动态无功补偿装置单独接入时，不同的控制环节对系统电磁振荡特征模式的灵敏度。当多个控制器同时接入时，通过相互作用系数可评估控制器之间相互作用的大小，并且协同考虑多台控制器的控制效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的逻辑框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法，包括以下步骤：

S1：获取待优化动态无功补偿的一次电路参数、暂态控制策略传递函数H，以及电网侧基础资料，具体地：

1-1)待优化动态无功补偿的一次电路参数，包括滤波器容量、电容、电抗、电阻参数，TCR的容量、电抗参数。

1-2)待优化动态无功补偿的暂态控制策略传递函数H；

1-3)电网侧基础资料收集，包括输电线路参数(线路长度、每公里电抗、电纳、电阻)、变压器铭牌参数、并联电抗器、电容器参数以及发电机次暂态电抗；

S2：利用步骤S1获取的电网侧基础资料，基于戴维南等值原理建立外部等值电路模型，根据电网拓扑链接特性，获取电力网络频率相关节点导纳矩和接入点看入的频率相关节点导纳矩阵，将外部等值电路模型的等值边界向外部扩展校验所关心频段内的阻抗特性，具体地：

2-1)将电网中需要建模的元件用电压源、电感、电容、电阻构成的网络代替。其中，变压器可忽略励磁支路，仅用短路电抗和短路电阻代替。输电线路可采用π型等值。对于长度超过200km的长输电线路，可采用多个π型单元串联进行近似(每个π型单元所代表的线路长度不超过200km)。

2-2)外部等值电路参数。本发明对外部等值电路采用戴维南等值(保持等值点在等值前后短路容量不变)。

2-3)根据电网拓扑链接特性，获取电力网络频率相关节点导纳矩阵Y(jω)，以及从SVC接入点看入的频率相关节点导纳矩阵Y′₁(jω)。(下标s为电压源节点、0为SVC接入节点、1为非电压源且非SVC接入节点)

2-4)校验所关心频段内的阻抗特性。根据频率相关节点导纳矩阵可计算从SVC所在电气节点看入的导纳特性。将等值边界向外部扩展(例如图1中从边界1拓展一级联络线至边界2)，在所关心频段内(10～100Hz)，从SVC所在端口看入的频率相关阻抗特性近似保持不变。其判据为，对于所关心频段内的每一个ω，Y′₁(jω)的变化量ΔY₁′(jω)满足：

|ΔY₁′(jω)|_∞＜ΔY_1max (3)

其中ΔY_1max为给定门槛值。|·||_∞表示矩阵中所有元素中绝对值的最大值。若此条件满足，即可确定等值边界为边界2。

S3：利用步骤S1获取的待优化动态无功补偿的一次电路参数，基于电感电容方程构建电力网络状态空间模型，结合步骤S2的外部等值电路模型获取电力网络的特征模态，具体地：

3-1)派克变换下的电感电容方程

派克变换下，电感(电抗为X)、电容(电纳为B)的方程可以表示如下(不考虑零轴分量)：

其中：i_dq＝[i_d i_q]^T，u_dq＝[u_d u_q]^T。ω₀＝100πrad/s为系统额定角频率。

3-2)电力网络的状态空间模型建立

根据上述电容、电感的dq坐标系下方程，可以将电力网络等效成的电感、电容、电阻网络写成如下状态空间模型：

该模型中每个变量的含义为：

ω₀：为系统额定角频率，取值为100πrad/s

f_d：网络中所有电感电流和电容电压的d轴分量组成的向量

f_q：网络中所有电感电流和电容电压的q轴分量组成的向量

Y：网络中所有电感电抗和电容电纳为对角元组成的对角矩阵

A：系数矩阵，根据网络的基尔霍夫定律由电感电流和电容电压计算电感电压和电容电流的系数矩阵

u：控制变量，边界节点的电流注入

B_ud：控制变量的影响系数矩阵

B_uq：控制变量的影响系数矩阵

U_c：控制点电压幅值

M_d：控制点电压幅值d轴敏感系数矩阵

M_q：控制点电压幅值q轴敏感系数矩阵

可写成标准的状态空间模型：

其中：

求解系数矩阵：

的特征值即可获得电力网络的特征模态。I为单位阵。设其主导特征模式为：

λ_i＝-α_i±jω_i (8)

S4：利用步骤S3构建的电力网络状态空间模型进行电磁振荡响应特性分析，基于步骤S1获取的暂态控制策略传递函数H进行动态无功补偿阻尼控制器构建，具体地：

4-1)系统的电磁振荡响应特性分析

假设系数矩阵可对角化(对电力网络的状态空间模型假设成立)：

其中互为可逆矩阵。V是右特征向量(列向量构成)矩阵，W是左特征向量矩阵(行向量构成)。

仅考虑单台控制器时，U_c为标量。

其中：

P_i：参与因子矩阵。

v_i：矩阵C关于特征值λ_i右特征向量。

w_i：矩阵C关于特征值λ_i的左特征向量。

若仅考虑控制点电压的主导振荡模态，可以求得电力网络的主导特征模式传递函数：

4-2)动态无功补偿阻尼控制器设计

动态无功补偿基础的暂态控制传递函数为H₁：

u＝-H₁y

考虑并联阻尼环节传递函数H₂：

代入可得：

需要配置附加控制环节，使得：

虚部为负值。

主要关心相频特性的变化情况。

位于三、四象限。Φ(·)表示复数的幅角。

可设定附加阻尼控制器传递函数为：

分为三个步骤完成：

(1)滤波环节设计：

T₃＝1/2ω_i为低通滤波器时间常数。

(2)相位设计：

代入计算可求得T₁、T₂需满足的关系式：

通过调节T₁、T₂、N可使得总体相位延迟在[180°360°]区间内。单个移相环节单元

的相位延迟在90°以内。因此需要合理配置T₁、T₂、N的大小；

G为阻尼控制器增益、T₁为阻尼控制器滞后时间常数，T₂为阻尼控制器超前时间常数，N为阻尼控制器超前、滞后环节总数。

(3)幅值设计

通过调整G值可调节附加阻尼的大小，使得下式虚部为负值：

S5：利用步骤S4构建的动态无功补偿阻尼控制器分析多动态无功补偿控制器相互作用，具体地：

5-1)多控制器阻尼相互作用

代入：

s＝jω_i

可得在特征频率附近，系统的响应特性可近似表达为：

其中D为多控制器的阻尼系数影响因子矩阵。

(s²+(2α_iI-D)s+|λ_i|²I-K)ΔU_c＝0

计算2α_iI-D的最小特征值，即可得到多控制器作用下的系统阻尼(||K||＜＜|λ_i|²影响可忽略)。

实施例2：

弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析装置，包括：

存储装置：用于存储待优化动态无功补偿的一次电路参数、暂态控制策略传递函数H，以及电网侧基础资料；

外部等值电路模型分析与校验装置：用于将电网侧基础资料，基于戴维南等值原理建立外部等值电路模型，根据电网拓扑链接特性，获取电力网络频率相关节点导纳矩和接入点看入的频率相；

电力网络状态空间模型构建与分析装置：用于将待优化动态无功补偿的一次电路参数，基于电感电容方程构建电力网络状态空间模型；

动态无功补偿阻尼控制器构建装置：用于将构建的电力网络状态空间模型进行电磁振荡响应特性分析，基于步骤S1获取的暂态控制策略传递函数H进行动态无功补偿阻尼控制器构建；

阻尼控制及分析装置：用于将构建的动态无功补偿阻尼控制器分析多动态无功补偿控制器相互作用。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取待优化动态无功补偿的一次电路参数、暂态控制策略传递函数H，以及电网侧基础资料；

S2：利用步骤S1获取的电网侧基础资料，基于戴维南等值原理建立外部等值电路模型，根据电网拓扑链接特性，获取电力网络频率相关节点导纳矩和接入点看入的频率相关节点导纳矩阵，将外部等值电路模型的等值边界向外部扩展校验所关心频段内的阻抗特性；

S3：利用步骤S1获取的待优化动态无功补偿的一次电路参数，基于电感电容方程构建电力网络状态空间模型，结合步骤S2的外部等值电路模型获取电力网络的特征模态；

S4：利用步骤S3构建的电力网络状态空间模型进行电磁振荡响应特性分析，基于步骤S1获取的暂态控制策略传递函数H进行动态无功补偿阻尼控制器构建；

S5：利用步骤S4构建的动态无功补偿阻尼控制器分析多动态无功补偿控制器相互作用；

步骤S1中优化动态无功补偿的一次电路参数包括滤波器容量、电容、电抗、电阻参数，TCR的容量、电抗参数；电网侧基础资料包括输电线路参数、变压器铭牌参数、并联电抗器、电容器参数以及发电机次暂态电抗；

所述电力网络状态空间模型如下：

式中，ω₀：为系统额定角频率，取值为100πrad/s

f_d：网络中所有电感电流和电容电压的d轴分量组成的向量

f_q：网络中所有电感电流和电容电压的q轴分量组成的向量

Y：网络中所有电感电抗和电容电纳为对角元组成的对角矩阵

A：系数矩阵，根据网络的基尔霍夫定律由电感电流和电容电压计算电感电压和电容电流的系数矩阵

u：控制变量，边界节点的电流注入

B_ud：控制变量的影响系数矩阵

B_uq：控制变量的影响系数矩阵

U_c：控制点电压幅值

M_d：控制点电压幅值d轴敏感系数矩阵

M_q：控制点电压幅值q轴敏感系数矩阵；

所述动态无功补偿阻尼控制器的模型如下：

式中，T₃＝1/2ω_i，为低通滤波器时间常数；

w_i：矩阵C关于特征值λ_i的左特征向量；

G为阻尼控制器增益、T₁为阻尼控制器滞后时间常数，T₂为阻尼控制器超前时间常数，N为阻尼控制器超前、滞后环节总数。

2.根据权利要求1所述的弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法，其特征在于，步骤S2中外部等值电路模型的等值边界的求取步骤如下：

S21：将电网中需要建模的元件用电压源、电感、电容、电阻构成的网络代替；

S22：利用戴维南等值获取外部等值电路参数；

S23：根据电网拓扑链接特性，获取电力网络频率相关节点导纳矩阵，以及从SVC接入点看入的频率相关节点导纳矩阵；

S24：根据频率相关节点导纳矩阵计算从SVC所在电气节点看入的导纳特性，将等值边界向外部扩展，在所关心频段内从SVC所在端口看入的频率相关阻抗特性保持不变。

3.根据权利要求1所述的弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法，其特征在于，步骤S3中电力网络状态空间模型的构建步骤如下：

S31：获取在派克变换下，电感、电容的方程；

S32：根据步骤S31中电感、电容的方程，将电力网络等效成电感、电容、电阻网构建电力网络状态空间模型；

S33：对步骤S32构建的电力网络状态空间模型进行简化处理获得标准的状态空间模型，求解系数矩阵的特征值获得电力网络的特征模态。

4.根据权利要求1所述的弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析方法，其特征在于，步骤S4中动态无功补偿阻尼控制器的构建步骤如下：

S41：利用电力网络状态空间模型进行系统的电磁振荡响应特性分析，求取电力网络的主导特征模式传递函数；

S42：基于暂态控制策略传递函数H，结合主要关心相频特性的变化情况，获取附加阻尼控制器传递函数。

5.弱联系电网中多控制器引发电磁振荡阻尼分析装置，其特征在于，包括：

存储装置：用于存储待优化动态无功补偿的一次电路参数、暂态控制策略传递函数H，以及电网侧基础资料；

外部等值电路模型分析与校验装置：用于将电网侧基础资料，基于戴维南等值原理建立外部等值电路模型，根据电网拓扑链接特性，获取电力网络频率相关节点导纳矩和接入点看入的频率相；

电力网络状态空间模型构建与分析装置：用于将待优化动态无功补偿的一次电路参数，基于电感电容方程构建电力网络状态空间模型；

动态无功补偿阻尼控制器构建装置：用于将构建的电力网络状态空间模型进行电磁振荡响应特性分析，基于获取的暂态控制策略传递函数H进行动态无功补偿阻尼控制器构建；

阻尼控制及分析装置：用于将构建的动态无功补偿阻尼控制器分析多动态无功补偿控制器相互作用；

动态无功补偿的一次电路参数包括滤波器容量、电容、电抗、电阻参数，TCR的容量、电抗参数；电网侧基础资料包括输电线路参数、变压器铭牌参数、并联电抗器、电容器参数以及发电机次暂态电抗；

所述电力网络状态空间模型如下：

式中，ω₀：为系统额定角频率，取值为100πrad/s

f_d：网络中所有电感电流和电容电压的d轴分量组成的向量

f_q：网络中所有电感电流和电容电压的q轴分量组成的向量

Y：网络中所有电感电抗和电容电纳为对角元组成的对角矩阵

A：系数矩阵，根据网络的基尔霍夫定律由电感电流和电容电压计算电感电压和电容电流的系数矩阵

u：控制变量，边界节点的电流注入

B_ud：控制变量的影响系数矩阵

B_uq：控制变量的影响系数矩阵

U_c：控制点电压幅值

M_d：控制点电压幅值d轴敏感系数矩阵

M_q：控制点电压幅值q轴敏感系数矩阵；

所述动态无功补偿阻尼控制器的模型如下：

式中，T₃＝1/2ω_i，为低通滤波器时间常数；

w_i：矩阵C关于特征值λ_i的左特征向量；

G为阻尼控制器增益、T₁为阻尼控制器滞后时间常数，T₂为阻尼控制器超前时间常数，N为阻尼控制器超前、滞后环节总数。

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