CN110829465B - 计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法：采集联网发电机及其调速器模型和运行参数；确定等值发电机的传递函数，根据调速器模型确定各调速器线性部分的传递函数，计算各调速器死区环节的描述函数；结合各调速器及其死区环节，计算各调速器扩展描述函数的幅值和相角，将多个扩展描述函数相加组合成系统的扩展描述函数；建立统一频率模型；在统一频率模型的基础上，计算产生超低频频振荡的临界振幅，通过评估电力系统超低频振荡的风险。本发明用以解决现有技术中无法分析包含不同死区的多机系统的频率振荡的问题，实现对含有多个调速器死区环节且死区大小不同的电力系统超低频振荡风险进行评估的目的。

Description

计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统超低频振荡领域，具体涉及计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法。

背景技术

电力系统的超低频振荡是近年来最受关注的频率稳定问题之一。调速器死区对于频率振荡的影响不可忽略，调速器死区在实际电网中广泛存在并且各不相同，但是目前的研究方法仅能分析单一死区环节，还没有能够分析包含不同死区的多机系统的频率振荡的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，以解决现有技术中无法分析包含不同死区的多机系统的频率振荡的问题，实现对含有多个调速器死区环节且死区大小不同的电力系统超低频振荡风险进行评估的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，包括：

S1.采集联网发电机及其调速器模型和运行参数；

S2.确定等值发电机的传递函数G_gen，根据调速器模型确定各调速器线性部分的传递函数G_govi，计算各调速器死区环节的描述函数NL_i；

S3.结合各调速器G_govi及其死区环节NL_i，计算各调速器扩展描述函数的幅值|G_ei|和相角∠G_ei，将多个扩展描述函数相加组合成系统的扩展描述函数G_e；

S4.利用G_e和G_gen，建立统一频率模型；在统一频率模型的基础上，计算产生超低频频振荡的临界振幅A_c，通过A_c评估电力系统超低频振荡的风险。

进一步的，步骤S4中，通过A_c评估电力系统超低频振荡的风险的方法为：临界振幅A_c越高、能够使系统产生振荡的最小扰动幅值越大、系统的稳定性越高。

进一步的，步骤S4中，产生超低频频振荡的临界振幅A_c，根据极限环产生的条件进行计算。

进一步的，所述极限环产生的条件为：

|G_e|·|G_gen|＝1,∠G_e+∠G_gen＝-π/2。

进一步的，步骤S2中，等值发电机的传递函数G_gen根据发电机的转动惯量、阻尼系数和负荷频率调节效应进行确定。

进一步的，步骤S2中，等值发电机的传递函数G_gen通过下式确定：

其中，s为拉普拉斯算子，D_s为发电机阻尼系数与负荷频率调节效应系数之和，T_J为等值发电机的转动惯量；

其中，S_i表示第i台发电机的容量，T_Ji表示第i台发电机的转动惯量，m表示发电机的总数量。

进一步的，步骤S2中，调速器死区环节的描述函数NL_i通过下式确定：

其中，b是死区的宽度；A₀为待求参数，表示振荡的幅值大小。

进一步的，步骤S3中，扩展描述函数的幅值|G_ei|和相角∠G_ei通过下式确定：

|G_ei(A₀,ω)|＝|NL_i||G_govi|

∠G_ei(A₀,ω)＝∠NL_i+∠G_govi。

进一步的，步骤S3中，系统的扩展描述函数G_e通过下式得到：

进一步的，步骤S2中，各调速器死区环节的描述函数NL_i通过描述函数法计算得到。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，能够分析含有不同调速器死区的多机电力系统的超低频振荡问题，计算结果能够有效反应调速器死区、模型和参数都不同的情况下的多机电力系统发生超低频振荡的风险。

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为本发明具体实施例的统一频率模型示意图；

图2为本发明具体实施例2中电力系统的结构模型；

图3a为本发明具体实施例2在场景1下的示例电力系统频率响应曲线；

图3b为本发明具体实施例2在场景2下的示例电力系统频率响应曲线；

图3c为本发明具体实施例2在场景3下的示例电力系统频率响应曲线。

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：

计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，

包括如下步骤：

S1.采集联网发电机及其调速器模型和运行参数；

S2.根据发电机的转动惯量、阻尼系数以及负荷频率调节效应确定等值发电机的传递函数G_gen，根据调速器模型确定各调速器线性部分的传递函数G_govi，利用描述函数法计算各调速器死区环节的描述函数NL_i；

S3.结合各调速器G_govi及其死区环节NL_i，计算其扩展描述函数的幅值|G_ei|和相角∠G_ei，将多个扩展描述函数相加组合成系统的扩展描述函数G_e；

S4.利用表示调速器及死区的扩展描述函数G_e和等值发电机模型G_gen，建立统一频率模型，如图1所示，图1中，f_ref为电力系统的额定运行频率，Δf为电力系统的运行频率偏差。

再根据极限环产生的条件，计算产生超低频频振荡的临界振幅A_c，临界振幅A_c越高，表明能够使系统产生振荡的最小扰动幅值越大，系统的稳定性越高，所以临界振幅A_c的大小能够衡量系统稳定性的高低。

所述根据极限环产生的条件为：

优选的，本实施例在步骤S2中，等值发电机的传递函数G_gen通过如下方法确定：

其中，s为拉普拉斯算子，D_s为发电机阻尼系数与负荷频率调节效应系数之和，T_J表示等值机的转动惯量，计算方法如下：

上式中，S_i表示第i台发电机的容量，T_Ji表示第i台发电机的转动惯量，m表示发电机的总数量。

在步骤S2中，调速器死区环节的描述函数NL_i通过如下方法确定：

其中，b是死区的宽度，A₀是振荡的幅值大小，在此作为待求参数。

在步骤S3中，扩展描述函数的幅值|G_ei|和相角∠G_ei通过如下方法确定：

|G_ei(A₀,ω)|＝|NL_i||G_govi|

∠G_ei(A₀,ω)＝∠NL_i+∠G_govi

幅值|G_ei|和相角∠G_ei是振荡幅值A₀和振荡频率ω的函数。

接下来，在步骤S3中，系统的扩展描述函数G_e通过如下方法确定：

然后，在步骤S4中，利用表示调速器及死区的扩展描述函数G_e和等值发电机模型G_gen，建立统一频率模型，如图1所示。

联立上述方程组，以振荡幅值A₀和振荡频率ω为未知数进行求解，求解出的A₀值即为临界幅值A_c，即使系统产生超低频振荡的最小扰动幅值。

实施例2：

本实施例所提供的电力系统结构模型如图2所示，在图2中，忽略了网络结构，发电机组由最常用的水电机组(水轮机+调速器)和火电机组(汽轮机+调速器)两个机组构成，发电机为等值发电机。其中，水轮机G_ht及其调速器模型G_hgov分别为：

式中，T_W为水锤效应时间常数，K_D、K_P、K_I分别为调速器的微分、比例、积分系数，B_P为调差系数，T_G为伺服系统时间常数。

汽轮机及其调速器模型分别为：

式中，F_HP为高压缸产生的功率在总轮机功率中占比，T_RH为再热时间常数，T_CH为主进气容积和气室时间常数。

将本申请提出的计及多调速器死区环节的电力系统超低频振荡风险评估方法运用至本实施例中：

本实施例在步骤S2中，水轮机死区描述函数NL_h通过如下方法确定：

其中，b₁是水轮机调速器死区的宽度，A₀是振荡的幅值大小。

汽轮机死区描述函数NL_s通过如下方法确定：

其中，b₂是汽轮机调速器死区的宽度，A₀是振荡的幅值大小。

本实施例在步骤S3中，含死区的水轮机及其调速器的扩展描述函数的幅值|G_he|和相角∠G_he分别为：

|G_he(A₀,ω)|＝|NL_h||G_hgov·G_ht|

∠G_he(A₀,ω)＝∠NL_h+∠G_hgov·G_ht

含死区的汽轮机及其调速器的扩展描述函数的幅值|G_se|和相角∠G_se分别为：

本实施例在步骤S3中的扩展描述函数G_e通过如下方法确定：

G_e＝G_he+G_se，G_e是输入扰动幅值A₀和扰动频率ω的函数。

具体的，本实施例，即图2系统中，各模型参数为如下所示：

发电机G_gen参数：T_J＝10.0s，D_S＝0.4；

水轮机G_ht及其调速器G_hgov参数：K_P＝0.5，K_D＝0.7，K_I＝1，T_W＝1，T_gh＝0.2，b_p＝0.04；

汽轮机G_st及其调速器G_sgov参数：R＝0.0303，T_gg＝0.2，F_hp＝1，T_rh＝10，T_ch＝12。

另外，b₁和b₂分别是水轮机调速器和汽轮机调速器的死区。通过配置不同死区b₁和b₂的大小，利用本文方法计算出使系统产生振荡的临界振幅，结果如表1所示。

表1

对于每个不同死区配置的算例，都有一个临界振幅值，当扰动的幅值大于此临界值时，产生频率振荡，系统不稳定；当扰动的幅值在临界值内时，振荡无法持续，系统稳定。

从表1中可以看出，场景1、2、3的临界振幅值均大于对应的死区，所以分别以大于和小于临界振幅的两个扰动输入系统，得到如图3a～图3c所示的系统频率响应曲线。图3a～图3c分别为在不同死区配置场景下的示例电力系统频率响应曲线，从图中可以看出，在场景1中，临界振幅为0.0116pu，幅值A_d1＝0.0113pu的扰动小于临界振幅，激发的振荡逐渐衰减；幅值A_d2＝0.0122pu的扰动大于临界振幅，则产生了频率振荡，系统不稳定。场景2、3中也是类似的情况。因此通过上述计算结果表明，本发明计算出的临界振幅大小能够反应系统发生超低频振荡的风险高低。

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 (7)

1.计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，其特征在于，包括：

S1.采集联网发电机及其调速器模型和运行参数；

S2.确定等值发电机的传递函数G_gen，根据调速器模型确定各调速器线性部分的传递函数G_govi，计算各调速器死区环节的描述函数NL_i；

S3.结合各调速器G_govi及其死区环节NL_i，计算各调速器扩展描述函数的幅值|G_ei|和相角∠G_ei，将多个扩展描述函数相加组合成系统的扩展描述函数G_e；

S4.利用G_e和G_gen，建立统一频率模型；在统一频率模型的基础上，计算产生超低频振荡的临界振幅A_c，通过A_c评估电力系统超低频振荡的风险；

步骤S3中，扩展描述函数的幅值|G_ei|和相角∠G_ei通过下式确定：

|G_ei(A₀,ω)|＝|NL_i||G_govi|

∠G_ei(A₀,ω)＝∠NL_i+∠G_govi，

其中：A₀为待求参数，表示振荡的幅值大小；ω为振荡频率；

步骤S4中，产生超低频振荡的临界振幅A_c，根据极限环产生的条件进行计算；

所述极限环产生的条件为：

|G_e|·|G_gen|＝1,∠G_e+∠G_gen＝-π/2。

2.根据权利要求1所述的计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，其特征在于，步骤S4中，通过A_c评估电力系统超低频振荡的风险的方法为：临界振幅A_c越高、能够使系统产生振荡的最小扰动幅值越大、系统的稳定性越高。

3.根据权利要求1所述的计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，其特征在于，步骤S2中，等值发电机的传递函数G_gen根据发电机的转动惯量、阻尼系数和负荷频率调节效应进行确定。

4.根据权利要求3所述的计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，其特征在于，步骤S2中，等值发电机的传递函数G_gen通过如下传递函数确定：

其中，s为拉普拉斯算子，D_s为发电机阻尼系数与负荷频率调节效应系数之和，T_J为等值发电机的转动惯量；

其中，S_i表示第i台发电机的容量，T_Ji表示第i台发电机的转动惯量，m表示发电机的总数量。

5.根据权利要求1所述的计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，其特征在于，步骤S2中，调速器死区环节的描述函数NL_i通过下式确定：

其中，b是死区的宽度；A₀为待求参数，表示振荡的幅值大小。

6.根据权利要求1所述的计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，其特征在于，步骤S3中，系统的扩展描述函数G_e通过下式得到：

其中m表示发电机的总数量，i为发电机编号。

7.根据权利要求1所述的计及多调速器死区的电力系统超低频振荡风险评估方法，其特征在于，步骤S2中，各调速器死区环节的描述函数NL_i通过描述函数法计算得到。

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