CN111555305B - 一种基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法 - Google Patents

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CN111555305B CN202010254159.1A CN202010254159A CN111555305B CN 111555305 B CN111555305 B CN 111555305B CN 202010254159 A CN202010254159 A CN 202010254159A CN 111555305 B CN111555305 B CN 111555305B
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Abstract

本申请涉及种基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，包括以下步骤：步骤10，根据系统的发电机总装机容量和系统的负荷曲线选取负荷扰动量系数；步骤20，计算所需加装转子角控制器的发电机组总额定容量；步骤30，根据各发电机组的额定容量，确定需要加装转子角控制器的最小数量。本发明的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，可以根据该地区网络中的发电机装机容量，确定加装转子角控制器的发电机组，在电网实施转子角控制模式后，该方案既可以保障电网在应对负荷扰动时，转子角控制器能获得较好的控制效果，同时使用尽可能少的装机数量，以提高经济效益。

Description

一种基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法
技术领域
本申请属于电力系统控制领域，尤其是涉及一种基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法。
背景技术
随着电力系统的迅速发展，人们对电力的需求量有增无已，加之电力系统的大范围互联和分布式新能源的涌入，对电力系统的运行和控制的要求也愈发严格。因此，如何抑制区域间的低频振荡，提高系统暂态稳定性，确保电力系统的安全、可靠、稳定、经济运行成为了不可避免的课题。目前抑制低频振荡主要采用的是电力系统稳定器(PSS)，主要通过比较发电机的相对位置和速度来提供阻尼，以此维持相临相邻机组的相对位置。但相距较远的机组就只能同通过各机组的传递作用进行间接控制。随着电网规模的不断扩大，仅依靠相邻机组的信息，将难以平息整个电网的振荡。
近年来，有学者在进行低频振荡抑制的研究中提出转子角控制模式的方法，并获得了较好的效果。其主要思路在于精准的控制发电机转子角在绝对坐标系中的位置，由于系统中各个发电机转子的相对位置不再反复波动，因此可以在不使用远方量测的前提下提供恰当的阻尼转矩抑制区域间震荡，因而有望从新的独特角度改善电力系统大规模跨区互联所面临的低频震荡问题。
这种转子角控制模式同时也是一种新的有功/频率控制方法，可以让电源在无需调度和AGC命令干预的前提下参与有功调节，实现无差频率恢复。这种特性在分布式新能源广泛接入后可以显著减轻调度负担，具有一定优点。不仅如此，转子角控制模式对于提高暂态稳定裕度也有较为明显的效果。因此，在使用转子角控制模式后，系统的小干扰稳定性和暂态稳定性以及有功/频率控制均得到了一定程度上的优化。
若在每台发电机都安装转子角控制器，肯定能达到该模式的最好控制效果。但是在电网中的每一台发电机上都布置转子角控制器显然是不经济的，为此就需要在经济性和效果间做一折中，需要寻找既能减少投入，又能保证角度控制效果(各发电机的绝对转子角在目标值附近运行)的控制器布置方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中转子角控制器部署方法的不足，从而提供一种具有实际经济效益的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，包括以下步骤：
步骤10，根据系统的发电机总装机容量和系统的负荷曲线选取负荷扰动量系数；
步骤20，计算所需加装转子角控制器的发电机组总额定容量；
步骤30，根据各发电机组的额定容量，确定需要加装转子角控制器的最小数量；
步骤40，选取满足对应加装转子角控制器后可改变的发电容量大于负荷扰动量条件的发电机组合作为备选方案；
步骤50，若备选方案不只一组，根据各备选方案的机群联系紧密度，选择其中两个机群间可能传输的最大功率最大的备选方案为优选方案；
步骤60，对优选方案进行稳定性校验，并校验各线路的传输功率未超限，若满足校验要求，优选方案即为最终的部署方案，若不满足校验要求，进入步骤70；
步骤70，增加一台转子角控制器并返回步骤40。
在其中一个实施例中，步骤20中：
∑PN,rad为所需加装转子角控制器的发电机组额定总容量，∑PN为系统总的额定容量，β为扰动量系数，则应满足-5％*∑PN,rad<β*∑PN<5％*∑PN,rad。
在其中一个实施例中，当所述系统为单机系统，其加装转子角控制器后所能改变的机械功率大于负荷的扰动量。
在其中一个实施例中，当所述系统为双机系统，其中一台发电机组加装转子角控制器，另一台不加装。
在其中一个实施例中，加装转子角控制器的发电机组改变的发电容量大于系统的负荷扰动量。
在其中一个实施例中，当所述系统为多机系统，将系统所有发电机组分成加装控制器的机群和未加装控制器的机群并再聚合为两个等值机组，两个等值机组的等值转动惯量为所述机群中各发电机组的转动惯量之和，两个等值机组的额定容量为所述机群中各发电机组的额定容量之和。
在其中一个实施例中，当ΔPmMax,rad为加装转子角控制器的发电机组所能改变的机械功率最大值，ΔPload为各负荷节点的负荷扰动量，加装转子角控制器的所述机群所能改变的机械功率之和大于整个系统的负荷扰动量之和，即∑ΔPmMax,rad>∑ΔPload。
在其中一个实施例中，步骤50中：
计算机群联系紧密度包括，当两个所述机群间可传输的最大功率为Pmax，Ei为发电机等值电动势，Mi为发电机惯性时间常数，MRAD和MNRAD为加装和未加装转子角控制器机群的等值惯性时间常数，Yij和
Figure BDA0002436625130000042
为消去非发电机节点后的节点导纳矩阵对应互导纳的模和辐角，则应满足
Figure BDA0002436625130000041
在其中一个实施例中，步骤60中：
稳定性校验包括负荷扰动试验和故障试验。除了要检验系统能否稳定外，还应检验在稳定控制的动态过程中，各线路的传输功率是否在允许的范围内。
在其中一个实施例中，步骤60中：
在稳定控制的动态过程中，检验各线路的传输功率是否始终在允许的范围，当加装转子角控制器的机组输出功率达到极值时，各线路传输功率达到极值，若各线路的传输功率仍在允许的范围内，即认为满足要求。
本发明的有益效果是：本发明的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，可以根据该地区网络中的发电机装机容量，确定加装转子角控制器的发电机组，在电网实施转子角控制模式后，该方案既可以保障电网在应对负荷扰动时，转子角控制器能获得较好的控制效果，同时使用尽可能少的装机数量，以提高经济效益。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例的步骤流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
一种基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，包括以下步骤：
步骤10，根据系统的发电机总装机容量和系统的负荷曲线选取负荷扰动量系数；
步骤20，计算所需加装转子角控制器的发电机组总额定容量；
步骤30，根据各发电机组的额定容量，确定需要加装转子角控制器的最小数量；
步骤40，选取满足对应加装转子角控制器后可改变的发电容量大于负荷扰动量条件的发电机组合作为备选方案；
步骤50，若备选方案不只一组，根据各备选方案的机群联系紧密度，选择其中两个机群间可能传输的最大功率最大的备选方案为优选方案；
步骤60，对优选方案进行稳定性校验，并校验各线路的传输功率未超限，若满足校验要求，优选方案即为最终的部署方案，若不满足校验要求，进入步骤70；
步骤70，增加一台转子角控制器并返回步骤40。
其发明原理在于先计算可能的总负荷扰动量；其后选择某个发电机组合使其对应加装转子角控制器后可改变的发电容量大于可能的负荷扰动量，如果此时有多种发电机组合，则通过对比机群紧密程度，选择备选方案中机群紧密程度最高的方案为其中的优选方案；对所有可能的扰动进行校验，如果不满足则返回上一步，修改发电机组合。其中，对多个发电机组合，计算每个组合中两个机群间可能传输的最大功率来作为机群紧密程度的指标。
下面结合附图1，对本发明的技术方案进行具体说明。首先分析在选择安装控制器的机组时，为了维持发电机转子角度稳定应满足的条件。在单机-无穷大系统中，当负荷突然发生变化时，发电机转子电磁转矩随之变化，导致转子力矩不平衡，使转子转速偏离额定值，造成转子角度偏离目标值。转子角控制器可以根据测量得到的角度值和目标值之间的差值，快速调节原动机输出的机械功率，使转子角度逐渐向目标值复归。由此可知，转子控制器能维持角度稳定的条件应为：当转子角控制器所能改变的机械功率大于负荷的变化量时，转子角度可以回归。表达式为：
ΔPmMax>ΔPload (1)
式中，ΔPmMax为转子角控制器所能改变机械功率的最大值，ΔPload为负荷变化量。只有满足该条件时，转子角控制器才可以为转子提供反向的回归力矩，否则将控制不住转子角度的变化，最终进入变角度模式。同时注意若改变的机械功率仅等于负荷的变化量，则只能维持角度不再变化而不能使其反向回归，因此应取大于号。该条件也可以用伊雅普诺夫第二方法，构造能量函数进行更为严谨的分析。
由于火力发电厂有短时增减功率限制等原因，并非多大的功率都能及时提供，所以转子角控制器应设置有功率调节幅度的上限和下限(以机组额定功率的±5％为例)。因此该条件的表述可以改为：若保证负荷的变化量在转子角控制器所能改变的机械功率上下限内，即可维持稳定。表达式为：
-5％*PN<ΔPload<5％*PN (2)
式中，PN为发电机额定功率，ΔPload为负荷变化量。需要说明的是，发电机额定容量大于或等于额定功率，额定容量是泛指功率概念，额定功率是指实际可负载功率。两者均以功率为单位，通常只是称谓不同，意义基本相同。
在双机系统中，其中一台机组加装转子角控制器，另一台不加装。由于两台机组相连，当负荷发生变化时，加装转子角控制器的机组可以通过改变自身的机械功率来维持角度稳定，未加装转子角控制器的机组认为其机械功率不变，只能依靠其电磁功率的变化来提供转子回归的力矩。由于传输线路的存在，加装转子角控制器的机组会受到另一台机组的影响，只有当两台机组的角度不再发生相对摆动时，两台机组才会同时回归目标值。因此加装转子角控制器的机组改变的机械功率会更多，未加装转子角控制器的机组则通过传输线路上的功率交换从加装了转子角控制器的机组身上获得其需要的角度回归转矩。此时系统稳定的条件为：加装转子角控制器的机组所能改变的出力大小应大于整个系统的负荷变化量。此外，两机间的传输功率应保持在线路的传输极限内。
在多机系统中，通过分群聚合，可以将系统所有机组分成加装控制器的机群(RAD)和未加装控制器的机群(NRAD)两个机群，再聚合为两个等值机组。聚合后，两台等值机组的等值转动惯量为机群中各发电机组的转动惯量之和，等值机组的额定容量也应为机群中各发电机组的额定容量之和。因此，此时系统转子角度能稳定的条件为：1，加装转子角控制器的机群所能改变的机械功率之和大于整个系统的负荷变化量之和；2，同时在系统稳定的动态过程中，各线路的传输功率应在允许的范围内。其条件1的表达式为：
∑ΔPmMax,rad>∑ΔPload (3)
式中，ΔPmMax,rad为加装转子角控制器的机组所能改变的机械功率最大值，ΔPload为各节点的负荷变化量。
不同的机组在短时间内所能改变的机械功率上下限是不同的，但为了方便计算，在规划部署时可以采用统一的上下限(如都采用额定功率的±5％)。同时，根据系统中的总负荷总是小于系统中各发电机组的额定容量之和，为了便于计算，可以考虑最坏的情况，使用各发电机组的额定容量之和来代替总负荷，然后乘以扰动量系数来表示总负荷的变化量。参考公式(2)，此时条件1的表述可以改为：为了能够维持发电机转子角稳定，应保证负荷的变化量之和在加装转子角控制器的机组所能改变的机械功率之和的上下限内。表达式为：
-5％*∑PN,rad<β*∑PN<5％*∑PN,rad (4)
式中，PN,rad为加装转子角控制器的机组额定容量，PN为系统各发电机组的额定容量，β为扰动量系数。其中，扰动量系数β表示负荷在短时间内的瞬时变化量大小，其选取的值越大，最终得到的部署方案所能应对负荷扰动的范围会越大，但投入的设备也会更多，所以β并不是越大越好。可以根据该地区负荷的变化规律来进行选取，选取的值能够覆盖绝大部分的情况(99％以上)即可。
在多机分群聚合的过程中，两个机群可能传输的最大功率Pmax，同时也表征了机群之间联系的紧密程度。当Pmax较大时，两个机群的线路功率交换更加密切，线路能够承受的传输极限也更大。因此在进行部署方式优选时，应选择其中Pmax较大的方案。其表达式为：
Figure BDA0002436625130000101
(5)式中，Ei为发电机等值电动势，Mi为发电机惯性时间常数，MRAD和MNRAD为加装和未加装转子角控制器机群的等值惯性时间常数，其值为各自机群内各发电机惯性时间常数之和，Yij和θij为消去非发电机节点后的节点导纳矩阵对应互导纳的模和辐角。其中，RAD为加装转子角控制器的机群，NRAD为未加装转子角控制器的机群。在使用公式(5)计算机群紧密程度Pmax之前，应先将发电机以一等值电抗和该电抗后的电动势(如x′d和
Figure BDA0002436625130000111
)来代表，负荷用恒定导纳等值，然后消去发电机电动势节点以外的节点，得到相应的节点导纳矩阵。
在进行稳定性校验时，包括负荷扰动试验和故障试验等，尤其是故障试验，除了要检验系统能否稳定外，还应检验在稳定控制的动态过程中，各线路的传输功率是否在允许的范围内。当加装转子角控制器的机组输出功率达到极值时，各线路传输功率达到极值，若该时刻各线路的传输功率仍在允许的范围内，即认为满足要求。
结合上述分析，在其中一个实施例中，步骤20中：
∑PN,rad为所需加装转子角控制器的发电机组额定总容量，∑PN为系统总的额定容量，β为扰动量系数，则应满足-5％*∑PN,rad<β*∑PN<5％*∑PN,rad。
在其中一个实施例中，当所述系统为单机系统，其加装转子角控制器后所能改变的机械功率大于负荷的扰动量。
在其中一个实施例中，当所述系统为双机系统，其中一台发电机组加装转子角控制器，另一台不加装。
在其中一个实施例中，加装转子角控制器的发电机组改变的发电容量大于系统的负荷扰动量。
在其中一个实施例中，当所述系统为多机系统，将系统所有发电机组分成加装控制器的机群和未加装控制器的机群并再聚合为两个等值机组，两个等值机组的等值转动惯量为所述机群中各发电机组的转动惯量之和，两个等值机组的额定容量为所述机群中各发电机组的额定容量之和。
在其中一个实施例中，当ΔPmMax,rad为加装转子角控制器的发电机组所能改变的机械功率最大值，ΔPload为各负荷节点的负荷扰动量，加装转子角控制器的所述机群所能改变的机械功率之和大于整个系统的负荷扰动量之和，即∑ΔPmMax,rad>∑ΔPload。
在其中一个实施例中，步骤50中：
计算机群联系紧密度包括，当两个所述机群间可传输的最大功率为Pmax，Ei为发电机等值电动势，Mi为发电机惯性时间常数，MRAD和MNRAD为加装和未加装转子角控制器机群的等值惯性时间常数，Yij和
Figure BDA0002436625130000122
为消去非发电机节点后的节点导纳矩阵对应互导纳的模和辐角，则应满足
Figure BDA0002436625130000121
在其中一个实施例中，步骤60中：
稳定性校验包括负荷扰动试验和故障试验。除了要检验系统能否稳定外，还应检验在稳定控制的动态过程中，各线路的传输功率是否在允许的范围内。
在其中一个实施例中，步骤60中：
在稳定控制的动态过程中，检验各线路的传输功率是否始终在允许的范围。当加装转子角控制器的机组输出功率达到极值时，各线路传输功率达到极值，若该时刻各线路的传输功率仍在允许的范围内，即认为满足要求。
参考附图1，在其中一个实施例中，转子角控制模式下转子角控制器最少部署方法的方案步骤如下：第一步，确定该地区的总装机容量，同时根据该地区负荷曲线，分析负荷扰动规律，选取合适的负荷扰动量系数β(如β可以取±1.5％)。第二步，根据多机系统下的角度维持条件1，保证负荷的变化量之和在加装转子角控制器的机组所能改变的机械功率之和的上下限内。在确定系统总装机容量和负荷扰动量系数后，使用公式(4)计算所需加装转子角控制器的机组总额定容量。得到所需加装转子角控制器的机组额定总容量后，结合系统中各发电机组的额定容量，确定需要加装转子角控制器的最小数量。然后选取满足条件的机组组合作为备选方案。第三步，若备选方案不只一组，可以通过使用公式(5)计算各备选方案的机群联系紧密度，选择其中Pmax较大的方案为优选方案。第四步，对优选的方案进行稳定性校验，包括负荷扰动试验和故障试验等，同时应保证在稳定控制的过程中，各线路的传输功率应始终在允许的范围内。若满足要求，即为最终的部署方案；若不满足，则可以考虑增加一台转子角控制器后，重新确定备选方案，即返回第二步并重复之后的步骤。
在其中一个实施例中，实施方法在于电网应用转子角控制模式后，转子角控制器的最少部署方法，其主要步骤可解释为：首先，根据该地区装机容量和负荷曲线，选择合适的负荷扰动量指标；随后，根据多机系统下发电机转子角度的维持条件，确定需要加装转子角控制器的机组容量总和；结合各发电机额定容量，考虑尽可能少的装机数量，选出符合条件的备选方案；若有多组备选方案，可以通过对比机群紧密程度，选择机群紧密程度最高的方案为优选方案；最后，对优选方案进行稳定性校验，若满足要求，则确定为最终部署方案，若不满足，则可以考虑增加一台转子角控制器后重新确立备选方案，之后步骤相同。
本发明的有益效果是：本发明的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，可以根据该地区网络中的发电机装机容量，确定加装转子角控制器的发电机组，在电网实施转子角控制模式后，该方案既可以保障电网在应对负荷扰动时，转子角控制器能获得较好的控制效果，同时使用尽可能少的装机数量，以提高经济效益。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10，根据系统的发电机总装机容量和系统的负荷曲线选取负荷扰动量系数；
步骤20，计算所需加装转子角控制器的发电机组总额定容量；
步骤30，根据各发电机组的额定容量，确定需要加装转子角控制器的最小数量；
步骤40，选取满足对应加装转子角控制器后可改变的发电容量大于负荷扰动量条件的发电机组合作为备选方案；
步骤50，若备选方案不止一组，根据各备选方案的机群联系紧密度，选择其中两个机群间可能传输的最大功率最大的备选方案为优选方案；
步骤60，对优选方案进行稳定性校验，并校验各线路的传输功率是否超限，若满足校验要求，优选方案即为最终的部署方案，若不满足校验要求，进入步骤70；
步骤70，增加一台转子角控制器并返回步骤40。
2.根据权利要求1所述的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，其特征在于，步骤20中：
∑PN,rad为需要加装转子角控制器的发电机组额定总容量，∑PN为系统总的额定容量，β为扰动量系数，则应满足-5％*∑PN,rad<β*∑PN<5％*∑PN,rad。
3.根据权利要求1所述的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，其特征在于，当所述系统为单机系统，其加装转子角控制器后所能改变的机械功率大于负荷的扰动量。
4.根据权利要求1所述的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，其特征在于，当所述系统为双机系统，其中一台发电机组加装转子角控制器，另一台不加装。
5.根据权利要求4所述的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，其特征在于，加装转子角控制器的发电机组改变的发电容量大于系统的负荷扰动量。
6.根据权利要求1所述的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，其特征在于，当所述系统为多机系统，将系统所有发电机组分成加装控制器的机群和未加装控制器的机群并再聚合为两个等值机组，两个等值机组的等值转动惯量为所述机群中各发电机组的转动惯量之和，两个等值机组的额定容量为所述机群中各发电机组的额定容量之和。
7.根据权利要求6所述的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，其特征在于，当ΔPmMax,rad为加装转子角控制器的各发电机组所能改变的机械功率最大值，ΔPload为各负荷节点的负荷扰动量，加装转子角控制器的所述机群所能改变的机械功率之和大于整个系统的负荷扰动量之和，即∑ΔPmMax,rad＞∑ΔPload。
8.根据权利要求1所述的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，其特征在于，步骤50中：
计算机群联系紧密度包括，当两个所述机群间可传输的最大功率为Pmax，Ei为发电机等值电动势，Mi为发电机惯性时间常数，MRAD和MNRAD为加装和未加装转子角控制器机群的等值惯性时间常数，Yij和θij为消去非发电机节点后的节点导纳矩阵对应互导纳的模和辐角，则应满足
Figure FDA0003834421840000031
9.根据权利要求1所述的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，其特征在于，步骤60中：
稳定性校验包括负荷扰动试验和故障试验，除了要检验系统能否稳定外，还应检验在稳定控制的动态过程中，各线路的传输功率是否在允许的范围内。
10.根据权利要求9所述的基于转子角控制模式下的转子角控制器最少部署方法，其特征在于，在稳定控制的动态过程中，当加装转子角控制器的机组输出功率达到极值时，各线路传输功率达到极值，若各线路的传输功率仍在允许的范围内，即认为各线路传输功率始终在允许的范围内。
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