CN111817312B - 基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的方法及系统，属于电力系统技术领域。本发明方法，包括：获取扩展后的菲利浦‑海佛隆模型及模型系数；根据模型系数，获取扩展后的菲利浦‑海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型；根据系统特征模型确定带有附加调差系数的振荡频率；确定扩展后的菲利浦‑海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数；根据扩展后的菲利浦‑海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数确定同步转矩增量，以同步转矩增量对调相机暂态稳定影响进行量化。本发明验证了衡量励磁动态增益对调相机暂态稳定影响的量化方法的准确性，显示出该实测方法具有较强的工程实用性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，并且更具体地，涉及一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的方法及系统。
背景技术
随着特高压交直流大型互联电力系统的发展，电力系统的安全稳定运行日益重要。调相机励磁系统对保证系统电压和无功稳定具有十分显著的作用。现在投产的均为隐极调相机，且大多为调相机变压器组接线方式，且在主变压器的高压侧均并联于同一条母线。所以，同一场站内一台机组的励磁电压发生改变，不仅会改变本机组的无功及电压，而且还会影响其它并列运行机组的无功，从而引起母线电压的变化。为了改善调相机励磁系统对系统无功及电压的控制效果，励磁调节器多采用高动态增益的快速励磁控制，在提高电力系统的电压稳定性的同时，兼顾调相机暂态稳定的影响。
采用适当的励磁动态增益不仅是机组经济运行的要求，也是电网稳定的必要措施，高励磁动态增益在改善电压动态响应的同时也会对调相机的暂态稳定产生影响，进而影响调相机暂态稳定性，现在工程现场还没有衡量励磁动态增益对调相机暂态稳定影响的量化方法,使技术人员设定励磁动态增益时能兼顾对调相机暂态稳定的影响。
为了在工程现场不同工况下更简易地获得准确的励磁动态增益对隐极调相机暂态稳定的影响的具体数据，需要一种新颖的衡量励磁动态增益对隐极调相机暂态稳定影响的量化方法。
发明内容
针对上述问题本发明提出了一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的方法，包括：
将给定的励磁系统产生励磁动态增益的附加调差系数引入，单机无穷大系统的菲利浦-海佛隆模型，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型及模型系数；
根据模型系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型；
确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的系统特征模型，根据系统特征模型确定带有附加调差系数的振荡频率；
以菲利浦-海佛隆模型参数、模型系数和振荡频率为扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型的输入参数，确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数；
根据扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数确定同步转矩增量，以同步转矩增量对调相机暂态稳定影响进行量化。
可选的，菲利浦-海佛隆模型参数包括：单机无穷大系统电压、调相机电压、调相机有功功率、调相机无功功率、调相机内部电抗和调相机外部电抗。
可选的，振荡频率根据系统特征模型的特征值确定。
可选的，扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数的获取，具体包括：
根据菲利浦-海佛隆模型参数，获取原菲利浦-海佛隆模型的模型系数；
根据原菲利浦-海佛隆模型的模型系数及给定的附加调差系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数。
本发明还提出了一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的系统，包括：
第一计算模块，将给定的励磁系统产生励磁动态增益的附加调差系数引入，单机无穷大系统的菲利浦-海佛隆模型，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型及模型系数；
第二计算模块，根据模型系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型；
第三计算模块，确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的系统特征模型，根据系统特征模型确定带有附加调差系数的振荡频率；
第四计算模块，以菲利浦-海佛隆模型参数、模型系数和振荡频率为扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型的输入参数，确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数；
量化模块，根据扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数确定同步转矩增量，以同步转矩增量对调相机暂态稳定影响进行量化。
可选的，菲利浦-海佛隆模型参数包括：单机无穷大系统电压、调相机电压、调相机有功功率、调相机无功功率、调相机内部电抗和调相机外部电抗。
可选的，振荡频率根据系统特征模型的特征值确定。
可选的，扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数的获取，具体包括：
根据菲利浦-海佛隆模型参数，获取原菲利浦-海佛隆模型的模型系数；
根据原菲利浦-海佛隆模型的模型系数及给定的附加调差系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数。
本发明基于扩展的菲利蒲－海佛隆模型及其特征方程的特征值，推导出的同步转矩公式简单有效，适合实际工程应用；
本发明对工况无特殊要求，并网情况下适合所有工况，计算结果鲁棒性较好；
本发明通过调相机组实例分析结果，验证了衡量励磁动态增益对调相机暂态稳定影响的量化方法的准确性，显示出该实测方法具有较强的工程实用性。
附图说明
图1为本发明一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的方法流程图；
图2为本发明一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的方法实施例菲利蒲－海佛隆模型框图；
图3为本发明一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的方法实施例单机无穷大系统示意图；
图4为本发明一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的方法实施例同步转矩系数曲线图；
图5为本发明一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的系统结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提出了一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的方法，如图1所示，包括：
将给定的励磁系统产生励磁动态增益的附加调差系数引入，单机无穷大系统的菲利浦-海佛隆模型，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型及模型系数；
根据模型系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型；
确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的系统特征模型，根据系统特征模型确定带有附加调差系数的振荡频率；
以菲利浦-海佛隆模型参数、模型系数和振荡频率为扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型的输入参数，确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数；
根据扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数确定同步转矩增量，以同步转矩增量对调相机暂态稳定影响进行量化。
菲利浦-海佛隆模型参数包括：单机无穷大系统电压、调相机电压、调相机有功功率、调相机无功功率、调相机内部电抗和调相机外部电抗。
振荡频率根据系统特征模型的特征值确定。
扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数的获取，具体包括：
根据菲利浦-海佛隆模型参数，获取原菲利浦-海佛隆模型的模型系数；
根据原菲利浦-海佛隆模型的模型系数及给定的附加调差系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数。
下面结合实施例对本发明进行进一步说明：
菲利蒲-海佛隆模型的拓展；
在用单机无穷大系统中调相机电抗、功角、电势、机端电压的函数K1—K6表示的单机无穷大系统常用数学模型(即菲利蒲-海佛隆模型)中，未考虑附加调差；
根据单机无穷大系统中调相机各电气量的向量关系可得到无功功率的表达式：
式中：Qe为调相机无功、utq和utd分别为调相机端电压Ut在q轴和d轴的分量、id和iq分别是机端电流在q轴和d轴的分量、xd′是调相机d轴暂态电抗、xe为调相机外部电抗；x′d∑＝x′d+xe、Eq′是调相机q轴暂态电势、Us为无穷大母线电压、δ为调相机q轴与Us的夹角，即调相机功角、xq是调相机q轴电抗、xq∑＝xq+xe；
式(1)可以写成δ与E′q的偏差方程的形式如下：
ΔQe＝K11Δδ+K12ΔE′q (2)
式中：ΔQe为无功变化量、Δδ为功角变化量、ΔE′q为调相机q轴暂态电势变化量、K11、K12的计算公式为：
式中：E′q0为调相机q轴暂态电势初始值；δ0为调相机功角初始值。调相机并网状态下，机端电压保持在额定值附近，近似认为调相机无功电流与调相机无功成同比例变化，则无功调差公式可以用下式表示：
U′t＝Ut+XcQe (4)
式中Xc为附加调差系数，对式(4)求微分可得ΔU′t的表达式，并设
ΔU′t＝K′5Δδ+K′6ΔE′q (5)
其中：
所以，考虑附加调差后的菲利蒲–海佛隆模型就是将原模型的K5和K6分别用K′5和K′6代替，原模型的调相机端电压变化量ΔUt用ΔU′t代替，因为考虑附加调差后，并没有改变菲利蒲-海佛隆模型的结构，只是以上3个量发生了变化，如图2所示。
设励磁系统传递函数为：
其中，KA为励磁系统动态增益，TA是励磁调节器电压反馈时间常数，有附加调差时励磁系统附加转矩的表达式为：
式中：T′d0为调相机开路d轴暂态时间常数。
以s＝jω2代入式(10)，便可得到引入附加调差后励磁系统阻尼转矩系数KD(Xc≠0)和同步转矩系数KS(Xc≠0)的表达式，见式(11)、式(12)。
式中ω0＝2πf0，电网f0＝50Hz，ω2为有附加调差时系统的振荡频率。
ΔTe＝ΔTe1+ΔTe2＝K1Δδ+ΔTe2 (13)
则可得到调相机总体同步转矩系数KS为：
由式(7)及式(12)可见，动态增益KA只影响励磁系统附加同步转矩系数KS(Xc≠0)，对K1没有影响。因此，通过研究KA对KS(Xc≠0)的影响，以及KS(Xc≠0)与K1的数量关系，便可以得到动态增益KA对调相机总体同步转矩系数KS影响的大小。
系统振荡频率的计算过程；
如果已知振荡频率，则可以计算、比较KD(Xc＝0)与KD(Xc≠0)和KS(Xc＝0)与KS(Xc≠0)的大小，但是，振荡频率本身又是阻尼力矩系数和同步力矩系数的函数，将通过求解系统特征方程的特征值来求得振荡频率。
以图3所示，所示单机无穷大模型为例，对阻尼转矩系数和同步转矩系数的计算分析过程进行说明；
给定系统电压Vs，调相机电压Vt、调相机有功P和无功Q，调相机电抗xd、xd'、xq，外部电抗xe，可以计算出E'q0、sinδ0，进而计算菲利蒲-海佛隆模型系数[15]K1～K6，给定附加调差系数Xc后，由式(3)计算模型系数K11、K12，进而通过式(6)得到系数K′5和K′6。
设调相机采用理想快速励磁系统(TA＝0)传递函数为KA，不考虑调相机阻尼绕组(D＝0)，根据图1可写出有附加调差的系统状态方程组：
设式(15)式的系数矩阵为A。可根据下式求得矩阵A的特征值：
A的特征值中有两个互为共轭的复数λ1,λ2和一个实数。其中：
α1为衰减系数、ω2为阻尼振荡频率、ζ为阻尼比。
同步转矩系数的计算；
将ω2代入式(12)和(14)，可以求得不同励磁动态增益KA下的考虑附加调差的励磁附加同步转矩系数KS(Xc≠0)和调相机总体同步转矩系数KS；
以表1所示的某300MVar调相机组测试结果为例对本发明进一步的详细说明
表1
| 励磁动态增益K<sub>A</sub>(p.u.) | 励磁附加同步转矩系数K<sub>S(Xc)(p.u.)</sub> | 发电机总体同步转矩系数K<sub>S</sub>(p.u.) |
| 18 | -0.002689 | 0.1423 |
| 36 | -0.005498 | 0.1395 |
| 54 | -0.007802 | 0.1372 |
| 72 | -0.009408 | 0.1356 |
| 90 | -0.010482 | 0.1346 |
| 108 | -0.011205 | 0.1338 |
| 126 | -0.011703 | 0.1333 |
| 144 | -0.012055 | 0.133 |
| 162 | -0.012311 | 0.1327 |
| 180 | -0.012502 | 0.1325 |
| 198 | -0.012646 | 0.1324 |
| 216 | -0.012758 | 0.1323 |
| 234 | -0.012847 | 0.1322 |
| 252 | -0.012917 | 0.1321 |
| 270 | -0.012974 | 0.1321 |
| 288 | -0.013021 | 0.132 |
| 306 | -0.013059 | 0.13197 |
| 324 | -0.013091 | 0.13194 |
表1计算结果采用的相关参数为：励磁系统动态放大倍数KA＝18,324]，励磁系统时间常数TA＝0.02s；调相机参数Xd＝p.u.，Xq＝1.48p.u.，X′d＝0.14p.u.，T′d0＝8.81s，惯性常数H＝2.315s；主变电抗XT＝0.08p.u.；500kV等级的线路电抗XL＝0.1p.u.；调相机的额定容量SN＝300MVA，调相机运行有功P＝-0.01p.u.，调相机运行无功Q＝-0.41p.u.；电力系统电压US &＝0.98∠0°其中，调相机、主变、线路的电抗标幺基值均为调相机的额定容量SN。
本发明还提出了一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的系统200，如图5所示，包括：
第一计算模块201，将给定的励磁系统产生励磁动态增益的附加调差系数引入，单机无穷大系统的菲利浦-海佛隆模型，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型及模型系数；
第二计算模块202，根据模型系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型；
第三计算模块203，确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的系统特征模型，根据系统特征模型确定带有附加调差系数的振荡频率；
第四计算模块204，以菲利浦-海佛隆模型参数、模型系数和振荡频率为扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型的输入参数，确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数；
量化模块205，根据扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数确定同步转矩增量，以同步转矩增量对调相机暂态稳定影响进行量化。
菲利浦-海佛隆模型参数包括：单机无穷大系统电压、调相机电压、调相机有功功率、调相机无功功率、调相机内部电抗和调相机外部电抗。
振荡频率根据系统特征模型的特征值确定。
扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数的获取，具体包括：
根据菲利浦-海佛隆模型参数，获取原菲利浦-海佛隆模型的模型系数；
根据原菲利浦-海佛隆模型的模型系数及给定的附加调差系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数。
本发明基于扩展的菲利蒲－海佛隆模型及其特征方程的特征值，推导出的同步转矩公式简单有效，适合实际工程应用；
本发明对工况无特殊要求，并网情况下适合所有工况，计算结果鲁棒性较好；
本发明通过调相机组实例分析结果，验证了衡量励磁动态增益对调相机暂态稳定影响的量化方法的准确性，显示出该实测方法具有较强的工程实用性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的方法，所述方法包括：
将给定的励磁系统产生励磁动态增益的附加调差系数引入，单机无穷大系统的菲利浦-海佛隆模型，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型及模型系数；
根据模型系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型；
确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的系统特征模型，根据系统特征模型确定带有附加调差系数的振荡频率；
以菲利浦-海佛隆模型参数、模型系数和振荡频率为扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型的输入参数，确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数；
根据扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数确定同步转矩增量，以同步转矩增量对调相机暂态稳定影响进行量化。
2.根据权利要求1所述的方法，所述菲利浦-海佛隆模型参数包括：单机无穷大系统电压、调相机电压、调相机有功功率、调相机无功功率、调相机内部电抗和调相机外部电抗。
3.根据权利要求1所述的方法，所述振荡频率根据系统特征模型的特征值确定。
4.根据权利要求1所述的方法，所述扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数的获取，具体包括：
根据菲利浦-海佛隆模型参数，获取原菲利浦-海佛隆模型的模型系数；
根据原菲利浦-海佛隆模型的模型系数及给定的附加调差系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数。
5.一种基于励磁动态增益量化调相机暂态稳定影响的系统，所述系统包括：
第一计算模块，将给定的励磁系统产生励磁动态增益的附加调差系数引入，单机无穷大系统的菲利浦-海佛隆模型，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型及模型系数；
第二计算模块，根据模型系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型；
第三计算模块，确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的系统特征模型，根据系统特征模型确定带有附加调差系数的振荡频率；
第四计算模块，以菲利浦-海佛隆模型参数、模型系数和振荡频率为扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数模型及调相机的同步转矩系数模型的输入参数，确定扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数；
量化模块，根据扩展后的菲利浦-海佛隆模型的同步转矩系数及调相机的同步转矩系数确定同步转矩增量，以同步转矩增量对调相机暂态稳定影响进行量化。
6.根据权利要求5所述的系统，所述菲利浦-海佛隆模型参数包括：单机无穷大系统电压、调相机电压、调相机有功功率、调相机无功功率、调相机内部电抗和调相机外部电抗。
7.根据权利要求5所述的系统，所述振荡频率根据系统特征模型的特征值确定。
8.根据权利要求5所述的系统，所述扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数的获取，具体包括：
根据菲利浦-海佛隆模型参数，获取原菲利浦-海佛隆模型的模型系数；
根据原菲利浦-海佛隆模型的模型系数及给定的附加调差系数，获取扩展后的菲利浦-海佛隆模型的模型系数。
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