CN113866501B - 一种基于能流功率的次同步振荡扰动源定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于能流功率的次同步振荡扰动源定位方法，通过电气元件的有功功率、频率瞬时值进行频谱分析，根据频谱分析结果判断次同步振荡是否发生，并结合能量占比排序搜索主导振荡模式，进而利用能流功率计算公式得到次同步振荡能量流动方向，从而判断出次同步振荡扰动源的位置。本发明能够指导次同步振荡发生后的事件处理，降低次同步振荡带来的损失，操作简单，有利于实际工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及次同步振荡扰动源定位方法，尤其涉及一种基于能流功率的次同步振荡扰动源定位方法。
背景技术
国内外学者从20世纪70年代就已经认识到火电机组和串补相互作用引发的次同步振荡现象。从那时起，研究人员就不断针对一些实际工程现象对此类问题进行了研究，早期主要针对火电机组轴系扭振激发的振荡，然后转移到的风电控制器引起的振荡，再过渡到柔直变流器中电力电子设备的快速响应及其与其他设备间相互作用引起的振荡。近来，随着新能源发电和柔性直流输电的发展，特别是大型风电场经柔直系统送出工程数量的持续增长，使得电力电子设备增长迅猛，次同步振荡问题在实际工程中频繁出现，引发工程界和学术界的广泛关注。
在理想的情况下，电网应该提供良好正弦波形的电压。但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而产生畸变，即产生谐波。在供电系统中，谐波产生的根本原因是电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，导致所加的电压和所产生的电流波形不相似而不成线性关系，如整流器、逆变器等。
新能源风力发电、光伏发电中广泛使用电力电子整流、逆变设备，如风机整流器、SVG等无功补偿设备，会产生大量谐波。以前，新能源并网主要关注的是高次谐波(50Hz的整数倍)，针对高次谐波采用了大量硬件滤波器改善设备的谐波特性，但是对10Hz～40Hz、60Hz～90Hz范围内的谐波缺乏关注、未采取有效的治理措施。
次同步谐波除了影响系统电能质量外，还可能影响火电机组安全运行。大型火电机组轴系存在10Hz～40Hz范围内的固有扭振频率，若系统谐波频率与机组轴系频率吻合(50Hz互补)则会导致火电机组发生轴系扭振，造成轴系损坏，严重危害系统安全稳定运行。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能缓解次同步振荡对电网安全稳定的影响程度且提高电网安全稳定水平的基于能流功率的次同步振荡扰动源定位方法。
技术方案：本发明的次同步振荡扰动源定位方法，包括以下步骤：
(1)采集电气元件的有功功率、频率瞬时值，对有功功率的瞬时值进行频谱分析，根据频谱分析结果判断是否发生次同步振荡；
(2)判断发生次同步振荡后，利用有功功率频谱分析结果，搜索次同步振荡的稳态阶段；筛选出幅值大于门槛定值，且对应角频率处于次同步振荡频带范围内的振荡分量；根据该振荡分量的衰减系数，判断是否为次同步振荡的等幅振荡阶段；
(3)根据步骤(2)中次同步等幅振荡的时间段，对该时间段内各元件的有功功率、频率均进行频谱分析，并计算各自频谱分析结果中的各振荡分量的能量占比，按能量占比从大到小对振荡分量进行排序；
(4)根据步骤(3)得到的有功功率频谱分析结果中各振荡分量的能量占比排序，选择能量占比高的振荡分量Zp；根据有功功率振荡分量Zp的角频率ω0，在频率的频谱分析结果中，按能量占比排序搜索相近角频率下的振荡分量Zf；
(5)根据步骤(4)得到的有功功率振荡分量Zp和相近角频率下的振荡分量Zf，计算能流功率POE；
(6)根据各元件能流功率POE的正负情况以及振荡源位置与能流功率POE的对应关系，确定扰动源的位置。
进一步，所述步骤(1)中，通过对有功功率的瞬时值进行频谱分析，得到相应的直流分量和多个带衰减系数的振荡分量Zp(i)：
其中，
Zp(i)为有功功率瞬时值频谱分析所得的第i个振荡分量，i＝1，2，…，n；
αp(i)为第i振荡分量的衰减系数；
Ap(i)为第i振荡分量的幅值；
ωp(i)为第i振荡分量的角频率；
为第i振荡分量的初始相位；
若n个振荡分量中存在某个振荡分量Zp(i)的幅值Ap(i)大于门槛定值，且对应角频率ωp(i)处于次同步振荡频带范围内，则认为电网在时刻t发生了次同步振荡；此时，执行步骤(2)；否则，重复步骤(1)。
进一步，所述步骤(2)的实现过程为：
(21)通过对有功功率频谱分析，筛选出幅值Ap(i)大于门槛定值，且对应角频率ωp(i)处于次同步振荡频带范围内的振荡分量，并对振荡分量的衰减系数αp(i)与门槛定值进行比较；
(22)若得到的αp(i)小于等于门槛定值，则认为次同步振荡接近等幅振荡阶段，此时执行步骤(3)；
(23)若得到的αp(i)大于门槛定值，则继续按照Δt的时间间隔，对各元件有功功率的瞬时值进行频谱分析；
(24)循环执行步骤(21)～(23)，若连续k次的有功功率频谱分析结果中均未成功筛选出幅值Ap(i)大于门槛定值，且对应角频率ωp(i)处于次同步振荡频带范围内的振荡分量，则认为次同步振荡已消失，返回步骤(1)，重新进行次同步振荡监测判断。
进一步，所述步骤(3)中，能量占比的计算公式为：
其中，Ei为第i个振荡分量Zp(i)的能量占比；
m为时间段Δt内有功功率/频率瞬时值的总的采样点数；
为第i个振荡分量Zp(i)在时间段Δt内所有采样点对应瞬时值的绝对值求和；
为所有振荡分量的求和；
为所有振荡分量求和后，再计算求和结果在时间段Δt内的各采样点绝对值之和。
进一步，所述步骤(4)中，能量占比高的振荡分量Zp为：
其中，ΔP、ω0、α0分别为对应振荡分量Zp的幅值、角频率、初始相位、衰减系数；t为时间；
按能量占比排序搜索相近角频率下的振荡分量Zf：
其中，Δf、ω0′、α1分别为对应振荡分量Zf的幅值、角频率、初始相位、衰减系数；t为时间。
进一步，所述能流功率POE为：
若能流功率POE为正，则表示能量从元件起始端流出，认为振荡源位于元件起始端侧；
若能流功率POE为负，则表示能量从元件起始端流入，认为振荡源位于元件末端侧。
本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、本发明提供了一种基于能流功率的次同步振荡扰动源定位方法，能指导次同步振荡发生后的事件处理，降低次同步振荡带来的损失；通过快速确定扰动源，破坏振荡条件，使振荡快速平息，降低电网稳定风险；2、本发明提出的能流功率计算简单，有利于实际工程应用。
附图说明
图1为本发明的总流程图；
图2为某区域电网网架及能流功率方向示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
如图1所示为本发明的总流程图，包括步骤如下：
步骤1，采集线路、变压器、电源等电气元件的有功功率、频率瞬时值，首先对有功功率进行频谱分析；根据频谱分析结果判断是否发生次同步振荡，其实现方法为：
通过对有功功率在时刻t～t+Δt的时间段内的瞬时值进行频谱分析，得到相应的直流分量和n个带衰减系数的振荡分量Zp(i)(i＝1，2，…，n；)，振荡分量Zp(i)为对时间t的带衰减的余弦函数：
式(1)中：
Zp(i)为有功功率瞬时值频谱分析所得的第i个振荡分量；
αp(i)为第i振荡分量的衰减系数；
Ap(i)为第i振荡分量的幅值；
ωp(i)为第i振荡分量的角频率；
为第i振荡分量的初始相位。
若n个振荡分量中存在某个振荡分量Zp(i)的幅值Ap(i)大于门槛定值，且对应角频率ωp(i)处于次同步振荡频带范围内，则认为电网在时刻t发生了次同步振荡。此时进入步骤2，否则重复步骤1。
步骤2，判断出发生次同步振荡后，利用有功功率频谱分析结果，搜索次同步振荡的稳态阶段，其实现方法为：
(21)针对有功功率频谱分析结果，筛选出幅值Ap(i)大于门槛定值，且对应角频率ωp(i)处于次同步振荡频带范围内的振荡分量，判断该振荡分量的衰减系数αp(i)是否大于门槛定值；
(22)若得到的αp(i)小于等于门槛定值，则认为次同步振荡接近等幅振荡阶段，此时进入步骤3；
(23)若得到的αp(i)大于门槛定值，则继续按照Δt的时间间隔，对各元件有功功率的瞬时值进行频谱分析；
(24)循环步骤21～23的各个过程，若连续k次的有功功率频谱分析结果中均未成功筛选出幅值Ap(i)大于门槛定值，且对应角频率ωp(i)处于次同步振荡频带范围内的振荡分量，则认为次同步振荡已消失，返回步骤1重新进行次同步振荡监测判断。
步骤3，根据步骤2所得到的次同步等幅振荡时间段Δt，对该时间段内各元件的有功功率、频率均进行频谱分析，并计算各自频谱分析结果中的各振荡分量Zp(i)的能量占比，按能量占比从大到小对振荡分量进行排序。能量占比的计算公式如式(2)所示：
式(2)中：
Ei为第i个振荡分量Zp(i)的能量占比；
m为时间段Δt内有功功率/频率瞬时值的总的采样点数；
为第i个振荡分量Zp(i)在时间段Δt内所有采样点对应瞬时值的绝对值求和；
为所有振荡分量的求和；
为所有振荡分量求和后，再计算求和结果在时间段Δt内的各采样点绝对值之和。
步骤4，根据步骤3得到的有功功率频谱分析结果中各振荡分量的能量占比排序，选择能量占比高的振荡分量：
式(3)中：
Zp为有功功率频谱分析结果中能量占比高的振荡分量；
ΔP、ω0、α0分别为对应振荡分量Zp的幅值、角频率、初始相位、衰减系数；t为时间。
根据有功功率振荡分量Zp的角频率ω0，在频率的频谱分析结果中，按能量占比排序搜索相近角频率下的振荡分量：
式(4)中：
Zf为频率的频谱分析结果中能量占比高、且角频率与Zp的角频率ω0相近的振荡分量；
Δf、ω0′、α1分别为对应振荡分量Zf的幅值、角频率、初始相位、衰减系数；t为时间。
步骤5，根据步骤4得到的有功功率、频率的振荡分量Zp、Zf，计算能流功率POE：
若能流功率POE为正，则表示能量从元件起始端流出，因此可认为振荡源位于元件起始端侧；
若能流功率POE为负，则表示能量从元件起始端流入，因此可认为振荡源位于元件末端侧。
步骤6，根据各元件能流功率POE的正负情况以及振荡源位置和POE的对应关系，即可确定扰动源的位置。
根据图1中的总流程图，以图2所示电力系统为例，对本发明的具体步骤说明如下：
图2为我国某地区电网的简化示意图，该区域电网存在串补及常规火电，其中常规火电Hengl电厂与Fengj串补间存在次同步振荡模式，振荡频率约20Hz左右。
基于EMTDC/PSCAD电磁仿真平台搭建该区域电网仿真模型，仿真步长50μs,无大扰动情况下，系统发生振荡，采集区域内所有电厂及等值电网出线侧的有功功率、频率仿真数据，截取稳态阶段数据进行频谱分析，并对结果进行能量占比排序，结果显示存在频率为20.06Hz左右的次同步振荡，与实际情况基本一致。
选取同一振荡稳态阶段的有功功率、频率的振荡曲线，进行频谱分析，筛选出20.06Hz左右的振荡分量，按照能流功率计算公式：
计算得到各发电厂及等值电网侧的能流功率见表1。
表1各发电厂及等值电网侧的能流功率
| CS等值电网 | HY等值电网 | Guangan电厂 | Shenh电厂 | Hengl电厂 | WX等值电网 |
| -0.06131 | -0.07484 | -0.00862 | -0.0325 | 0.065652 | -0.04814 |
由表1可以看出，区域内除了Hengl电厂能流功率为正，其余电厂/等值电网能流功率均为负，如附图2中虚线箭头所示。因此，可以判断振荡源为Hengl电厂，与实际情况相符。
以上所述仅为本发明的一种实施案例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于能流功率的次同步振荡扰动源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集电气元件的有功功率、频率瞬时值，对有功功率的瞬时值进行频谱分析，根据频谱分析结果判断是否发生次同步振荡；
(2)判断发生次同步振荡后，利用有功功率频谱分析结果，搜索次同步振荡的稳态阶段；筛选出幅值大于门槛定值,且对应角频率处于次同步振荡频带范围内的振荡分量；根据该振荡分量的衰减系数，判断是否为次同步振荡的等幅振荡阶段；
(3)根据步骤(2)中次同步等幅振荡的时间段，对该时间段内各元件的有功功率、频率均进行频谱分析，并计算各自频谱分析结果中的各振荡分量的能量占比，按能量占比从大到小对振荡分量进行排序；
(4)根据步骤(3)得到的有功功率频谱分析结果中各振荡分量的能量占比排序，选择能量占比高的振荡分量Zp；根据有功功率振荡分量Zp的角频率ω0，在频率的频谱分析结果中，按能量占比排序搜索相近角频率下的振荡分量Zf；
所述能量占比高的振荡分量Zp为：
其中，ΔP、ω0、α0分别为对应振荡分量Zp的幅值、角频率、初始相位、衰减系数；t为时间；
按能量占比排序搜索相近角频率下的振荡分量Zf：
其中，Δf、ω0′、α1分别为对应振荡分量Zf的幅值、角频率、初始相位、衰减系数；t为时间；
(5)根据步骤(4)得到的有功功率振荡分量Zp和相近角频率下的振荡分量Zf，计算能流功率POE；所述能流功率POE为：
若能流功率POE为正，则表示能量从元件起始端流出，认为振荡源位于元件起始端侧；
若能流功率POE为负，则表示能量从元件起始端流入，认为振荡源位于元件末端侧；
(6)根据各元件能流功率POE的正负情况以及振荡源位置与能流功率POE的对应关系，确定扰动源的位置。
2.根据权利要求1所述的基于能流功率的次同步振荡扰动源定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过对有功功率的瞬时值进行频谱分析，得到相应的直流分量和多个带衰减系数的振荡分量Zp(i)：
其中，
Zp(i)为有功功率瞬时值频谱分析所得的第i个振荡分量，i＝1，2，…，n；
αp(i)为第i振荡分量的衰减系数；
Ap(i)为第i振荡分量的幅值；
ωp(i)为第i振荡分量的角频率；
为第i振荡分量的初始相位；
若n个振荡分量中存在某个振荡分量Zp(i)的幅值Ap(i)大于门槛定值，且对应角频率ωp(i)处于次同步振荡频带范围内，则认为电网在时刻t发生了次同步振荡；此时，执行步骤(2)；否则，重复步骤(1)。
3.根据权利要求2所述的基于能流功率的次同步振荡扰动源定位方法，其特征在于，所述步骤(2)的实现过程为：
(21)通过对有功功率频谱分析，筛选出幅值Ap(i)大于门槛定值，且对应角频率ωp(i)处于次同步振荡频带范围内的振荡分量，并对振荡分量的衰减系数αp(i)与门槛定值进行比较；
(22)若得到的αp(i)小于等于门槛定值，则认为次同步振荡接近等幅振荡阶段，此时执行步骤(3)；
(23)若得到的αp(i)大于门槛定值，则继续按照Δt的时间间隔，对各元件有功功率的瞬时值进行频谱分析；
(24)循环执行步骤(21)～(23)，若连续k次的有功功率频谱分析结果中均未成功筛选出幅值Ap(i)大于门槛定值，且对应角频率ωp(i)处于次同步振荡频带范围内的振荡分量，则认为次同步振荡已消失，返回步骤(1)，重新进行次同步振荡监测判断。
4.根据权利要求2所述的基于能流功率的次同步振荡扰动源定位方法，其特征在于，所述步骤(3)中，能量占比的计算公式为：
其中，Ei为第i个振荡分量Zp(i)的能量占比；
m为时间段Δt内有功功率/频率瞬时值的总的采样点数；
为第i个振荡分量Zp(i)在时间段Δt内所有采样点对应瞬时值的绝对值求和；
为所有振荡分量的求和；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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