水电机组调速器附加阻尼控制仿真试验

西南电网异步运行后带来的频率稳定问题突出,其中对超低频振荡的抑制的研究成果有待在实际电网中近一步实践。本文首先对超低频振荡问题进行了概述,指出了超低频振荡根源在于水电机组原动机控制系统,随后分析了现有振荡抑制措施的局限性并提出了基于调速器附加阻尼控制(GPSS)的超低频振荡抑制方法。基于时频分析的方法对控制参数进行了整定并在Simulink中搭建了单机带负荷水电机组调速系统模型验证了GPSS的抑制效果。最后,搭建了半实物化仿真试验平台并验证了GPSS的超低频振荡抑制效果,为GPSS在实际电网中的应用提供了实践支撑。     

高比例水电送出系统超低频频率振荡风险及影响因素分析

2016年云南电网与南方电网主网异步互联前期,开展了孤岛试验,实验过程中发生了频率低于0.1Hz的超低频频率振荡事件。2018年,渝鄂背靠背工程即将投运,工程投运后西南电网将与华北-华中主网实现异步互联。西南电网与云南电网都具有水电资源丰富、水电机组占比较高的外送型电网结构。为防御西南电网与华北-华中电网异步互联后可能引发的超低频频率振荡现象,针对故障扰动形式、调速器参数、旋转备用、开机方式和参与调频机组容量研究了超低频频率振荡的影响因素,通过仿真分析了低周减载、高周切机和直流频率控制器(frequency controller,FC)、优化水电机组比例-积分-微分(proportionalintegraldifferential,PID)参数对超低频频率振荡的抑制效果。综合对比后得出退出部分水电机组调速器或优化水电机组PID参数可抑制和解决超低频频率振荡问题。     

采用调速器附加阻尼控制抑制异步后云南电网超低频振荡

综述调速器引发低频振荡的作用机理以及调速器附加阻尼控制的研究现状,详细分析了水电机组调速器的负阻尼作用原理,针对云南水电机组研究和设计了一种调速器附加阻尼控制器结构,采用了时域仿真法对异步后云南电网的超低频振荡进行了仿真比对,结果表明在云南电网部分水电机组调速器上加装GPSS可显著提升电网抑制超低频振荡能力,并能有效地解决云南水电机组调节的稳定性与快速性之间的协调问题。     

水电汇集多直流弱送端电网稳定控制及系统保护方案

渝鄂柔性直流背靠背和藏中-昌都联网工程投运后,具备水电汇集多直流弱送端特征的西南电网规模显著减小且长链式弱互联结构突出,电网安全稳定特性面临深刻变化。在深入分析西南电网运行特性和面临风险的基础上,指出了现有安全稳定控制策略的不足,提出了适应西南电网差异化稳定控制需求的系统保护架构和功能配置方案,并阐述了其关键技术。该系统中全网功角稳定控制、频率控制、电压控制、低频振荡和超低频振荡抑制,以及全景状态感知与监测等功能,可提高西南电网水电送出能力,支撑西南乃至国家电网安全稳定运行。     

水电机组超低频振荡贡献度排序及抑制方法研究

文章分析了超低频振荡产生机理,构造了哈密顿能量函数,研究了水电机组注入系统能量变化量,将水电机组对超低频振荡的贡献度排序。文中提出一种基于调速器附加阻尼控制的超低频振荡抑制方法,利用TLS-ESPRIT辨识算法和改进的混沌粒子群算法对附加阻尼控制器参数进行优化,实现了对水电机组调速器的相位补偿,抑制了超低频振荡。最后,在改进的四机两区域模型中进行了仿真验证,结果表明所提出的方法能有效评价水电机组对超低频振荡的贡献度,抑制超低频振荡。     

水火电机组调速器死区对超低频振荡的影响分析

超低频振荡是近年来西南电网容易出现的频率稳定问题。现在的研究发现调速器系统是引起超低频的关键因素,通过优化调速器参数是抑制超低频振荡的有效手段。除此以外,调速器的死区作为非线性环节,对超低频振荡的影响很大,利用调速器死区实现抑制超低频振荡成为一种可能。基于此利用频率响应模型,分析水、火电机组的调速器死区对超低频振荡的影响,对如何利用死区配置在不损失调频能力的情况下实现超低频振荡抑制给出合理的建议。     

云广特高压直流送端孤岛运行超低频振荡与措施

大容量特高压直流输电系统与配套大型水电站构成的直流送端孤岛运行系统存在着较严重的调速器控制稳定问题。云广特高压直流送端孤岛系统也存在水电机组调速器与直流控制不协调而出现的超低频振荡现象。分析了电网超低频振荡过程中所有机组的同调特征,提出了电网超低频振荡分析模型。基于频域分析法指出了水轮机调节系统在超低频范围内存在负阻尼频带,水轮机调节系统的时间常数越大、调速器前向通道增益越大,负阻尼越显著。提出了通过退出部分机组一次调频功能或协调机组一次调频与直流频率限制控制器(FLC)动作死区设置,以直流FLC调频为主的直流孤岛频率控制策略能有效抑制孤岛系统的超低频振荡。基于实时数字仿真器(RTDS)的机网协调控制实时仿真结果验证了该策略的有效性。     

兼顾一次调频性能和超低频振荡抑制的水轮机调速器PID参数优化

针对水电高占比电网超低频振荡抑制需求,提出一种兼顾一次调频性能和超低频振荡抑制的水轮机调速器PID参数优化方法。以机组功率响应曲线上升时间、稳定时间以及反调功率为一次调频性能指标,以调速器和原动机系统在超低频段的阻尼水平作为超低频振荡阻尼性能指标,建立综合优化目标函数,采用智能算法进行参数优化。提升水轮机调速器在超低频段的阻尼水平,为通过调速器参数优化抑制超低频振荡提供技术手段。算例分析表明所提方法正确有效。     

一种基于Prony分析的水电机组调速器PID参数切换方法

随着直流异步联网快速发展,具有随机性的新能源大量接入以及负荷波动的加剧,为确保电网的频率质量,对水电机组的一次调频性能提出了更高要求。目前水电机组调速器通过调整PID参数可满足电网的一次调频需求,但该参数可能又影响系统动态稳定性,引发系统超低频振荡。为解决如上问题,本文提出了一种基于Prony分析的水电机组调速器PID参数切换方法,用不同的控制参数实现分段控制,使得调速器能够同时兼顾一次调频性能和动稳阻尼水平,从而实现从电厂侧抑制电网的超低频振荡。通过对异步后云南电网实际系统的时域仿真,验证了该方法的有效性和鲁棒性。     

水电机组引起的超低频振荡特性及抑制措施研究

近年来,直流孤岛送出系统中陆续出现了振荡频率低于0.1Hz的超低频振荡现象,严重危害电网的安全稳定运行。研究表明,由于水电机组中存在水锤效应,若调速器控制参数设置不合理,系统的阻尼和稳定性会恶化,水电机组比例过高会使得系统中出现超低频振荡。针对此问题,首先建立含PID型水电机组调速器的多机系统线性化状态空间模型,求解出超低频振荡模式。然后,采用阻尼转矩分析法分析调速器控制系统的阻尼特性,并提出一种基于相位补偿原理的调速器侧电力系统稳定器(governorpowersystem stabilizer,GPSS)设计方法,可以通过GPSS来增加调速器控制系统阻尼,从而抑制系统的超低频振荡。最后,在3机9节点系统中,采用特征分析法,根据参与因子和根轨迹对超低频振荡特性进行分析得出:调速器控制系统确实深度参与了超低频振荡现象,通过合理设置调速器控制参数可以增大超低频振荡模式的阻尼比。同时,在单机单负荷和4机2区域仿真系统中验证了该文所设计的GPSS抑制超低频振荡的有效性。     

增强型调速器对电网超低频振荡稳定性的影响

研究了水电机组增强型调速器对电网超低频振荡稳定性的影响。根据增强型调速器主要改进了一次调频死区的特点,利用考虑一次调频死区的调速模型,推导了计及电网稳态频率偏移量的增强型调速器一次调频死区的描述函数,给出了基于描述函数的增强型调速器对电网超低频振荡稳定性影响的理论分析结果,并在单机带负荷系统和云南电网中进行了仿真验证。结果表明,增强型调速器对超低频振荡稳定性的影响与不含一次调频死区的调速系统的稳定性、电网稳态频率偏移量以及扰动大小等因素相关,当电网稳态频率偏移量等于死区设定值时,增强型调速器机组的超低频振荡会发展成自激振荡。     

抑制超低频振荡的稳定器控制机理及策略验证

电力系统稳定器(PSS)是解决低频振荡的有效手段,但对于富集水电互联系统出现的超低频振荡,无法提供有效正阻尼。文中基于复转矩系数法对超低频振荡机理进行剖析,理论推导出附加阻尼控制的可行性。利用分频段控制思想,对传统PSS附加低通分支以拓展超低频控制段,构建新型抑制超低频振荡的PSS控制结构,同时提出频段设定和计及系统工况变化的控制参数鲁棒整定算法。通过应用于四川电网某水电外送区域的实例测试,验证了该附加阻尼控制策略对不同工况下产生的超低频振荡均能有效抑制。     

水电机组经高压直流外送系统建模及多频段振荡模态分析

随着电网不断扩大与发展,电力系统出现了水电经高压直流输电系统外送的结构,为保障电网的安全稳定运行,有必要探索该系统是否存在多频段振荡风险。首先,文中建立了水电机组和高压直流输电2个系统的独立模型,并推导了其接口动态方程,进而建立了全系统状态空间模型,并验证了模型的正确性。在此模型基础上,采用特征根分析法对系统进行多频段振荡模态特征识别和影响分析。分析结果表明,外送系统存在超低频、低频、次同步振荡模态。其中,超低频振荡模态除了与水电机组调速器强相关以外,还与整流站定电流控制器弱相关,在高比例水电出力的场景易发生超低频振荡;低频振荡模态与锁相环强相关,锁相环控制参数在合理范围内变化,不会激发系统低频振荡模态;水电机组和高压直流输电系统间电气和多控制环节共同影响次同步振荡模态,当受端电网强度弱时,系统次同步振荡模态被激发,调整励磁增益和整流站/逆变站控制参数可以改善模态阻尼。     

水电机组引起的超低频振荡机理分析

2016年云南电网与南方电网主网异步联网试验过程中,云南电网出现了超低频振荡,严重危害电网稳定运行。经过初步研究,认为超低频振荡是由电网中的水电机组所引起。针对此问题,首先建立水电机组稳定性分析模型,并对模型传递函数的特征方程进行分析,结果表明:调速器控制参数设置不合理会造成电网失稳,如果选取的比例参数与积分参数比值过小,会引起电网发生超低频振荡。然后,对机理分析所得结论进行时域仿真验证,仿真结果与机理分析结论一致。最后,提出采用基于离线仿真试验的临界参数法和基于解析式计算的极点配置法来优化调速器参数,从而达到抑制超低频振荡的目的。     

超低频振荡主导机组的在线监控方法

电网超低频振荡是由于水电机组机械转矩负阻尼导致一次调频控制过程不稳定引起的,而实际运行中,现有监测系统不能监测机组的机械功率,导致运行人员无法识别超低频振荡主导机组,无法快速平息振荡。文中分析机械转矩与电磁转矩阻尼特性的关系,提出了一种机械转矩阻尼的在线评估方法,实现超低频振荡主导机组的在线辨识,并退出其一次调频,抑制频率振荡。仿真结果及实际PMU录波曲线验证了文中方法的有效性,为超低频振荡的在线控制提供了有效技术手段。     

水电机组超低频振荡小信号模型及影响因素分析

近年来,水电机组占比较大的电网多次发生振荡频率低于0.1Hz的超低频振荡事件,严重影响了系统的安全稳定运行。为明晰超低频振荡发生场景,首先,建立单机无穷大系统和单机带负荷系统模型,分别推导了两系统在考虑与不考虑励磁和电力系统稳定器(power system stabilizer,PSS)时的线性化状态空间模型,求解出不同的振荡模式。然后,基于振荡幅值计算,提出用振荡能量级理论来评估系统主导振荡模式的方法,解释了受端为非无穷大系统时更容易产生超低频振荡的原因。其次,根据建立的单机带负荷系统状态空间模型,从机理上分析了励磁调节和PSS对系统超低频振荡的影响并确定了影响超低频振荡的因素,得出适当增加调速器比例与积分环节增益比值可以有效抑制超低频振荡。最后仿真验证了调速器、励磁系统和PSS对超低频振荡的影响,同时在单机无穷大系统中验证所提评估主导振荡模式方法的正确性。     

抑制超低频振荡的调速器PID参数多机协调优化

针对云南电网与主网异步后系统频率出现的持续超低频振荡问题,提出一种用于抑制超低频振荡的调速器PID参数多机协调优化策略。该策略首先在分析PID参数敏感性的基础上提出多机协调优化目标,然后以一次调频稳定时间最小为指标,通过PID参数的启发式动态调整,实现云南电网各机组调频能力平衡和协调优化。利用所提出策略得到云南电网主力机组调速器PID的优化参数,并在云南电网实际系统多个场景中进行仿真,结果表明:优化后的系统参数能够有效提升云南电网频率响应阻尼比,抑制超低频振荡,从而验证了所提策略的有效性与可行性。     

电力系统超低频频率振荡分析及扰动源定位

超低频率振荡是高比例水电系统面临的突出挑战,大量水电机组调速系统及水力系统的负阻尼聚合是激发全网频率振荡的主要原因。频率振荡期间,水轮机接力器往复动作会导致液压系统油压下降,严重时将导致机组低油压而停机,负阻尼振荡将导致系统频率增幅振荡,控制不及时可能触碰系统高/低周控制动作。传统的降低机组有功出力、提高系统电压水平等振荡控制手段对超低频频率振荡抑制没有明显效果,这对系统安全稳定运行带来严重危害。为准确定位超低频振荡强相关机组,提出了利用发电机速度偏差与机械功率获取调速系统振荡能量的计算方法。同时,针对工程中发电机机械功率难以直接测量的难题,研究提出了利用广域测量系统(wide area measurement system,WAMS)实测的发电机转速和电磁功率合成发电机机械功率的实用算法,可准确计算动态过程中发电机机械功率值,并在电网超低频频率振荡案例分析和大电网超低频振荡预控中验证了该实用算法的有效性。该方法可综合应用同步相量测量装置(phasor measurement unit,PMU)/故障录波/WAMS等广域信息,实现电力系统发生超低频振荡时,可对机组控制设备进行精细化定位...     

兼顾超低频振荡阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化策略

针对水电高占比电网超低频振荡抑制需求及现有水电机组调速系统控制参数整定方法难以有效协调系统阻尼特性与一次调频动态性能之间矛盾关系的问题,提出一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化策略。首先建立适用于小波动工况的水电机组调速系统模型,推导调速系统阻尼特性与振荡频率之间的关系表达式,引入用于协调水电机组阻尼特性和一次调频动态性能的多目标函数;然后采用预先处理和后处理相结合的约束处理策略对相应约束条件进行处理;最后采用多目标引力搜索算法对目标函数进行求解,并对非支配解集进行优选,得出水电机组在一次调频工况下的最优运行参数。仿真结果表明,采用所提策略得到的最佳兼容解能在避免一次调频被考核的同时,较好地提升调速系统在超低频段的阻尼水平,有利于抑制超低频振荡的发生。     

水电机组PID功率调节对异步送端电网的频率稳定性影响

以我国首个异步运行的省级电网——云南电网为工程背景,围绕水电机组比例-积分-微分(PID)功率调节,提出异步送端电网频率稳定性分析方法。该方法分析了定值调节和一次调频系统由于超调和外部激励导致的输出功率振荡特征,揭示了PID调节系统受初始干扰激发后所产生的超调振荡的成因、周期,明晰了外部周期性激励下调节系统持续振荡的机制及其正面或负面作用。结合云南电网的频率振荡案例验证了所提方法的有效性,并给出了防止水电机组PID功率调节引起电网频率振荡的改进策略,仿真结果表明该策略可以有效缓解水电异步送端电网的超低频振荡问题。