超低频振荡机理分析及水轮机调速系统参数优化

近年来国内外电网发生了多起超低频振荡事件,相关研究发现,超低频振荡发生的主要原因是由于水轮机调速系统在超低频段呈现明显的负阻尼。为此,在建立单机系统模型的基础上,对单机系统闭环传递函数特征方程的分析表明在比例参数与积分参数比值过小时,会发生超低频振荡;进而,对水轮机调速器阻尼特性分析进一步说明比例参数与积分参数的比值过小会引起阻尼转矩系数过小,造成调速系统向系统提供负阻尼,而引发超低频振荡。从而从机理上解释了引发超低频振荡的内在原因。接着,针对单机系统,提出一种基于水轮机调速系统控制参数的最优PID参数整定方法,此方法在抑制超低频振荡的同时,兼备调速系统的调节性能,并且,通过与粒子群算法的对比,表明此优化方法的有效性和优越性。最后,在四机两区系统中验证了优化调速系统PID参数增加系统正阻尼以抑制超低频振荡的有效性。     

调速器参数对水电主导系统稳定性影响及整定

水电主导调频的系统容易发生频率振荡现象,故在整定水轮机调速器PID参数时,往往以频率的小干扰稳定为目标进行优化。本文基于阻尼转矩法,分析了PID参数对频率振荡转矩和低频振荡转矩的影响,并通过四机二区系统进行了验证,研究结果表明,调整PID参数抑制频率振荡的同时,可能会加剧系统的低频振荡。最后提出一种适用于水电主导调频系统的PID参数整定方法,该方法在提高系统频率稳定性的同时,不会恶化弱阻尼低频振荡模式。     

水轮发电机组抑制超低频振荡的阻尼控制参数优化研究

异步联网后云南电网的某直流孤岛中,出现了长时间的超低频振荡现象,严重影响了孤岛系统的安全稳定运行。电网中水轮机的水锤效应时间常数变大,阻尼比会随之减小,导致系统的稳定性得恶化。本文利用等值的单机系统模型,基于频域响应法分析了水锤效应与系统稳定性的关系。根据调速系统的阻尼特性,在实际孤岛中进行了PID参数优化仿真试验,比较了不同PID参数下的频率稳定性,给出了调速系统与直流频率限制控制器的协调控制方法。最后,运用云南电网的某实际直流孤岛作为算例,验证了本文提出的控制方法对抑制超低频振荡的有效性。     

电网超低频振荡影响因素综合分析与抑制措施研究

近年来,国内电网发生了多起超低频振荡事件,严重影响电网的安全稳定运行。相关研究表明,水轮机调速系统在超低频段呈现明显的负阻尼是导致超低频振荡的主要原因。为进一步分析超低频振荡的影响因素,在建立单机带负荷系统模型的基础上,基于稳定域思想的综合分析表明水锤时间常数、水轮机调速器比例参数和积分参数会显著影响系统稳定性,进而引发超低频振荡。在此基础上,针对单机带负荷系统,提出了一种考虑水锤效应不确定性的调速器参数优化模型,并利用粒子群优化算法进行求解。最后,在单机带负荷系统中仿真验证了该调速器参数优化模型的有效性和鲁棒性。     

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。     

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。     

调速系统频率模态对电网低频振荡的影响

随着调速系统技术的不断发展,调速系统对电网低频振荡(low frequency oscillation,LFO)的影响越来越引起人们的关注。现有理论研究表明,调速系统不仅会影响电网LFO阻尼特性,还会向电网引入一个独特的比LFO频率更低的振荡模态,该文称为频率模态,该模态会在调速系统动作时出现。该文首先采用转矩分析理论研究了调速系统对电网LFO阻尼特性的影响。然后以4机2区域系统为例,重点分析了频率模态的特点及其对LFO的影响,分析结果表明:频率模态是调速系统自身的一种控制模态,其阻尼比主要受调速比例–积分–微分控制器的参数影响;考虑到调速系统动作死区影响,在系统发生LFO且调速系统使该LFO阻尼为负的情况下,当频率模态阻尼较强时,电网功率LFO发散后会逐渐变为等幅振荡;而当频率模态阻尼较弱,电网功率LFO将会呈现出类似"拍频"的特性。最后,通过某实际互联电力系统仿真验证了上述分析结果的有效性。     

一种可用于监测调速系统对低频振荡影响的方法

受制于机械功率难以测量的实际情况,调速系统对低频振荡影响的在线分析较为困难。通过转矩分析分别研究了在不考虑和考虑调速2种情况下转速偏差、电磁功率偏差与机械功率偏差在功角-转速平面上的关系,发现:若调速系统提供了负阻尼转矩,则电磁功率偏差与转速偏差的夹角θ_2将小于π/2与低频振荡阻尼比ξ之差;若调速系统提供了正阻尼转矩,则θ_2将大于π/2-ξ。基于上述分析结果,提出一种基于监测量在线判断调速系统对低频振荡影响的方法。该方法通过在线辨识ξ和监测θ_2来判断θ_2与π/2-ξ的大小关系,即可确定调速系统是否对低频振荡提供负阻尼。4机2区域系统和某实际互联电力系统的仿真结果表明,在判断调速系统为低频振荡提供负阻尼后,通过使调速器进入开环控制模式能够有效提升振荡阻尼比,从而验证了所提方法的有效性和实用性。     

利用暂态能量流的超低频振荡在线分析与紧急控制方法

发电机原动系统阻尼转矩系数为负是导致超低频频率振荡的重要原因,退出负阻尼机组的一次调频可增加系统阻尼平息振荡,因此紧急控制的关键是在线评估机组原动系统阻尼。文中提出了利用暂态能量流的超低频频率振荡在线分析与紧急控制方法,将低频振荡分析中的暂态能量流法拓展应用至超低频频率振荡分析,证明了能量流法与阻尼转矩法在分析原动系统阻尼时的一致性,根据现有广域测量系统数据情况,提出了原动系统阻尼转矩系数的在线评估方法,以及超低频频率振荡紧急控制的流程。仿真结果验证了文中方法的有效性,为超低频频率振荡的在线防控提供了技术手段。     

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。     

混流式水轮机跨振区时触发低频振荡特性分析与抑制策略

西南某大型混流式水轮机组在生产运行中,跨越振动区运行期间不时触发有功低频振荡现象,对电网稳定运行带来了一定的安全隐患.基于强迫振荡、扰动源定位及负阻尼等理论,分析了水力、机械等因素对低频振荡的影响,得出发生低频振荡的主要原因为水轮机跨振动区时停留在涡带工况区域,尾水涡带产生压力脉动,并且振荡符合强迫振荡机理.通过仿真优化励磁系统参数对抑制机组有功低频振荡所产生的不同效果,得出对励磁系统PSS参数进行优化可有效抑制混流式水轮机低频振荡现象.     

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。     

小机组调速系统引起的华中电网低频功率振荡分析

本文综合分析了第二汽车制造厂自各电厂2号机组多次引起的华中电网大面积低频功率振荡现象。分析结果证明了这些低频振荡是电网本身固有的弱阻尼低频振荡模式决定的,而维持低频振荡的直接原因是第二汽车制造厂自备电厂2号机组调速系统参与了低频振荡,它提供的负阻尼转矩使得固有的弱阻尼低频振荡模式被激发起来之后无法衰减。     

基于录波曲线的电力系统低频振荡事故原因分析与抑制策略

如何快速确定电力系统低频振荡的原因并进行有效抑制,一直是一个备受关注的课题。提出基于录波曲线的电力系统低频振荡问题分析及抑制一体化新策略。首先,进行系统的特征值分析,根据系统是否存在与现场录波曲线振荡频率一致的振荡模式,判断系统发生的低频振荡属于强迫振荡还是弱阻尼振荡。然后,根据系统振荡的类型采用不同抑制策略,若系统振荡属于强迫振荡,进一步以探测排查的方式确定强迫振荡源的位置并消除振荡源,从而消除低频振荡;若系统振荡属于弱阻尼振荡,进一步通过阻尼转矩分析判断弱阻尼是由励磁系统还是调速系统引起,针对由励磁系统及调速系统引起的弱阻尼低频振荡,分别提出采用配置电力系统稳定器及优化调速系统参数进行振荡的抑制。方案的有效性和正确性通过实际系统的算例得到验证。     

调速死区和限幅参与的火电机组超低频频率振荡及近似分析

水电系统中多次出现与调速死区和限幅相关的超低频频率振荡现象,而火电系统中是否存在类似风险有待研究。首先建立了考虑死区和限幅的单机火电非光滑动力系统模型,然后分析了参数变化时火电系统的平衡点、调节区域阻尼特性以及超低频频率振荡风险,并结合描述函数法近似分析了非光滑振荡特性。结果表明,正阻尼时单机火电系统存在死区和限幅参与的超低频频率振荡现象,其与传统光滑系统负阻尼下的振荡不同,无法用平衡点特征根进行分析,但可采用描述函数法近似分析其振荡频率和幅值特性。     

多机系统超低频振荡分析与等值方法

实际电力系统中多次发生的超低频频率振荡在振荡形式及机理上与低频振荡存在显著区别。在多机系统中对超低频频率振荡问题进行了分析。超低频频率振荡中,所有发电机转速同调变化,系统频率整体振荡。提出一种适用于超低频频率振荡分析的系统等值方法,将多机系统等值为单机单负荷系统进行分析,提高计算效率。各发电机原动系统的阻尼转矩相互解耦,和电磁功率中的阻尼转矩加和后共同影响系统阻尼比。研究结果可为实际系统超低频频率振荡的分析与控制提供指导。     

超低频振荡中的区间联络线功率振荡现象及机理

超低频振荡是指一次调频中阻尼不足引发的频率整体振荡,一般认为不存在相对振荡情况。然而,在实际区域互联电网的研究中发现,系统频率在超低频振荡的同时,区间交流联络线功率也存在同频振荡现象。文中以两区域互联系统为研究对象,首先,基于分区域等值的统一频率模型,仿真分析了超低频振荡中联络线功率振荡的现象和特征。然后,基于阻尼转矩理论定义了区域电网的综合频率调节效应系数,继而从线性系统稳态频率响应视角提出该现象的发生机理,并讨论了影响因素。研究表明,如果区域之间的综合频率调节效应系数存在差异,即使在超低频振荡达到稳态振荡后,也会导致区间联络线发生与超低频稳态振荡频率相同的功率振荡。最后,以实际电网算例进行了验证,并讨论了该现象可能存在的危害。     

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...     

多机系统超低频振荡稳定分析与调速器参数优化

云南电网与南方电网实施异步联网后出现了长时间的超低频振荡。基于奈奎斯特矢量裕度对超低频振荡的机理进行了分析。结果表明,水轮机传递函数存在右半平面零点使水电机组相位在振荡频率附近大幅滞后是引起超低频振荡的主要原因。为了避免切除调速器使跟踪性能下降,提出了一个考虑鲁棒稳定约束下最大化跟踪性能的调速器参数频域优化方法。该方法同时满足了多个方式的稳定需求,且可同时对多个机组调速器进行优化。分析与优化方法的有效性通过云南电网算例得到了验证。     

超低频振荡机理分析与研究*

云南电网异步联网试验后出现了周期较长的频率振荡现象,使得孤岛系统的稳定性大幅降低。基于单机系统分析了调速系统的阻尼特性,即水电机组的水锤效应变大,系统阻尼随之减小。在4机系统中通过灵敏度分析描述了各模型参数对超低频模式的参与程度,对调速器PI参数进行了仿真分析。最后在实际电网中比较了水电厂和火电厂在频率振荡中的作用效果,仿真试验说明了退出主力电厂的一次调频可提高系统频率稳定性。