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。     

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。     

增强型调速器对中国云南电网超低频振荡影响分析

云南电网在部分水电机组中采用增强型调速器,会引发超低频振荡,并严重威胁异步电网频率安全。为揭示水电机组增强型调速器影响云南电网频率的原因,通过对系统频率偏差从不同方向穿越一次调频死区时的动力学行为进行理论计算和时域仿真,论证了增强型调速器在水电机组一次调频死区附近没有稳定平衡点,且当系统频率偏差缓慢穿回一次调频死区时,在超低频段引入约90°的相位滞后,进而降低系统频率安全稳定裕度。最后借助小扰动分析工具计算了包含水轮机、调速器、发电机模型的单机系统特征根,通过对比仿真,说明增强型调速器不仅与水锤效应在超低频段有相似的负阻尼效应,还是引发超低频振荡的扰动源头之一,使超低频振荡持续且无法衰减。     

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。     

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。     

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。     

抑制电力系统超低频振荡的水轮机调速器参数优化控制研究

实际异步联网系统中多次发生长时间、超低频振荡事件。研究发现,调速器参数设置不合理是导致振荡发生的重要原因。首先采用简化型PID调速器进行验证,研究了永态差值系数bp对于电力系统稳定性的影响。接着基于单机单负荷的模型,采用遗传–粒子群(GA-PSO)算法对电力系统中调速器的PID参数进行优化处理,在MATLAB/Simulink仿真软件中搭建单机单负荷的模型,通过对优化前后发电机转速偏差波形图的分析,说明所提出的优化算法对于PID型调速器的参数优化的效果,对于抑制电力系统中超低频振荡的现象具有实际的意义。最后在PSD-BPA仿真软件中搭建异步4机2区域以及复现云南电网的实际孤岛模型,对发电机中调速器参数进行仿真验证,通过采用优化算法得到的参数来调节PID参数,结果表明优化后的参数对于超低频振荡具有较好的抑制。     

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。     

基于值集法对云南电网超低频振荡的稳定分析

基于值集法(value set approach)提出一套用于超低频振荡稳定分析的多参数图形化分析工具,并以云南电网为例分析了云南电网与南方电网异步联网后出现的超低频振荡现象。首先,根据云南电网异步联网前后的系统结构构建一个统一频率模型以模拟超低频振荡现象。随后,利用值集法计算特征多项式在超低频频段的值集,并根据值集到复平面原点的距离判断系统的鲁棒稳定性。通过观察各不确定参数对值集的影响,进一步分析各参数对稳定性的交互作用并提出改进措施。分析结果表明,云南电网异步联网后水电比例过高是导致超低频振荡的重要原因,并且水轮机特性系数对稳定性的影响不容忽视,在稳定分析和模型建模时需要着重考虑。系统中水电厂电调型调速器参数设置存在改善空间。对水电厂调速器进行参数优化后,超低频振荡得到改善。     

考虑超低频振荡的水轮机调速器参数多目标鲁棒设计

超低频振荡威胁电网安全稳定运行,可通过调整水轮机调速器参数抑制。水轮机调速器参数设计应同时考虑系统稳定性与跟踪性能,且所设计的参数应具备足够的鲁棒性以应对运行方式变化。首先,利用矩阵扰动理论严格地证明了在超低频振荡频段范围内使用统一频率模型代替复杂完整模型的适用性。在此基础上,基于结构奇异值理论提出一种水轮机调速器参数设计方法。方法中将运行方式变化处理为统一频率模型中的摄动,且在评价输出权函数中包含了稳定性参数与跟踪性能参数,使得所设计参数能同时满足多个运行方式的稳定性与跟踪性能要求。所提方法的有效性通过云南电网算例得到了验证。     

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。     

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。     

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。     

水锤效应时间常数影响研究及其参数实测

高水电开机比例和大功率送电方式下的云南电网仅通过直流与主网异步互联,外部阻尼的降低和水轮机组水锤效应在低频段提供的负阻尼作用,易产生系统的超低频振荡问题。水轮机的"水锤效应时间常数"直接影响了机组的调速器参数整定,以及机组的整体调频性能。本文系统研究了"水锤效应时间常数"对机组动态调频性能的影响,并以溪洛渡右岸电厂为例详细介绍了"水锤效应时间常数"现场实测的主要方法。     

水轮机调速器参数对电力系统超低频振荡的影响

实际电网中多次发生超低频振荡事件,研究发现调速系统产生的负阻尼是引起超低频振荡的重要原因。该文分别推导了水轮机调速系统在考虑PID参数下的阻尼转矩系数,并且通过分界频率和实际振荡频率分析了水轮机调速系统的阻尼特性。基于单机系统,采用粒子群优化算法对调速器PID参数进行优化,优化目标函数同时考虑了水轮机的转速偏差和调速系统的阻尼转矩,并通过阻尼转矩法比较了优化前后系统的阻尼变化,同时利用附加控制器的方法增加了系统的正阻尼,达到抑制超低频振荡的目的。最后,在4机2区域系统和云南电网中某实际直流孤岛系统中验证了超低频振荡是由调速系统产生的负阻尼所引起的。     

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。     

异步联网方式下云南电网超低频振荡的抑制措施与试验

在云南异步联网验证性试验过程中,云南电网频率出现了长时间的超低频率振荡现象,威胁电网的安全稳定运行。在单机系统及BPA仿真系统下分析了水电机组调速器不同参数以及直流频率限制控制器对频率稳定性的影响,通过仿真计算提出了调整云南水电机组调速器死区、优化PI参数等措施,并比较了不同措施的特点。经过实际电网大、小扰动试验验证,本文所提措施可以有效解决异步后云南电网的超低频振荡问题。     

考虑水轮机水锤效应的电网频率变化的解析方法

当水轮机容量比重较高的电网中发生较大的负荷扰动时,水锤效应的存在使得电网中有功功率缺额进一步扩大,导致系统频率偏移量恶化,威胁电网的安全稳定运行。考虑系统详细模型的全时域仿真计算量大,仿真速度慢,不利于对大型电网进行频率动态分析。为了快速分析水锤效应对电网频率动态的影响,文章基于水轮机调速器的延时模型,合理地简化了水轮机-调速器系统,将水轮机导水叶开度动作过程近似为斜坡,并推导了计及旋转备用及水锤效应的电网频率响应解析解,进一步分析了水锤效应对电网频率的影响。仿真结果表明,文中推导的电网频率响应简化解析模型能够准确反映出电网频率严重下跌段以及稳态的频率特性,适用于快速分析水锤效应对电网频率动态响应的影响。     

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。