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。     

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。     

高比例水电多直流送端电网频率稳定协调控制技术及实践

针对异步联网运行后,高水电占比多直流外送西南电网面临的超低频振荡和频率失稳风险,构建了高比例水电多直流送端电网频率稳定控制框架。在传统控制措施基础上引入直流频率控制和紧急调整功能,提高送端电网频率稳定防御能力。基于直流频率控制器对送端电网频率响应特性的影响分析,提出了直流频率控制器与一次调频的配合关系以及考虑直流功率偏差的二次调频方法。提出了兼顾频率稳定和故障后潮流控制的多直流协调紧急功率调制方案。并通过实际故障后交直流协调控制系统实际动作情况,论述了频率稳定协调控制技术的有效性。     

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。     

异步联网方式下云南电网超低频振荡的机理分析与仿真

2016年云南电网与南方电网主网将实施异步联网运行方式,然而在异步联网系统试验中进行预设的直流功率提升等试验项目时发现云南电网频率出现长时间超低频率的振荡。通过大量现场试验数据分析,锁定了水电机组调速系统是造成本次振荡的直接原因,并对水电机组调速系统在振荡过程中提供负阻尼的机理进行了分析。在此基础上,利用离线数据仿真成功复现了试验过程中的超低频振荡现象,验证了理论分析的正确性,最后对下一步工作提出了初步建议。     

水电机组高占比电网频率振荡问题分析

基于云南电网异步运行的经验,说明水电机组高占比的电网频率稳定问题比传统火电机组为主的电网更为突出,深入分析其频率振荡机理对保障电网的安全稳定运行具有重要意义,为此,首先对比分析了水电机组和火电机组调速系统的功率调节特性;其次,通过分析水电机组和火电机组调速系统对电网频率振荡的阻尼作用,揭示水电机组高占比电网频率振荡机理;最后,对水电机组高占比电网频率振荡的关键影响因素进行仿真分析。相关结论表明,在水电机组高占比的电网中,由于水锤效应的影响,水电机组调速系统的负阻尼作用是引起电网频率振荡的主要原因,同时由于缺乏火电机组的正阻尼支撑,电网频率可能出现持续振荡。根据电源结构、系统强度等条件变化,合理设置调速系统比例–积分–微分(proportion-integration-diferention,PID)控制参数K_P、K_I、K_D是抑制频率振荡的重要措施。     

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。     

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。     

风电参与调频后的切机效果影响研究

电网异步联网后,若直流系统发生闭锁故障,送/受两端电网都将出现功率不平衡,两端电网的频率稳定性会受到很大影响。风电建设规模与出力规模日渐提高,促使风机参与系统调频这一传统电网常规问题,成为亟待探索的方向。然而,由于风机与大水电、小水电、火电等各型类型机组具有不同的调频特性,因此就处理直流系统闭锁故障后送端电网的稳控切机措施而言,不同类型机组的切除效果有很大的不同。本文在分析上述四种类型机组的工作原理与运行特性的前提下,着重分析了风机有无参与调频的情况下送端电网不同类型机组切除对系统频率的影响。采用PSDBPA软件对云南某地区电网中不同类型机组的切机过程进行仿真。结果表明,风电参与调频后系统具有更好的频率调节特性。     

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。     

异步联网下云南电网低频与超低频振荡综合抑制策略

异步联网后,云南电网出现了长时间的超低频振荡(Ultra-Low Frequency Oscillation, ULFO)现象。通过对水轮机调速器(Turbine Governor, TG) PID参数的整定,ULFO现象得以有效抑制。但随着TG参数的修改,电网出现了一些隐性问题,如TG与发电机励磁调节器(Generator Excitation Regulator,GER)的耦合问题和低频振荡(Low Frequency Oscillation,LFO)阻尼降低问题,严重威胁云南电网的安全稳定运行。针对异步联网下云南电网TG与GER耦合现象,提出了一种LFO与ULFO综合抑制策略。为快速获取TG和GER的最优PID参数,采用寻优性能高效的多元宇宙优化(Multi-Verse Optimization, MVO)算法进行求解。最后,将基于人工整定、遗传算法(Genetic Algorithm, GA)整定和MVO算法整定的最优PID参数进行仿真校验,仿真结果验证了所提策略的有效性和优势。     

大规模风电经LCC-HVDC送出的送端电网频率协同控制策略

针对大规模风电经电网换相型高压直流(LCC-HVDC)送出的送端电网所面临的严峻高频问题,充分挖掘风电潜在调频能力,提出一种风电与直流频率限制器(FLC)参与送端电网调频的协同控制策略。分析直流FLC参与送端电网调频的响应特性,刻画送端电网频率与风电机组功率的下垂关系,设计风电机组变转速与变桨距角相结合的一次调频控制方法。建立包括常规机组一次调频、风电机组下垂控制和直流FLC的频率响应综合模型,结合电网的频率稳定要求,采用灵敏度方法整定风电机组与直流FLC的调频参数,设计风电与直流FLC共同参与的频率协同控制策略。算例仿真结果表明：所提频率协同控制策略可有效降低高频切机、直流过载运行风险,提高送端电网的频率稳定性。     

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。     

西北送端大电网频率特性试验方法

基于西北送端大电网频率安全面临的风险,提出了西北送端大电网频率特性试验方法。该方法利用逐步增减网内水电机组出力的方式产生斜坡式频率扰动,通过电网频率响应全过程分析,实测西北电网频率静态全特性。同时,利用打跳网内单元接线内2台大型水电机组的方式制造电网实际频率大阶跃扰动,实测西北全网频率动态特性,检验了网内常规电源机组一次调频动作性能。试验结果表明,所提出的送端大电网频率静态测试方法切实可行。     

异步联网工程柔性直流测量异常导致功率反转机理分析和优化策略研究

云南电网与南网主网直流背靠背异步联网工程中采用了柔性直流输电技术,针对异步联网工程柔性直流因直流电压测量异常导致功率反转的问题进行了分析。在现有异步联网工程柔性直流输电系统控制器结构的基础上,通过理论分析得到了发生功率反转时测量偏差系数的临界值和功率反转期间直流电压的真实值计算方法;提出了逆变侧只采用定有功功率控制且选取整流侧和逆变侧计算的有功功率较大者作为控制器功率测量值输入的优化策略。通过异步联网工程柔性直流的EMTDC仿真模型,验证了所提优化策略的有效性和可行性。     

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。     

异步互联方式下西南电网AGC方案优化及工程应用

异步联网方式下的中国西南电网通过多条高压直流线路将大功率能源送出至经济发达的负荷中心,其大规模功率送出和负荷较小的特性使得西南电网的频率稳定问题较为显著。结合中国西南电网的实际异步运行试验,分析了自动发电控制(AGC)策略和模式在频率调节过程中的问题。然后,提出在西南区域多调度管理机制下的AGC策略和模式改进方法,以解决日常负荷波动下频率超调问题和在大功率损失下非故障的省级电网反向调节问题。最后,基于电力系统全过程动态仿真程序(PSD-FDS)仿真和实际电网运行效果验证了改进策略和模式的有效性。     

计及频率稳定的多直流异步外送电网切机容量优化

异步互联格局下,送端电网惯性大幅下降,因直流闭锁引发的高频问题较为严重,传统应对高频问题的稳控切机策略存在切机量不精确（过切或欠切）以及切机后系统转动惯量匮乏等风险。针对现有稳控切机方案的不适应性,提出一种计及系统频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型。模型中耦合大容量直流闭锁故障下各种频率指标约束、网络潮流约束、备用及切机量约束,考虑系统内各类型机组调节性能及位置的差异性,利用理想点法和优序图法得到各类型机组的切机惩罚因子,通过切机综合代价最小化目标确定大容量直流闭锁事故下送端电网的最优切机方案。以改进的IEEE RTS-79系统为例进行了算例分析,验证了所构建模型的有效性与频率适应性。