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。     

基于相图法的水电二阶切换系统动力学特性与振荡分析

高比例水电系统在大扰动下出现了死区、限幅作用的超低频频率振荡,其所对应的切换系统仍缺乏动力学特性分析。鉴于此,基于二阶切换系统动力学特性,结合相图法分析系统参数对其动力学特性的影响,揭示系统在不同扰动、阻尼下发生频率振荡的动力学机理。首先给出水电二阶切换系统描述,分析了系统的平衡点存在性。其次结合相图法分析不同运行条件下系统的动力学特性,证明了相关极限环的存在性。最后分析了系统的非光滑分岔特性。结果表明：当平衡点正阻尼、系统调节区域负阻尼时存在1个稳定极限环,对应严重大扰动下的频率振荡;当平衡点负阻尼、系统有限幅时存在2个稳定极限环,分别对应一般、严重大扰动下的频率振荡,且二者振荡频率较为接近。     

死区和限幅环节对简化水电系统负阻尼时切换型振荡的影响

死区或限幅起作用的单机水电系统负阻尼时超低频频率振荡(切换型超低频频率振荡)可对应类Hopf非光滑分岔;同时,死区和限幅决定非光滑系统结构,影响系统振荡特性。有鉴于此,分析了一次调频中死区和限幅环节对死区和限幅参与的单机水电系统负阻尼时频率振荡及其类Hopf非光滑分岔的影响。具体地,首先,分析了典型死区下,有/无限幅的单机系统在突变负荷扰动下的平衡点和故障后轨线的类Hopf分岔特性;进一步,对比分析了有/无限幅、不同死区大小时,单机系统类Hopf分岔特性的变化情况。结果表明,对应振荡发生/消失的类Hopf分岔点受死区和限幅(系统切换边界)的影响。通过增大死区可在一定程度上避免切换型频率振荡的发生,而设置限幅可避免极端负荷扰动下,系统出现频率失稳的风险。     

简化单机水电系统负阻尼时频率振荡的类Hopf非光滑分岔分析

该文从切换型振荡角度,分析负阻尼情形下死区或限幅参与的频率振荡,说明负阻尼下超低频频率振荡(ultra-low frequency oscillation,ULFO)的机理之一是切换型振荡,并揭示了含死区和限幅的单机水电系统在突变负荷扰动下的超低频频率振荡可对应分段光滑连续系统的单次穿越型类Hopf非光滑分岔。首先,介绍分段光滑连续系统边界平衡点分岔(boundary equilibrium bifurcation,BEB)、类Hopf分岔和单次穿越型类Hopf分岔;其次,给出单水电机组电力系统的非光滑动力系统模型;然后,对比分析有/无死区和限幅(切换边界)时,单机系统负阻尼时频率振荡的差异,初步说明稳定的持续振荡与限幅和死区切换边界相关,无法单纯使用负阻尼或传统Hopf分岔来解释;进一步,借助广义Jacobi矩阵,说明有死区或限幅边界作用的切换型振荡对应的是发生单次穿越型类Hopf分岔;最后,分析突变负荷扰动下单机系统的平衡点、扰动后轨迹的非光滑分岔特性,说明单次穿越型类Hopf分岔是伴随着稳定结点穿越边界变为不稳定焦点的类Hopf分岔。     

正阻尼PMSG并网系统限幅间歇饱和引起的次/超同步振荡分析

风电并网所引起的次/超同步振荡研究多集中于小信号模型分析,较少考虑遭受大扰动后限幅等非线性影响。基于单边限幅的描述函数与广义Nyquist判据,对正阻尼直驱式永磁同步发电机(PMSG)限幅环节间歇饱和引起的切换型次/超同步振荡进行分析。首先给出并网PMSG状态空间简化模型并分析其小干扰稳定性;其次发现一种大扰动后并网PMSG因不对称单边d轴电流限幅间歇饱和引起的新型切换型振荡现象;再次结合并网PMSG网侧变流器的频域模型以及单边限幅的描述函数,给出含限幅环节的PMSG系统近似分析模型;最后结合广义Nyquist判据,近似分析不同限幅值和参数下的振荡频率,并解释该种振荡频率随限幅上限降低而增加的现象。     

增强型死区大小对单机简化系统超低频频率振荡的非光滑分岔影响研究

实际系统中发生了多次与调速系统相关的超低频频率振荡(ultra-low frequency oscillation,ULFO)事故,含增强型死区(阶跃型死区)的电力系统是分段光滑但向量场不连续的Filippov系统,其振荡机理和影响因素复杂。针对含增强型死区的单机水电系统,结合Filippov系统的非光滑分岔理论,分析典型死区下系统对扰动负荷参数的边界穿越型平衡点分岔和跨边界的非光滑极限环分岔特性。结果表明,切换型超低频频率振荡出现对应2种Filippov系统非光滑分岔:第1类为伴随稳定结点型平衡点消失(变为边界上伪平衡点)时,出现稳定非光滑极限环的类Hopf分岔,即对应发生无平衡点的切换型振荡;第2类对应着轨线发生C型非光滑分岔,此时,系统从无平衡点(或存在伪平衡点)变为稳定焦结点型平衡点,但系统轨线收敛到一个大范围的稳定非光滑极限环,即对应系统发生有稳定平衡点的切换型振荡。进一步,分析了不同死区大小(非光滑系统结构变化)对上述2种类型的非光滑分岔的影响,结果表明,增大死区一定程度上能增加系统忍受负荷扰动的能力,有利于系统稳定。     

双馈风机系统的切换型混沌振荡及其非光滑分岔特性

新能源电力系统含限幅或控制切换等非线性环节,本质上为非光滑系统,其稳定性和失稳形式复杂。对此,研究了大扰动下双馈风机并网系统中由限幅饱和导致的混沌振荡失稳机理,在数学上对应着非光滑系统轨迹发生从收敛至平衡点到混沌的非光滑分岔。首先,介绍了切换动力系统(非光滑系统)的非光滑分岔和切换型混沌;其次,分析了交流故障后双馈风机系统发生的复杂振荡现象,利用功率谱和Lyapunov指数确认其为混沌振荡,并分析了其拟周期的频率漂移特性;然后,分析了混沌振荡与限幅饱和间的关系,揭示了该混沌是由多个限幅饱和(非光滑系统切换)引起的,本质上为切换型混沌振荡;最后,从短路比、故障条件和风速等角度分析了大扰动后的切换型混沌振荡的非光滑分岔特性,结果表明在较低短路比、较大故障冲击下系统更易发生切换型混沌振荡。     

单边限幅参与的并网VSC系统次同步振荡近似分析

针对电力电子设备引起的次同步振荡问题,现有研究集中在无法计及限幅的小信号模型分析或考虑限幅对称的近似分析,但极少考虑不对称的单边限幅的影响。针对不对称的单边d轴电流限幅(AU-d-CL,或上电流饱和限幅)参与的并网电压源换流器(voltage source converter,VSC)系统的次同步振荡现象,采用单边限幅的描述函数和广义Nyquist判据进行近似分析。具体地,首先,建立了并网VSC系统的简化模型,分析了其小扰动稳定性,并分析了AU-d-CL参与的负阻尼振荡现象。其次,给出了VSC系统的频域模型和AU-d-CL的描述函数。最后,结合AU-d-CL的描述函数和广义Nyquist判据,近似计算了不同参数和限幅值时的振荡幅值和频率,结果表明计算结果和仿真结果基本一致,可解释次同步振荡在限幅值改变时,频率基本不变,振荡幅值变化的现象。     

单机等值系统调速器死区对频率振荡的影响

实际系统中多次发生一次调频过程不稳定导致的超低频频率振荡事件。调速器死区给系统带来非线性,进而影响系统的频率振荡行为。基于单机等值系统,采用描述函数法分析了无阶跃死区、有阶跃死区和滞环死区这3种死区对频率振荡的影响。在复平面上,给出了死区描述函数的负倒数随振幅变化的轨迹,以及调速器、原动机、发电机构成的开环传递函数随频率变化的曲线,两者相对位置关系决定系统的稳定性。负倒数随振幅变化特性曲线完全位于开环频率特性曲线左侧时,系统稳定。其他情况下2条曲线一般会相交,交点对应极限环,极限环稳定与否决定于交点的具体形态。同时分析了单机等值系统中调速器死区对频率振荡的影响,调速器无阶跃死区和有阶跃死区都不会减弱系统稳定性,但有滞环死区时可能导致原本稳定的系统出现稳定极限环引发的持续等幅振荡。时域仿真结果验证了上述结论。     

含SVG的双馈系统切换型次同步振荡及其非光滑分岔特性分析

研究表明,改善电压稳定的无功补偿装置SVG (static var generator)可与双馈风机作用,形成次同步振荡,威胁电网安全。但其机理尚未完全明晰。有鉴于此,研究了含SVG的双馈系统的次同步振荡,说明其机理之一为限幅饱和引起的切换型振荡,并从非光滑分岔角度,分析切换型振荡随参数变化特性。具体的,首先介绍了切换型振荡和非光滑分岔,以及含SVG的双馈系统及其限幅环节;其次分析了含有SVG的双馈系统的切换型次同步振荡现象,并说明其是由限幅饱和引起的切换型振荡;然后分析了SVG不同控制参数对切换型次同步振荡的影响,确定与系统振荡相关的主要因素,给出了切换型振荡对SVG控制参数的非光滑分岔特性;最后分析了系统外部短路容量和故障严重程度对切换型振荡的影响,揭示了外部参数的非光滑分岔特性。     

基于非光滑分叉的直驱风机次同步振荡机理分析

新能源大规模并网引发的振荡问题近来得到广泛关注。目前,忽略变流器的限幅等非线性特性,在稳态工作点附近线性化得到的小信号模型是研究上述振荡问题的主流方法。然而,在某些条件下,变流器中的限幅环节对振荡特性的影响不可忽视。结合相图分析方法,揭示直驱风机次同步频段振荡的数学机理之一是与限幅相关的非光滑分叉。首先,介绍了与限幅环节有关的非线性非光滑分叉理论。其次,介绍了直驱风机并网系统的限幅环节及其和限幅相关的次同步频段振荡现象。再次,分析了不同限幅环节对次同步频段振荡特性的影响,揭示了定子直流电压限幅环节饱和是导致系统振荡的原因。进一步,分析了短路比对系统振荡特性的影响,揭示了参数变化导致的非光滑分叉现象。最后,分析了交流故障持续时间、接地电阻对振荡的影响,揭示了初值导致的非光滑分叉现象。分析表明,直驱风机并网系统在故障清除后产生的次同步频段振荡,是在足够大的故障冲击下多个限幅环节共同作用产生的,数学上,也对应着相应的动力学系统发生非光滑分叉。     

电力系统超低频频率振荡机理分析与抑制研究现状与展望

现代电力系统中多次发生了超低频频率振荡事故,威胁电网的安全稳定运行。该文根据超低频频率振荡对应的数学模型、振荡轨迹特征,分析归纳超低频频率振荡的数学机理分类,即负阻尼振荡、强迫振荡、切换型振荡和其它复杂振荡4类,并从参数变化角度给出相应的分岔特性;进一步,基于上述机理分类,分别综述相应的分析方法;再次,从改善机组阻尼、改善系统阻尼和调整系统结构3个方面,分析超低频频率振荡抑制的研究现状;最后,针对目前研究较少的切换型超低频频率振荡,从分析模型、分析方法、动力学机理、物理特性、抑制手段、实际验证等角度,讨论未来可能的研究内容与方向。     

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。     

调速器死区对水电高占比电力系统频率稳定的影响分析

云南电网在交流联络线断线后发生了死区附近的频率振荡现象.为此,文中对此现象进行了研究.首先,在单机系统的传递函数中加入调速器死区环节并对死区进行分段建模;然后,对不同扰动下的频率进行解析求解,从数学上解释了含普通型死区的系统相轨迹曲线连续、而含增强型死区的系统相轨迹曲线不连续的原因;接着,通过频率解的特征和稳定点证明了含增强型死区的正阻尼系统在特定扰动下会出现频率振荡的结论,并给出了振荡发生的条件.最后,通过多机系统的数值仿真验证了理论分析的正确性.     

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。     

大型水电机组强迫振荡机理分析及试验研究

介绍了700 MW水轮发电机组电力系统强迫功率低频振荡产生的机理,阐述了强迫振荡与负阻尼机理低频振荡的相同点与本质区别,从理论上分析验证了电力系统稳定器对各频段强迫功率低频振荡的不同抑制效果和局限性,并首次在大型水电机组上得到了试验验证。立足于工程实践应用,在强迫振荡的监测辨识和抑制领域提出了新的分析思路和处理措施,保障了电力系统的稳定运行。