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。     

利用无功电压控制抑制频率振荡研究

云南电网异步联网后出现了超低频振荡问题,频率稳定问题成为影响电网稳定水平的重要因素,本文介绍了利用无功电压控制抑制频率振荡的方法,并结合云南电网实际仿真,验证了方法的正确性、有效性,为提高云南异步联网后的频率稳定水平提供了新的思路.     

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。     

异步联网后西南电网安全稳定特性分析

针对渝鄂背靠背柔性直流工程投运后,与两华电网异步联网运行条件下的西南电网进行计算分析。研究了异步联网后西南电网小干扰稳定、功角稳定及频率稳定等稳定特性的变化情况。结果表明,渝鄂背靠背后,西南电网小干扰特性变化,尖山近区故障激发弱阻尼振荡成为限制水电通道送出能力的新制约因素。暂态功角稳定性有所提升,不再成为限制川电外送的主要制约因素。频率稳定问题突出,且存在严重的由于水电机组负阻尼效应导致的超低频振荡风险。最后,针对上述风险提出了相应的建议与措施。研究结论对西南电网异步联网后的安全稳定运行提供一定的技术参考。     

弱电网下三相并网系统自适应频率耦合振荡抑制装置的控制策略研究

在弱电网情况下三相并网逆变器与交流电网之间的相互作用会引发频率耦合振荡,威胁系统的稳定运行。传统振荡抑制措施的参数无法随之自动调整,也无法适应频率耦合振荡的多模态特征。针对上述问题,该文首先建立一种带有多控制环的并网系统阻抗模型,该阻抗模型说明系统频率耦合现象产生的原因。其次,根据所提出的阻抗模型,利用广义奈奎斯特判据对其进行离散化稳定性分析,证明频率耦合现象会恶化系统的稳定性。接着提出一种自适应频率耦合振荡抑制装置的控制策略,使得抑制装置能够自动适应不同的系统参数及工况,根据实际的电网情况对电网振荡作出反应,快速并稳定地抑制由系统频率耦合产生的振荡,具有良好的动态性,改善了电网电能质量。最后,通过实验验证,证明所提出的抑制装置的有效性。     

频率振荡模式与功角振荡模式本质区别探讨

电力系统稳定性分类中,功角振荡和频率振荡分别属于动态功角稳定和小扰动频率稳定2个不同分类,因此,寻找两者之间理论上的本质区别就成为一个重要课题。现有研究中将发电机转速同调振荡作为频率振荡模式区别于功角振荡模式的本质特征,但缺乏深入分析。在一个典型两区域系统中分析了系统振荡模式的特性和变化,区域电网电气联系变弱时,频率振荡模式中2个机群转速的相位和幅值差异显著变大,不再同调。此外,还发现了功角振荡模式和频率振荡模式之间的转化。区域电网电气联系变弱,互联同步系统逐渐演变为2个不互联的同步系统,原来的区间功角振荡模式转化成一个区域的频率振荡模式,而全局的频率振荡模式转化为另一个区域的频率振荡模式。因此,严格来说,发电机转速同调并不是频率振荡模式区别于功角振荡模式的本质特征,但在实际电网参数范围内,该区分判据仍然是有效的,工程上可以继续采用。分析结果有助于更加深入认识频率振荡模式和功角振荡模式的区别与联系。     

面向超低频振荡的水电调速器与SVC附加频率控制参数联合优化

互联电网超低频振荡抑制对系统安全稳定运行至关重要,现有研究仅考虑水电调试器PI控制参数优化的措施,可能导致水电调频能力降低。随着电网中静止无功补偿器(SVC)数量的显著增长,通过SVC附加频率控制为超低频振荡抑制提供了新的思路,于是提出了一种SVC附加频率控制与水电调速器PI参数联合优化方法。首先,建立了包含水轮机和SVC的单机单负荷系统等值模型,分析SVC的附加频率控制原理,并分析所提模型对系统超低频振荡的抑制作用;在此基础上,以超低频振荡阻尼系数和水电机组一次调频性能为优化目标,通过优化设计控制器参数以提升系统整体的超低频振荡抑制能力;最后,在PSCAD/EMTDC平台上搭建了水电机组和SVC仿真模型,对所提方法进行有效性验证。仿真结果表明,该方法可有效提升高比例水电电网超低频振荡阻尼能力,同时提升水电机组调频能力。     

电力系统频率模式特征辨识及仿真分析

基于云南电网工程实践,建立含直流外送的4机2区系统模型,通过特征值计算和时域仿真校验,分析了调速器模型、直流模型和运行方式对频率模式的影响,以及模态分析法应用在频率模式分析中的关键问题。进一步,对比分析了频率模式和功角模式的频域、时域特征,频率模式由调速器和原动机主导,表现为频率的同调变化;功角模式由PSS和励磁系统主导,表现为功角的相对摇摆;若系统同时存在负阻尼的频率模式与功角模式,时域上会表现为频率和功角拍频振荡现象。最后,应用模态分析法辨识了大电网中的不同振荡模式,指导了相关机组的参数调整,为揭示大电网振荡机理和制定抑制措施提供了技术支持。     

基于FNET实测数据分析川渝电网频率动态特性

电力系统频率动态监测网(FNET)在川渝电网实现了对频率的同步测量。基于FNET实测频率数据,评价了近几年川渝电网频率质量;呈现了川渝电网频率的时空分布特性;采用统计学方法研究了扰动后川渝电网的频率恢复能力;利用TLS-ESPRIT辨识方法提取川渝电网低频振荡信息,观测到0.25 Hz模式下成都和攀枝花之间的弱阻尼低频振荡现象。相关结论有助于认识川渝电网频率质量和动态特性,完善川渝电网稳定控制方案。     

基于西南电网异步联网条件下的水电机组超低频振荡抑制技术研究

本文结合西南电网高比例水电占比特性和水电机组频率调节功能现状,探讨了水电机组超低频振荡抑制策略,研究设计了西南电网超低频振荡条件下的水电机组调速系统超低频振荡抑制装置,提出了参数的整定优化方法,并通过半实物化仿真验证了功能有效性,对同类型电网通过水电机组进行超低频振荡抑制具有一定的借鉴作用。     

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。     

水电高占比电网中水轮机模型对频率振荡特性影响及其适应性分析

在小电网中,频率稳定是系统暂态稳定重点关注对象之一。水电高占比时,水轮机及其调速器模型的准确性直接影响频率稳定分析结果。针对该问题,对比分析了采用理想模型、基于运行点变化模型、传递系数模型的电网频率动态特性。通过水电机组传递函数,量化分析了不同水头高度及机组不同出力运行时的振荡频率和阻尼特性。通过暂态仿真,研究了不同模型对机组不同运行点扰动后的频率的振荡特性。最后给出了适用于工程计算的水轮机仿真模型建议。     

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。     

兼顾电网频率和功角稳定性的柯拉光伏电站低电压穿越关键性能指标优化

雅砻江柯拉光伏电站是西南电网首座百万千瓦级光伏电站,与木绒水电站构成大容量水光互补系统,其低电压穿越特性对电网频率、功角稳定性均存在一定影响。首先,研究了光伏电站低电压穿越影响电网频率稳定的机理、水光互补系统功角稳定特性,提出了一种量化评估光伏电站低电压穿越影响电网频率的工程实用方法;然后,分析了柯拉光伏电站低电压穿越关键性能指标对西南电网频率、功角稳定性及对负荷中心暂态电压稳定的影响;最后,提出一种兼顾电网频率和功角稳定性的光伏电站低电压穿越关键性能指标优化方法,并通过对柯拉光伏的仿真测试验证了所提方法的有效性。     

新能源经MGP并网时励磁调节对频率振荡的影响

新能源大量采用电力电子逆变器并网使得电网稳定性有所降低,采用MGP的并网方式成为一种新的解决方案,但系统负荷变化会使MGP系统频率发生振荡,威胁到电网频率稳定性。通过励磁调节可以影响MGP系统的电气阻尼,从而有效抑制频率振荡。但如何准确确定励磁调节程度成为其面临的一个难点。针对这一问题,本文推导了励磁电压与频率变化的关系式,揭示了励磁调节对阻尼提升效果存在临界点。搭建了新能源经MGP并网的仿真模型,分析了发电机侧在不同励磁调节程度下MGP系统频率振荡的改善效果,并利用5kW实验平台开展了负荷变化及网侧频率波动两种工况的实验研究。仿真和实验结果表明在励磁电压临界值以内,增加发电机励磁电压可有效减小电网扰动时MGP系统频率振荡幅度,缩短稳态恢复的时间,提高频率稳定性。     

新能源汇集区域次同步振荡控制防线的研究与应用

随着国家对新能源发展的大力支持,风电、光伏装机规模呈现快速增长,尤其是风能、太阳能资源丰富的区域,新能源呈现集中式开发。但是新能源汇集区域多位于电网末端,系统短路电流水平低,同时新能源均通过电力电子装置并网,从而引发了次同步振荡问题。随着电网中电力电子化元件大量采用,元件自身、元件与元件之间相互协调影响作用进一步凸显,次同步振荡问题进一步恶化。因此在次同步振荡机理尚不明确的前提下,开展次同步控制防线研究,抑制和隔离次同步振荡发生。开展了次同步振荡原因分析;结合现有的电网防御体系,建立新能源汇集区域次同步控制防线,提出了基于机组模态频率的次同步振荡控制系统;对某一次同步振荡分析,验证了所提出的次同步控制系统的正确性。研究成果为新能源汇集区域的次同步振荡控制提供了技术方案,保障了新能源汇集区域电网安全稳定运行。     

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。     

抑制频率振荡的电力系统稳定器参数优化

超低频频率振荡是有功频率控制过程的小扰动稳定问题。由于负荷电压调节效应使得无功电压控制和有功频率控制产生耦合,传统用于抑制低频振荡的电力系统稳定器(PSS)可用于抑制频率振荡。提出了在多机系统中选择抑制频率振荡的PSS的方法,该方法综合了PSS对低频振荡和频率振荡的影响大小。构建了抑制频率振荡的PSS参数优化模型,该模型仍然以低频振荡模式阻尼比作为优化目标,但加入频率振荡对应频段发电机励磁系统相位要求作为约束,保证机组励磁系统为频率振荡提供足够的正阻尼。采用粒子群优化算法对模型进行求解得到PSS最优参数。仿真结果验证了所提方法的有效性。     

电力系统一次调频过程的超低频振荡分析

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,在机理和表现上与传统的低频振荡存在显著区别。超低频频率振荡属于频率稳定的范畴,单机单负荷系统是研究该问题的最简系统。基于单机单负荷系统研究了超低频频率振荡的振荡频率、阻尼、振荡表现等关键特征。解析推导了简化模型下的振荡频率和阻尼并分析其影响因素。引入伯德图方法分析详细模型下的振荡频率和阻尼,幅值交接频率、相角裕度分别与振荡频率、阻尼比对应。证明了阻尼转矩法在分析原动系统阻尼特性时的适用性。采用相量图方法说明超低频频率振荡中机械功率的振荡幅度大于电磁功率。     

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。