风电并网系统次/超同步振荡的动态监测方法研究

近年来,我国大规模风电基地中出现了新型次/超同步振荡问题,其频率具有时变特性。已有的同步相量测量单元(PMU)和广域测量系统无法准确监测其动态发展过程。鉴于此,本文首先探讨了次/超同步谐波对传统PMU算法的不良影响,剖析谐波引起基频相量测量误差的根源。其次,提出一种具有频率自适应控制能力的次/超同步谐波相量检测方法,能够准确判断系统中是否出现次同步振荡,并检测出基波相量和次/超同步谐波相量。最后,通过搭建实际系统的电磁暂态仿真模型分析验证了改进算法的有效性和精确性。     

基于同步相量轨迹拟合的电力系统次同步/超同步振荡的实时参数辨识EI北大核心CSCD

基于同步相量数据的次同步振荡参数辨识可有效监测次同步振荡的动态过程。该文提出一种基于同步相量轨迹拟合的电力系统次同步/超同步振荡的实时参数辨识方法。通过求解超定非线性的同步相量轨迹拟合方程组,能准确得到频移基波、次同步和超同步分量的频率、幅值和相位。该方法利用各分量对应的同步相量正负频率部分耦合而成的椭圆轨迹特性,仅依据100ms的同步相量数据序列即可进行高实时性的参数辨识。所提算法相比现有算法的优势在于,一方面可辨识与次同步分量耦合的超同步分量参数;另一方面超短数据窗大幅提升了算法实时性,并克服了频谱分析法的频率分辨率受限问题。模拟同步相量测量终端(phasor measurement unit,PMU)数据和实际仿真数据的对比分析结果表明,所提方法可准确获取基波和次同步/超同步振荡参数,并有效实现次同步振荡的动态实时监测。     

基于扩展卡尔曼滤波频率跟踪的DFT同步相量测量算法

当电力信号的频率发生偏移时,采用离散傅里叶变换(discrete Fourier transformation,DFT)进行同步相量测量难以做到同步采样,由此造成的栅栏效应严重影响了同步相量测量精度。为此提出一种改进的DFT同步相量测量算法。首先引入了基于扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)的频率跟踪算法,建立了基波频率测量的算法流程,并介绍了基于DFT的同步相量测量算法原理。在此基础上,将测量结果分为整数部分和分数部分,分析了因频率偏移导致的相量测量误差,对分数部分进行插值计算以提高同步相量测量精度。分别应用含谐波和噪声的稳定信号和幅值、相位、频率、谐波及噪声含量跳变的信号来校验算法的性能。仿真结果表明,EKF频率跟踪算法能快速对基波频率进行跟踪,所提出的同步相量测量算法能消除或减弱谐波、噪声以及频率偏移对同步测量的影响,提高了相量测量精度。     

同步相量测量不确定度估计

同步相量测量不确定度估计可用于检测相量测量中的坏数据,监测同步相量测量单元(PMU)工作状态,并为PMU相关应用提供上报数据的测量精度信息,具有重要应用价值。文中提出基于同步录波数据和同步相量测量结果进行不确定度估计。由相量测量序列重构基波,并与录波数据相减得到残差信号,通过计算残差信号基波带内和带外分量相对重构基波的功率比,得到参数ρ_i和ρ_o。文章理论分析表明,通过基波带宽合理选取,ρ_i为同步相量测量不确定度近似无偏估计,-20lg(ρ_o)可准确估计电网采样信号信噪比(dB值)。仿真和实测实验验证了算法的有效性,展示了算法的实用功能和应用效果。     

新能源并网系统次同步谐波相量检测方法

新能源汇集地区产生的次同步谐波会影响电网安全稳定运行,传统傅里叶算法的次同步谐波检测精度容易受到频谱泄漏和栅栏效应的影响。为了提高次同步谐波相量的检测精度,提出了一种基于Nuttall窗和全相位傅里叶分析(apFFT)的新算法。通过将采样数据分成N段,并加两次4项5阶Nuttall窗,得到预处理后的N点数据分段再进行FFT。进而,基于apFFT和传统FFT幅值的平方关系以及apFFT自身的"相位不变性",校正幅值和频率的全相位谱分析结果。相比于特征根分析方法和插值校正傅里叶方法,该方法在保持傅里叶方法快速性的同时提高了次同步谐波检测精度。仿真结果验证了该方法的有效性。     

一种工程化检测次同步和超同步相量的方法

针对工程现场检测次(超)同步分量频谱分辨率稀疏的现状,文中总结现有算法工程应用的不适应性,提出快速傅里叶算法(fast fourier transformation,FFT)计算的工程化方法。首先结合低通滤波及FFT数据窗长度来消除频谱混叠的影响,再通过FFT计算结果的递减特性来消除基波频谱泄露对谐波计算的干扰,最后运用FFT修正算法消除栅栏效应的影响以准确计算次(超)同步振荡谐波的频率与幅值,同时根据FFT频谱幅值的极值出现次数来区分幅值突变的运行工况。以此为基础开发的监控装置能够满足电网次(超)同步振荡准确监控的功能要求。     

基于SSI-LS的次同步谐振参数检测新方法

为精确检测出次同步谐振(SSR)参数,提出了基于随机子空间辨识(SSI)与最小二乘(Least Square)法的次同步谐振参数检测新方法。首先运用奇异值差值法确定次同步谐振模型信号的阶数;再利用SSI算法直接对量测信号精确检测出次同步谐振的频率;最后应用最小二乘法对各次同步频率分量进行幅值和相位的估计,从而实现了次同步谐振参数的检测。分别针对含有基波、高次谐波和次同步频率分量的信号以及含有噪声的上述信号进行参数检测,仿真分析表明该方法抗噪能力强、检测精度高、计算速度快,尤其是对频率相近的次同步频率信号具有较高的分辨率。     

基于同步相量数据的间谐波还原算法

随着新能源的快速发展,越来越多的电力电子设备应用在了电网中,导致电力信号中出现了频率为次同步及超同步的间谐波。当这些间谐波严重时会造成次同步振荡,危害电网安全。因此,间谐波的监测预警至关重要。目前,同步相量测量单元(PMU)已在电网中大量装备,这为监测电网中的间谐波提供了可能。基于PMU测量相量,提出了一种间谐波的还原算法。提出了基于复数相量的次/超同步间谐波提取方法。针对频谱分析所得的频率和幅值误差较大的问题,提出了将间谐波的频率和幅值分开求解的思路:基于能量重心法修正间谐波的计算频率;进一步地,提出了基于最小二乘法的间谐波幅值校正方法。通过仿真验证以及电力系统实际录波数据的测试表明,所提方法能够在电气量中含有多个对称和非对称间谐波、高噪声条件下较为准确地计算得到间谐波的频率和幅值。     

适用于新能源场站的同步测量方法与装置研制

现有测量装置无法实时同步监测新能源场站内部电气量,难以为新能源场站动态过程监测、惯量评估、频率控制等应用提供数据支撑。为此,提出了适用于新能源场站的同步测量算法,并研制了可安装于风机出口的新能源场站同步测量装置。针对现有相量测量算法测量频带窄,无法跟踪新能源场站次/超同步振荡等动态过程的问题,提出了基于复带通滤波器的宽频域基波相量测量算法,将基波测量频带拓宽至20～80 Hz;针对快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)的栅栏效应和频谱泄露问题,提出了基于FFT谱线插值拟合的宽频测量算法;基于上述算法,研制了适用于新能源场站的同步测量装置,并已将首批80余台装置安装于内蒙古乌兰察布吉红风光储4号电站的80余台风机。静动态测试和录波数据测试验证了所提算法和所研制装置的有效性。     

基于同步相量数据幅频特征的次超同步振荡模式辨识

随着可再生能源和高压直流输电的快速发展,次超同步振荡事故频发,对现有电力系统振荡的在线监测提出了更高要求。为此,提出了一种基于同步相量数据幅频特征的次超同步振荡模式辨识方法。首先分析了次同步振荡和超同步振荡对同步相量测量装置(phasor measurement unit, PMU)数据的影响机制,结果表明,PMU数据的正负频谱与次超同步振荡的模态线性相关。其次利用多点PMU数据相干谱判别振荡与噪声,有效减少了噪声引起的误判断。然后对次超同步振荡下的PMU数据开展频谱分析,建立了4个幅频特征量,并将振荡数据的特征集合作为输入训练并优化极限梯度提升树(extreme gradient boosting, XGBoost)模型,建立幅频特征与振荡模式的映射关系。所提方法利用振荡环境下PMU数据的固有幅频特征以及XGBoost算法强大的泛化性与计算效率,实现了噪声环境下次超同步振荡模式的快速、准确辨识。最后,利用仿真数据和实测数据验证了所提方法的有效性和实用性。     

面向宽频振荡抑制的宽频相量测量装置

快速实时测量宽频相量对于宽频振荡抑制有着重要意义。然而,已有宽频相量测量装置主要面向监测类应用,响应速度慢。研制了一种面向宽频振荡抑制的宽频相量测量装置。该装置采用加窗插值离散傅里叶变换算法,实现多模式宽频相量测量;采用较短时间窗缩短算法的动态响应时间;通过2个数字信号处理器并行计算分别完成基波和谐波/间谐波相量测量。通过性能测试发现,所研制的宽频相量测量装置响应速度快、准确度高,能满足宽频振荡抑制等应用对相关性能的要求。     

基于改进泰勒加权最小二乘法的相量测量算法

大部分相量测量算法将信号相量作为一个静态模型,因此对电网中经常发生的电压幅值和相角波动特别敏感。基于标准频率下动态相量模型的泰勒加权最小二乘法(Taylor Weighted Least Squares, TWLS)不仅提供了相量值,还提供了相量导数值,可以提高对电网动态状况的监测。在此基础上,提出了一种基于基波频率值的改进泰勒加权最小二乘法。首先用非线性最小二乘法得到基波频率值。然后介绍了基于测量基波频率值的改进泰勒加权最小二乘法推导过程,并对该算法所涉及的窗函数、数据窗长度和泰勒多项式阶数进行分析选择。最后采用不同的信号模型和实际数据来检验算法的性能。仿真结果表明:提出的改进泰勒加权最小二乘法的测量精度满足要求。     

不对称三相电压下电压源型换流器谐波分析与抑制策略

不对称三相电压下,电压源型换流器(VSC)将产生低次谐波,给电网造成谐波污染。随着VSC在电力系统中的广泛应用,这类问题必须得到更多的关注,提出有效的解决方法。基于动态相量和序分量,推导出序分量动态相量,并对其特性进行了分析;将含开关函数描述的VSC时域模型转化为动态相量模型;定义交流电流和直流电压的各阶序分量动态相量为状态变量,建立了以状态空间描述的VSC序分量动态相量谐波分析模型,综合考虑了开关函数的详细动态特性和交直流侧谐波的相互作用,从而揭示了VSC产生谐波的机理,实现了VSC谐波的解析求解。在此基础上,提出负序补偿的不对称调制策略,以抑制低次谐波的产生。通过各种不对称情况下的仿真和计算,验证了所提出的谐波分析模型的正确性和谐波抑制策略的有效性。     

适用于闭环控制的快速相量计算方法

近年来,大量电力电子设备在电力系统电源、电网与负荷侧广泛应用,导致电力系统跨区域、跨电压等级的系统性连锁故障逐渐增多,亟需精细化闭环控制。这要求同步相量测量装置(SynchrophasorMeasurementUnits,PMUs)在保证测量精度的同时,具有快速的响应速度。针对这一问题,提出了一种适用于闭环控制的快速相量测量方法。该方法分析了传统DFT算法在系统动态条件下的测量误差特性,揭示了时标位置对相量测量精度与上传延时的影响。为减少PMU上传延时,研究了将时标打在时间窗尾部时相量测量误差与动态相量模型参数的规律,提出了相量修正方法,在减少上传延时的同时兼顾了测量精度。仿真测试验证了所提方法的测量精度与上传延时远高于PMU标准对保护控制类PMU的要求,可用于复杂电力系统闭环控制应用。     

自适应相量计算方法

提出了一种电流电压相量的计算方法,其特征为利用余弦滤波器滤出的当前点和前推1/4周期后的点分别经幅频特性系数修正后作为相量的实部和虚部。与目前所用的方法相比,无需调整硬件的采样间隔就可实现频率的自适应性,且具有幅频特性一致、相频特性正交、动态收敛性好、计算量少等特点,无需加差分滤除直流分量。     

Fundamental Phasor Calculation With Short Delay

Fundamental phasors are used to monitor and control power systems. The conventional method of calculating the phasors is using a Fourier transform, which introduces a delay of at least one fundamental cycle. This paper examines the feasibility of exploiting an alternative using a direct-quadrature (DQ) transformation to calculate the phasors by extracting the fundamental component from a three-phase voltage or current in the DQ reference frame, which may be distorted by unbalanced components and harmonics. The proposed method allows obtaining a clean fundamental component of three-phase quantity with a minor delay less than one third of a fundamental cycle.     

An adaptive PMU based fault detection/location technique fortransmission lines. I. Theory and algorithms

An adaptive fault detection/location technique based on a phasor measurement unit (PMU) for an EHV/UHV transmission line is presented. A fault detection/location index in terms of Clarke components of the synchronized voltage and current phasors is derived. The line parameter estimation algorithm is also developed to solve the uncertainty of parameters caused by aging of transmission lines. This paper also proposes a new discrete Fourier transform (DFT) based algorithm (termed the smart discrete Fourier transform, SDFT) to eliminate system noise and measurement errors such that extremely accurate fundamental frequency components can be extracted for calculation of fault detection/location index. The EMTP was used to simulate a high voltage transmission line with faults at various locations. To simulate errors involved in measurements, Gaussian-type noise has been added to the raw output data generated by EMTP. Results have shown that the new DFT based method can extract exact phasors in the presence of frequency deviation and harmonics. The parameter estimation algorithm can also trace exact parameters very well. The accuracy of both new DFT based method and parameter estimation algorithm can achieve even up to 99.999% and 99.99% respectively, and is presented in Part II. The accuracy of fault location estimation by the proposed technique can achieve even up to 99.9% in the performance evaluation, which is also presented in Part II