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。     

异步联网下控制器死区对电网频率影响分析

针对云南电网异步联网后超低频振荡问题严重的问题,首先通过特征分析法推出水轮机调速器中水流时间常数与调差系数对系统阻尼比的影响,采用Nyquist方法分析在发电机外部加入FLC环节后增加了系统的稳定裕度,并基于描述函数法研究控制器中死区对系统稳定性的影响;其次,采用4机2区域模型,验证调节控制器参数对抑制系统频率波动的有效性;最后,基于云南电网实际数据,仿真验证了一次调频与FLC协调控制过程,结果显示改变水轮机调速器死区大于FLC死区时,有利于抑制频率的波动。     

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。     

多直流异步互联系统中频率限制器的控制策略优化设计

云南电网通过多回直流输电系统和南方电网东部主网异步联网运行,直流频率限制器(frequency limit controller,FLC)在送端系统频率控制中发挥重要作用。在楚穗直流单极闭锁试验中,暴露了FLC与一次调频动作不匹配、直流输电系统长时间处于过负荷运行状态的问题。针对此问题,建立FLC详细的数学模型,通过FLC动态调节过程的分析,阐明FLC不同模型的调节特征,以及与一次调频的协调配合关系。在此基础上,通过时域仿真法研究了FLC备用容量、死区设置对频率峰值和FLC调节量释放过程的影响,提出FLC调频策略的优化设计方案,并基于特征值灵敏度方法重新设计调速器参数,优化其动态性能。采用所提方案能够充分发挥FLC对频率峰值的抑制作用,同时与一次调频配合,保证其调节量的快速释放,实际运行结果验证了优化策略的有效性。     

高压直流输电系统孤岛运行调频策略

高压直流输电系统采用送端孤岛运行方式能够显著改善远距离送电系统稳定性和提升送电能力,其中孤岛系统的频率稳定性是决定能否孤岛运行的关键因素之一。结合前期天广、云广直流孤岛调试结果,阐明孤岛方式下优先利用直流系统频率限制器(frequency limitation control,FLC)平衡功率波动、放大机组一次调频死区作为后备措施、优先调整机组功率、利用FLC自动跟随的调频策略。针对孤岛方式下直流双极跳闸后出现的部分机组调相运行的现象,利用电力系统功率扰动的3阶段分配原理解释了产生原因,提出避免机组长时间调相运行的控制策略。现场试验结果验证了所提调频策略的有效性,为未来直流孤岛运行方式安排和控制措施的确定提供了依据。     

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。     

用于直流系统超低频振荡抑制的调速器和FLC协同优化

针对云南电网实现异步互联后,出现的严重威胁电网安全运行的超低频振荡现象,分析了水轮机调速器的特性和直流频率限制器(Frequency Limit Controller,FLC)的数学模型,阐明了水轮机调速器和FLC的调节特征,探讨了它们对频率稳定性的影响,提出了优化水轮机调速器的PI参数、协调一次调频和FLC死区范围的...     

影响风电一次调频能力的参数选取

变速风力发电机本身没有频率调节能力,因此随着孤岛运行的微电网中风电渗透率的增加,系统频率调节能力越差,提出在风电机组转子侧附加虚拟惯量和转速控制环节使风力发电机主动响应频率变化,参与系统的一次频率调节,由于风电调频效果受多个因素的影响,因此要达到最佳的调频性能就需分析影响风电调频能力的参数并选取合适的参数值。通过增大微电网中风电渗透率验证所提控制策略对提高系统频率稳定性的作用,并分析风电机组与常规同步发电机的一次频率调节系数以及风电机组预留的备用大小对微电网一次频率调节的影响,通过仿真,选取合适的调频参数从而充分发挥风电机组的调频能力,减轻同步发电机的调频压力,增强系统的频率调节特性。     

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。     

黑启动过程中高压直流输电的变参数FLC控制

高压直流输电可加快电网恢复,但黑启动期间送受端系统具有相反的频率调节要求,该文研究并提出黑启动过程中高压直流输电的变参数频率限制器(frequency limit control,FLC)控制策略,以协调两侧交流系统的调频特性。首先建立异步互联系统的数学模型,寻找确定方式下负荷投入后使送受端交流系统频率偏移最小的最优FLC参数;然后提出变参数FLC控制,以适应电网黑启动过程中交流系统容量和等值发电机参数的不断变化;最后搭建PSCAD/EMTDC模型仿真验证了该控制策略的有效性。     

火电机组直流孤岛系统频率控制分析与系统试验

火电直流孤岛系统转动惯量小、交流网架薄弱,系统频率稳定问题突出,由此带来的系统运行和设备安全风险较大,而国际上也没有先例可循。该文通过分析火电机组一次调频、调速系统和直流系统的频率特性,依据实测数据建立精确反映火电直流孤岛系统频率特性完整的传递函数。基于根轨迹分析,给出直流附加控制策略、机组一次调频和汽轮机参数对孤岛系统稳定性的影响,及相关参数的优化取值范围。研究结论为世界上首次进行的火电直流孤岛运行试验–伊穆直流孤岛特性系统试验提供了坚实理论依据和工作支撑,现场试验结果与理论分析和仿真完全一致。该文提出的研究方法为后续特高压直流工程建设和运行中可能出现的孤岛运行方式的选择奠定了理论基础,为大型火电基地的集中开发和远距离外送提供了一定技术依据。     

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。     

水电孤岛直流送出系统的频率稳定性研究

在考虑尾水管水压脉动的线性水轮机模型的基础上进行改进,设计了一种谐振函数来模拟尾水管的实际脉动情况,并建立了既考虑尾水管水压脉动又考虑弹性水柱的水轮机模型。采用时域仿真方法,验证了水轮机模型的准确性并分析了水力系统参数、调速器参数对送端孤岛直流送出系统频率振荡的影响。仿真结果表明,水力启动时间T_w、调速器参数K_D对送端孤岛系统的频率振荡影响较大,而弹性时间T_e对频率振荡的影响较小。在频率振荡的抑制方法方面,本文在原有的直流频率限制器模型的基础上进行改进,用二次低通滤波器代替一次滤波器并重新调整PI参数。由仿真图形可知,改进后的直流频率限制器抑制效果良好,可将送端频率有效地抑制在50Hz左右。     

超低频振荡机理分析与研究*

云南电网异步联网试验后出现了周期较长的频率振荡现象,使得孤岛系统的稳定性大幅降低。基于单机系统分析了调速系统的阻尼特性,即水电机组的水锤效应变大,系统阻尼随之减小。在4机系统中通过灵敏度分析描述了各模型参数对超低频模式的参与程度,对调速器PI参数进行了仿真分析。最后在实际电网中比较了水电厂和火电厂在频率振荡中的作用效果,仿真试验说明了退出主力电厂的一次调频可提高系统频率稳定性。     

送端直流孤岛系统频率限制器优化控制策略

频率限制控制器（frequency limit controller,FLC）作为一种重要的直流有功功率调制手段,可提高交直流混联系统的频率稳定水平,但直流有功功率的调节会改变换流站无功功率水平,进而影响系统电压特性。针对楚穗特高压送端直流孤岛系统,分析了交流系统发生短路故障后,FLC调节有功功率对整流站电压恢复特性的影响机理。在此基础上,提出了基于无功功率变化率的FLC优化控制策略,来提高送端系统的电压稳定性。仿真结果表明,该策略在抑制频率波动的同时,可改善孤岛系统的电压恢复特性。     

云广直流孤岛系统单极闭锁后频率动态过程优化

直流送端孤岛运行方式下发生直流单极闭锁时,孤岛系统频率将显著升高,由于运行极仍参与孤岛系统调节,控制孤岛系统频率在运行极承受范围以内是保证孤岛系统安全稳定运行的关键。从发电机转子运动方程出发,分析发电机的输入机械功率、输出电磁功率和转动惯量三个因素在直流闭锁后频率动态过程中的作用。对于直流单极闭锁后孤岛系统频率爬升阶段,提出通过优化调速器参数、优化直流过负荷控制、连锁切机三者相结合的方法以降低频率峰值。对于频率回降阶段,分析指出机组PSS反调导致的电压大幅下降会导致直流进入逆变器电流控制模式降低功率,减缓频率的恢复速度,并提出了改进措施。仿真结果验证了所提出的频率优化方法的有效性。     

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。     

晶闸管电子负荷在孤网频率振荡抑制中的应用

在电力系统运行过程中,出现大型负荷突然丢失而发电机调节能力不足时,系统频率升高,频率和功率发生振荡,甚至会导致系统崩溃。在只有数台发电机的孤岛供电系统中,发电机调节能力有限,常规负荷需要担任生产任务,并不能参与调频,故孤网系统缺乏有效的调频手段。文中提出一种基于晶闸管控制的电子负荷装置,对其工作原理、孤网频率振荡抑制机理和控制策略进行分析,基于实时数字仿真系统(RTDS)研究不同参数下电子负荷装置在频率振荡抑制方面的效果。研究表明,采用电子负荷装置可以通过负荷动态控制参与一次调频,为孤网频率振荡抑制提供了新的思路。     

兼顾超低频振荡阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化策略

针对水电高占比电网超低频振荡抑制需求及现有水电机组调速系统控制参数整定方法难以有效协调系统阻尼特性与一次调频动态性能之间矛盾关系的问题,提出一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化策略。首先建立适用于小波动工况的水电机组调速系统模型,推导调速系统阻尼特性与振荡频率之间的关系表达式,引入用于协调水电机组阻尼特性和一次调频动态性能的多目标函数;然后采用预先处理和后处理相结合的约束处理策略对相应约束条件进行处理;最后采用多目标引力搜索算法对目标函数进行求解,并对非支配解集进行优选,得出水电机组在一次调频工况下的最优运行参数。仿真结果表明,采用所提策略得到的最佳兼容解能在避免一次调频被考核的同时,较好地提升调速系统在超低频段的阻尼水平,有利于抑制超低频振荡的发生。     

基于改进虚拟同步发电机算法的微网逆变器二次调频方案

传统的虚拟同步发电机控制方案可帮助微网逆变器实现一次调频功能,为微网提供频率支撑,然而一次调频属于有差调节。通过改进虚拟同步发电机的控制结构,可使逆变器根据工作模式在一次调频和二次调频之间切换。二次调频适用于孤岛模式的微电网,可实现微网频率的无差控制,同时利用小信号等效以及根轨迹分析方法对二次调频控制策略进行了稳定性分析,并给出了相关参数的选取范围。该方案可使多台逆变器参与调频并按容量均分缺额功率,有利于总调频容量以及微电网容量的扩展。此外,二次调频对频率额定值的追踪功能还可辅助完成微网孤岛模式到并网模式的预同步环节,保证了预同步过程的顺利实行。最后,通过微网仿真平台验证了所提控制方案的有效性。