考虑LVRT特性的新能源送端系统功角稳定与电压稳定交互影响分析

新能源机组的低电压穿越(LVRT)能力是高比例新能源电力系统维持电压稳定的重要保证,同时LVRT期间新能源机组的功率特性将进一步影响同步发电机的功角稳定性。为分析高比例新能源送端系统功角稳定与电压稳定的耦合机理,以风电为例,推导了LVRT期间风电机组的有功-无功耦合关系;以含风电的送端系统为例,推导了故障前、故障期间以及故障后同步发电机的机械功率和电磁功率。分析了受扰后系统功角与电压的失稳形态,揭示了含风电送端系统功角稳定和电压稳定的交互影响。基于PSASP平台,仿真分析了风电初始出力水平以及LVRT参数对电力系统功角稳定和电压稳定演化的影响。

基于功角保持的VSG低电压穿越控制策略

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制通过模拟同步发电机的运行特性,达到并网逆变器为电网提供惯性支撑的目的。传统VSG在电网发生短路故障时容易导致输出电流越幅与功角振荡,无法为电网提供无功支撑,使逆变器不具备低电压穿越能力。文章提出一种VSG低电压穿越控制策略,故障期间保持功角稳定,故障恢复期间通过基于虚拟功率的功角保持环节实现预并列,故障恢复后输出功率能够快速恢复至给定值,运行模式之间能够平滑快速切换,实现低电压穿越。仿真验证了该控制策略的正确性与有效性。

利用网络等值进行图降维的图注意力暂态功角稳定评估模型

省级以上实际大电网节点众多,用于电网暂态稳定评估的深度学习模型输入特征空间面临维数灾,训练成本高且泛化能力难以保证,成为该类方法难以应用于实际大系统的一个瓶颈。针对这一问题,提出了一种面向稳控校核、利用网络等值进行图降维的图注意力深度学习暂态功角稳定评估模型。首先,建立全网发电机图,基于转子惯量等决定暂态功角稳定的关键参数构建其节点相似度,并利用节点相似度改进发电机图的边权重;作为一种领域知识嵌入方式,借鉴电网动态等值思路,对待研究稳控系统所涉及区域以外的网络部分,基于发电机图和分层聚类算法进行分区,将所形成分区对应成等效节点形成降维发电机图,并建立原图到降维图节点、边权重参数的映射,实现对原输入空间的降维。最后,以降维图作为输入建立图注意力深度学习模型,实现对复杂网络的暂态功角稳定评估。在南方电网某实际稳控系统算例上进行对比分析,验证了模型的有效性及准确性。

区域新能源并网暂态功角稳定分析与紧急控制策略优化

随着新型电力系统发展和新能源机组不断投产,南方区域将形成多区域新能源与邻近常规电源联合集中接入系统的场景。新能源集中接入常与常规电源共用输电通道,将影响区域系统暂态稳定特性及输送通道的传输能力,使南方区域系统的安全稳定运行和风险防控面临了前所未有的挑战。为深入研究区域新能源送出的稳定特性建立了区域新能源交流集中送出的等值系统模型,分析了新能源并入对区域系统对暂态稳定特性影响的主要机理。基于等面积法则对区域送出系统暂态过程的加、减速面积进行了定量分析,提出了紧急控制切机策略的协调优化方法,实现区域送出传统机组与新能源机组紧急控制切机量及控制代价的最小化的切机策略配置。最终,基于广东区域海风火电打捆送出系统为例,对分析结果的正确性进行了验证。

基于功角轨迹灵敏度的交直流电网振荡抑制优化

高压直流线路稳态功率影响交直流互联系统功角稳定性。为抑制同步发电机功角振荡,基于功角轨迹灵敏度,提出对故障前直流功率的优化方法。建立交直流系统轨迹灵敏度解析表达,引入中间变量确定功角和稳态直流功率关系。推导潮流解对稳态直流功率的灵敏度,计算轨迹灵敏度初值。基于时域仿真中网络约束方程,推导含直流变量的不平衡项。以功角差最小为目标,提出稳态直流功率优化模型,采用内点法求解。仿真结果验证了所提算法对功角振荡的抑制效果。

换相失败后提升送端暂态功角稳定性的实时控制方法

直流换相失败引起的功率瞬降易增加送端交流系统的功角失稳风险,但当前研究尚缺少应对多直流换相失败的暂态功角稳定实时控制方法。针对这一问题,该文首先分析了换相失败功率冲击下送端系统发电机相对动能和转速的变化规律,指出送端系统的相对动能变化可仅由等值发电机的相对转速表征,不依赖于直流系统功率跌落和恢复的曲线态势;然后根据直流功率恢复至稳态时等值发电机的相对转速计算转子运动剩余加速面积,进而得到维持送端系统暂态功角稳定性所需的减速面积及相应的切机量;最后根据切机量计算结果制定了实时切机控制策略,并基于简单系统和实际电网进行了仿真分析和验证。仿真结果表明,所提方法能够较准确地计算维持送端系统暂态功角稳定性所需的切机量,有效减小换相失败后送端系统的暂态功角失稳风险。

计及风电PSS与PLL耦合对功角振荡影响的DFIG控制参数协调优化

双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)装设电力系统稳定器(power system stabilizer,PSS),有助于抑制同步发电机间功角振荡,但抑制效果受DFIG锁相环(phase-locked loop,PLL)跟踪误差影响。考虑PSS与PLL耦合特性对功角振荡的影响,提出改善振荡抑制效果的DFIG控制参数协调优化算法。首先基于DFIG有功控制的分解等效结构绘制DFIG-PSS与锁相误差的耦合路径,提出耦合特性解析表达。然后建立耦合解析表达对控制参数的轨迹灵敏度向量,以向量2-范数之比定义耦合强度,量化耦合特性对功角振荡的影响程度。最后基于耦合强度指标,提出带有PLL参数动态不等式约束的多步优化模型,以协调DFIG控制参数取值,提高并网系统对功角振荡的抑制效果。仿真结果证实了耦合特性对功角振荡的影响,验证了所提协调优化算法的有效性。

电化学储能参与电网暂态功角稳定控制研究

针对电网传统紧急控制资源的日益匮乏,利用电化学储能功率控制的快速性与双向控制能力,研究将其应用于电网暂态功角稳定控制。首先推导了计及电化学储能的双机等值模型,基于扩展等面积定则分析了储能改善电网暂态稳定裕度的原理。其次,提出了一种考虑设备保护与系统保护动作时序差异的储能电站有效工作时长计算方法,改善了紧急控制储能的工作效率。提出了计及储能的基于性能代价比多类措施协调控制策略制定方法,兼顾紧急控制的安全性与经济性,为电网暂态紧急控制提供在线辅助决策支撑。进一步提出了储能电站全景监控系统架构,为实现储能电站与电网紧急控制系统的交互提供了技术实践思路。最后西北电网实际算例验证了所提方法的有效性与合理性。研究结论可为规模化储能与高比例新能源电网第二道防线的扩展与建设提供理论参考。

基于功角稳定性的区域电网储能选址定容方法

为了缓解跨传输断面的调峰压力,同时提升电网的功角稳定性,建立了兼顾经济性与功角稳定性的储能选址定容双层优化模型,并给出了模型的求解方法。上层模型考虑区域电网的运行经济性,以储能电站收益最大为优化目标,确定储能配置总容量。下层模型考虑区域电网的功角稳定性,以储能调度期间总网损最小和储能调节区域电网功角稳定性能力最大为优化目标,进行储能选址与总容量的分配。双层模型的上层采用遗传算法进行求解,下层采用改进多目标人工蜂群算法进行求解。以某实际电网为算例进行仿真验证,结果表明,根据所提双层优化模型进行储能配置可以在保证经济性的同时,提升区域电网的功角稳定性。

基于逐步特征增广梯度提升的暂态功角稳定评估及可解释性分析

基于数据驱动的电力系统暂态功角稳定评估虽然可以提供较为准确的结果,但其评估结果缺乏可解释性,导致难以应用于工程实际中。针对该问题,提出一种基于逐步特征增广梯度提升(gradient boosting enhanced with step-wise feature augmentation,AugBoost)的暂态功角稳定评估及可解释性分析方法。首先,通过训练AugBoost评估模型,建立电力系统输入特征与暂态功角稳定指标之间的映射关系;其次,将相量测量单元的实时量测数据传输到训练好的AugBoost评估模型中,提供实时评估结果;并根据沙普利值加性解释(Shapley additive explanations,SHAP)模型对评估结果和输入特征之间的关系进行解释,提高结果的可信度。最后,设计模型更新过程来提升评估模型面对电力系统运行工况变化的鲁棒性。在电力系统仿真软件PSS/E提供的23节点系统和1648节点系统上的仿真结果验证了所提方法的有效性。

混合式配电变压器功角优化控制

针对现有同相位控制无法使混合式配电变压器(HDT)损耗达到最小的问题,提出了HDT的最小损耗模式,以实现功角优化控制,从而降低其运行损耗。首先,建立HDT的相量关系,导出可变损耗与负荷、功率因数角、网侧电压波动系数、功角之间的函数关系;然后,导出最优功角的解析公式,据此建立最小损耗模式的计算流程,从而提出HDT功角优化控制策略。该策略的突出特点在于实时检测电网及负荷工况,进而在线算出实现最小损耗的最优功角;理论分析指出,负荷越轻、越接近纯阻性,电压同相位模式更接近最小损耗模式;反之,电流同相位模式更接近最小损耗模式。仿真及实验结果表明:在网侧电压波动及负载电流畸变工况下,所提出的功角优化控制策略能在实现网侧电流正弦单位功率因数控制及负载电压正弦稳定控制的前提下,有效减小HDT的损耗;轻载工况下,相比电流同相位模式,仿真和实验最小损耗模式能减小可变损耗的60%和42%;在额定负载下,相比电压同相位模式,仿真和实验最小损耗模式能减小可变损耗的46%和37%。

新型电力系统标准算例(一):功角稳定CSEE-RAS

含高比例新能源交直流混联电网的稳定特性已发生深刻变化,功角稳定依然是威胁系统安全运行的关键问题,相关研究对标准算例的真实性、合理性及代表性提出更高的要求。该文根据实际电网拓扑和数据,构建适用于功角稳定特性研究的功角稳定机电暂态仿真算例(Chinese society for electricalengineering-rotoranglestability,CSEE-RAS),该系统以500kV为主网架,包含2个区域、1个交流通道、1个直流通道。提供2种运行方式,分别对应动态、暂态功角稳定场景,上述场景新能源出力占比均在50%以上。考虑新能源出力占比、机组接入位置和控制策略等因素,量化不同因素对稳定水平的影响。敏感性分析结果表明,该算例较为全面地反映了机电暂态尺度下的不同功角稳定特性,且具有灵活的拓展能力,可为功角稳定分析与控制的相关研究提供基础平台,有助于不同结论的横向比较和研究人员科研效率的提升。

弱电网下VSG-DFIG暂态功角稳定性分析及优化策略

电压源型双馈风电机组通过采用虚拟同步机控制这种典型的构网型控制方式,可以为电网提供一定的阻尼与惯性,而在电网发生电压跌落故障时,其可能会出现与同步机相似的功角稳定问题。首先,借助等面积定则分析电网电压发生三相对称跌落时,网侧转差功率与变功率给定值对暂态功角稳定性的影响。同时为使变功率给定控制策略在暂态期间适应网侧变流器动态变化,提出了一种基于暂态功角前馈的虚拟同步机控制双馈风电机组稳定性优化方法。将功角偏差量通过前馈的方式补偿暂态过程中虚拟同步机的不平衡转矩,加速功角越过暂态期间平衡点后的减速过程。通过暂态功角曲线的加减速面积确定前馈系数的选取范围,在保证功角收敛的情况下维持电压源型控制穿越故障。最后,通过仿真与硬件在环实验平台验证上述理论分析的正确性及优化方法的有效性。

基于MMC-UPFC-IPOD改善含风电系统功角稳定性

针对含风电系统功角稳定性问题,提出一个基于MMC-UPFC提高风电并网暂态功角稳定性的方法。利用Schauder固定点定理,将多输入多输出控制系统的合成和分析转化为一组等价的多输入单输出控制系统。将采用分散控制的H2/H∞应用到附加功率振荡阻尼控制中的附加改进功率振荡阻尼控制,以提高MMC-UPFC的输出特性,并在系统暂态时提高系统同步发电机的功角稳定性,并在仿真系统中验证了其有效性。

高比例新能源电力系统功角摇摆-暂时工频过电压耦合机理

在高比例新能源和大容量直流工程大量投运的背景下,扰动冲击引发的暂态电压安全问题给新能源机组带来的脱网风险亟需开展深入研究。文中旨在研究同步电源功角摇摆与新能源暂时工频过电压的耦合机理。首先,基于两机等值系统,结合等面积定则和电压向量分析功角摇摆过程电压幅值波动特性,理论推导新能源接入系统前后机端电压峰值的解析表达式;其次,提取影响机端电压峰值的关键因素,利用预设最大峰值约束给出各影响因素极限值的求解方法,并结合工程实际辨析极限值解析计算的保守性;最后,给出新能源机端过电压的改善建议,用于指导大规模新能源外送系统实现电力安全可靠送出,光伏火电打捆系统和实际电网的时域仿真结果验证了理论分析的有效性。

基于虚拟功角功率控制的VSG增强功率解耦策略

虚拟同步机可提升“双高”电力系统惯性,但其存在的固有功率强耦合会产生功率稳态误差,严重限制变流器功率传输能力,甚至导致系统失稳。为此,该文详细分析VSG功率耦合机理,指出线路阻感比R/X与功角θ是影响功率耦合两大因素,并评估其引起的功率耦合对稳定性影响。然后在虚拟电感控制基础上考虑R/X和θ,提出一种基于虚拟功角的功率控制策略,使用理论公式计算虚拟功角值改进功率环控制,增强了大范围功角情况下功率解耦效果,抑制了无功功率波动,并用幅相运动方程判据评估该系统稳定性。最后,通过理论分析和实验结果验证所提解耦控制策略的有效性。

功角稳定支路暂态输电能力与扩展等面积准则方法之关联评析与互补应用

大扰动冲击下,机群与网络受扰响应中均含有可表征功角稳定性的信息。该文首先针对两机系统,揭示了功角摇摆过程中不同空间位置的网络节点电压相位具有“分群归属”的差异特性,关键支路两端节点电压相位差与机群功角差则具有变化一致性;针对基于网络响应的支路暂态输电能力(branch transient transmission capability,BTTC)方法和基于机组响应的扩展等面积准则(extended equal area criterion,EEAC)方法,系统梳理了两种功角稳定降维评估方法的关联差异,以及两种方法在划分同调机群、确定临界指数上的技术互补性。面向跨大区单支路互联电网和局部多支路外送电网,仿真验证了BTTC方法可为EEAC方法快速划分同调机群,EEAC方法则可为BTTC方法提供不稳定平衡点进而确定临界稳定指数。

基于能量的判别暂态功角和电压主导性模糊判据

明确电力系统暂态主导失稳模式有助于控制措施的决策。基于暂态能量函数建立指标体系,并利用模糊综合评价法提出判别主导失稳模式的模糊判据。首先,利用系统不同暂态失稳状态的能量变化量,建立反映系统的功角失稳与电压失稳的能量指标体系;其次,结合模糊数学理论,利用熵权法计算指标权重,进而得到主导失稳模式的模糊判据;之后,利用两机单负荷系统暂态失稳算例,得到0-1范围内的模糊判据值域;最后,在某地区实际架构的“之”型网络中,利用模糊判据判断并验证暂态主导失稳模式。实验结果表明:除了在强耦合失稳情况下,模糊判据的判别结果可靠,对耦合失稳场景的控制措施具有指导作用。

利用实测响应信息的暂态功角失稳实时判别方法

实时暂态稳定分析需要有快速暂态稳定性判据,为此,对系统振荡联络断面特征信息进行分析并研究了特征信息的变化趋势与系统稳定性的关系。基于相量测量单元(Phasor measurement unit,PMU)量测数据(如发电机功角、母线电压相量、联络线有功功率及母线频率)设计了一种实时暂态功角失稳判据。该判据能充分考虑暂态过程中系统非线性特性的影响,仅使用从实时更新的海量PMU数据中提取出的关键特征信息,与电网模型参数、系统运行工况无关,物理意义明确,计算速度快,且使用简单。仿真结果表明,运用此判据可快速准确地判别暂态功角失稳。

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。