发电机功角δ表述的拓展及应用

发电机功角δ是电力系统机组稳定运行中的一个重要技术参数,阐述了发电机功角δ另一种表达方式,为工程应用中的简化计算及智能仪表的实时采样和数据显示提供了理论依据。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

连续换相失败对大电网功角稳定影响分析

连续换相失败对交直流大电网的安全稳定运行存在严重威胁,容易引发跨大区电网的连锁故障。采用理论分析和实际电网仿真相结合的方式研究连续换相失败对交流系统功角稳定性的影响。首先从交直流系统无功功率交换的角度,分析连续换相失败的形成原因。然后以简化的三区域交直流互联系统为例,基于等面积法则分析连续换相失败过程中交流系统同步发电机相对功角的变化情况。最后,仿真分析当绍兴换流站发生连续换相失败时,送端电网和受端电网功角变化情况。仿真结果表明,连续换相失败在短时间内对交流系统造成多次能量冲击,长时间的连续换相失败会造成交流系统功角失稳。

双馈风机等效惯量控制比例系数对系统功角首摆稳定的影响机理分析

随着具备惯量调节能力的双馈风力发电机组大规模接入电网,电网的功角稳定特性变得更加复杂。该文以双馈风机(DFIG)接入两区域互联电网为研究背景,首先推导两区域惯性中心等效模型,分析DFIG直接接入电网时虚拟惯量对两区域惯性中心转子运动方程的影响;然后从系统暂态能量的角度出发,研究系统发生三相短路故障及负荷突增时,系统功角摆动方向不同、两区域互联系统DFIG等效惯量控制环节比例系数不同对系统加速及减速过程中暂态能量的影响,进而研究其对系统功角首摆稳定的影响机理;最后通过系统功角首摆最大偏移量对系统功角首摆稳定性进行评估,并在PSASP仿真软件中搭建两区域系统仿真模型,验证所提理论的正确性。

考虑故障限流的VSG暂态功角稳定控制方法

当电网发生严重故障时,虚拟同步发电机(VSG)易发生功角失稳并导致故障电流越限,现有方法大多忽略功角失稳与故障过流之间的内在关联性而将二者单独处理,导致二者难以同时解决.为此,分析了VSG的暂态功角特性和故障电流特性,阐释了产生上述问题的原因及相互关系;基于相图理论分析了多影响因素下VSG的暂态功角稳定性,提出了一种考虑故障限流的VSG暂态功角稳定控制方法,该方法在自适应调节有功功率指令以保持功角稳定的基础上联合调节无功调压系数,并引入准静态近似虚拟阻抗,同时实现了故障期间VSG的暂态功角稳定和全故障限流.仿真和实验结果验证了理论分析的正确性及所提控制方法的有效性.

基于量测数据时序谱分布特性的电力系统暂态功角稳定在线判别

基于响应信息的电力系统暂态稳定判别是实现“实时决策,实时控制”的基础。然而此类方法的准确性受限于场景匹配以及发电机分群等中间环节。为更有效地辨识系统的暂态稳定性,该文以随机矩阵理论为基础,提出一种基于量测数据时序谱分布特性的电力系统暂态功角稳定判别方法。首先根据电力系统的暂态响应特性构建数据模型,并在实时分离窗矩阵的基础上构建插入矩阵模型以降低冗余历史数据对谱分布特性的影响。然后结合谱分布理论和增广矩阵法获取表示数据相关性的最大特征值偏移度(maximum eigenvalue deviation,MED)差值轨迹,并以物理机理严格分析不同稳定模式下MED差值轨迹与暂态功角稳定间的映射关系,从数据相关性的角度制定暂态功角稳定判据,基于量测数据实现暂态响应特性分析和暂态功角稳定在线判别。

基于双馈风电机组控制参数优化的电网功角振荡控制

随着大量风电并网,双馈感应发电机(DFIG)与同步发电机(SG)间的动态交互,将加剧SG功角振荡。基于特征值分析的控制参数优化,未考虑非线性元件和大扰动场景。该文从抑制功角振荡出发,以SG转速为DFIG电力系统稳定器(PSS)输入信号,建立风电并网电力系统动态模型。在微分方程中引入中间变量,以解耦状态变量轨迹灵敏度。区分状态变量与代数变量对应的雅可比矩阵,推导DFIG并网电力系统轨迹灵敏度的解析表达。设定目标函数为SG功角偏差相对值二次方对时间积分,按时间顺序累加功角对控制参数的轨迹灵敏度,得到目标函数对控制参数的梯度信息。考虑DFIG-PSS可能弱化转子侧变流器(RSC)控制效果,提出基于轨迹灵敏度的RSC和DFIG-PSS参数协调优化方法。给出4机2区域系统仿真结果,验证了所提方法对DFIG并网系统功角振荡的阻尼效果。

提高储能换流器电压及功角暂态特性研究

为提高储能换流器电压及功角暂态特性,对有功电流-频率、无功电流-电压下垂控制进行改进,提出一种根据输出电压有效值变化率表征下垂系数,根据电压调节量自适应调节下垂系数的无功电流下垂控制策略。引入滞环控制在储能换流器电流自适应有功电流-频率下垂控制中,通过滞环控制器将功角维持在一定范围内,确保当电网电压跌落故障时,储能系统功角稳定。Matlab/Simulink仿真和RTDS实验结果表明:所提新型控制方案可以提高储能对系统惯性无功支撑能力,提高储能控制系统对电压暂态波动的抑制能力,有效提升了储能换流器输出电压及功角暂态性能。

基于角频率暂态前馈的VSG控制策略

针对虚拟同步发电机(VSG)并网时,输出功率的稳态性能与动态性能之间存在耦合,无法同时满足抑制有功振荡和电网一次调频的需求,提出基于角频率暂态前馈的控制策略,通过补偿输出功率,减小Δω,进而减小振荡过程。该控制策略可以有效抑制有功振荡,并且实现了稳态性能与动态性能间的解耦,不会影响一次调频特性,同时提高了响应速度。首先建立VSG有功闭环小信号模型,分析了输出功率稳态性能与动态性能之间的矛盾,并根据同步发电机功角特性分析了有功振荡机理;在此基础上提出了基于角频率暂态前馈的控制策略,利用闭环零极点与Bode图分析了所提控制策略对系统的影响;最后通过仿真和RT-LAB半实物平台验证了所提控制策略的可行性与优越性。

新能源经柔直送出场景下功角变化导致比相式距离保护不正确动作机制分析

新能源电源经柔性直流输电线路接入交流系统已经成为电力系统中的典型场景。以基于模块化多电平换流器的柔性直流(modular multilevel converter-high voltage direct current,MMC-HVDC)受端交流线路配置的正序电压为极化电压的比相式距离保护为研究对象,结合受端换流器的控制策略,分析了新能源经柔性高压直送出系统中柔直受端交流线路发生短路故障场景下该保护的适应性:在发生相间金属性短路故障情况下,距离保护存在区内短路拒动以及反向区外短路误动的风险。为探究保护不正确动作机制,首先在电压平面上分析了参量变化对距离保护动作行为的影响,揭示了距离保护内在的系统功角与短路容量约束,推导了距离保护正确动作的功角边界。通过将柔直侧系统进行合理等值,受端交流线路发生相间金属性短路故障后,受端换流器控制策略使得系统等值功角增大,距离保护特性位于动作边界,存在拒动/误动风险。利用RTDS建立了风电经柔直送出系统的仿真模型,分析了受端交流线路故障后系统的等值功角特征,验证了距离保护的不正确动作特性。

基于深度学习的电力系统暂态功角与暂态电压稳定裕度一体化评估

随着面向高比例可再生能源新型电力系统的转型,系统运行特性日趋复杂。暂态功角稳定(transientangle stability,TAS)与暂态电压稳定(transient voltage stability,TVS)问题相互耦合且频发,为系统安全稳定评估带来严峻挑战。研究首先采用变步长二分法通过调用PSASP从时间维度上构建了暂态电压与暂态功角的稳定边界。研究了不同故障位置、感应电动机占比、负荷率对稳定边界的影响并依托边界确定主导失稳模式。其次提出一种基于注意力机制与一维卷积神经网络融合的电力系统功角稳定及电压稳定裕度评估的新方法。该方法直接面向测量数据,将节点稳态与暂态运行的电压幅值、有功功率、无功功率数据作为输入特征,节省了数据处理时间。通过一维卷积神经网络构建输入特征与极限切除时间的映射,利用注意力机制进一步提高了模型预测效果。通过新英格兰IEEE39节点系统进行分析验证,结果表明该方法可以实现暂态安全裕度的快速评估且具有较高的预测精度。