專利名稱：一種電網(wǎng)低頻振蕩信號(hào)的模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)組及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制領(lǐng)域，具體地說(shuō)是在機(jī)組穩(wěn)定分析和控制器設(shè)計(jì)中的低頻振蕩信號(hào)的模擬方法。

背景技術(shù)：
低頻振蕩是現(xiàn)代大型電網(wǎng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行的主要威脅，利用控制器改善和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是解決這一問(wèn)題的主要手段。由于在實(shí)際運(yùn)行中，低頻振蕩信號(hào)難以捕捉，為研究低頻振蕩下機(jī)組振蕩特性以及控制器設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)帶來(lái)困難。
目前的研究主要主要集中在對(duì)機(jī)組振蕩模式的提取和識(shí)別，以便采取措施改善機(jī)組及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。如傳統(tǒng)基于特征根的模態(tài)分析方法[1]能獲得關(guān)鍵失穩(wěn)模態(tài)、參與因子等信息。這一方法在小擾動(dòng)穩(wěn)定分析中獲得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[2]，文獻(xiàn)[3]對(duì)特征根分析方法及其擴(kuò)展研究進(jìn)行了系統(tǒng)的分析總結(jié)。近年來(lái)應(yīng)用較多的Prony方法從仿真或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)振蕩特征參數(shù)[3-6]。該方法在大型電網(wǎng)中用于提取系統(tǒng)振蕩特征[7-9]，獲得系統(tǒng)的降階模型并用于設(shè)計(jì)PSS[10-11]等方面取得了較好的效果。大型電網(wǎng)低頻振蕩分析方法仍在不斷的改進(jìn)。
在時(shí)域仿真中，低頻振蕩信號(hào)的獲得是另一個(gè)難題，文獻(xiàn)[12]采用原動(dòng)機(jī)輸出端加入功率擾動(dòng)誘發(fā)低頻振蕩的方法，文獻(xiàn)[9]基于Prony方法從實(shí)測(cè)錄波數(shù)據(jù)獲得振蕩信號(hào)，均取得了很好的效果。要詳細(xì)分析機(jī)組振蕩影響因素等細(xì)節(jié)，需要獲取多種不同幅度、不同振蕩頻率的信號(hào)，這一點(diǎn)在分析研究中存在一定的困難。
參考文獻(xiàn) [1]KundurP.電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制[M].北京中國(guó)電力出版社，2002. [2]周雙喜，蘇小林.電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性研究的新進(jìn)展[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007，19(2)1-9. [3]倪以信，陳壽孫，張寶霖.動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京清華大學(xué)出版社，2002. [4]Hauer J F，Demeure C J，ScharfL L.Initial results in prony analysis ofpower system response signals [J].IEEE Transaction on Power Systems，1990，5(1)80-89. [5]Grund C E，Paserba JJ，Hauer J F，et al.Comparison of prony and eigenanalysis for power systemcontrol design[J].IEEE Transaction on Power Systems，1993，8(3)964-970. [6]Sanchez-Gasca JJ，Chow J J.Performance comparison of three identification methods for the analysis ofelectromechanical oscillations[J].IEEE Transaction on Power Systems，1999，14(3)995-1002. [7]李大虎，曹一家.基于模糊濾波和Prony算法的低頻振蕩模式在線辨識(shí)方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(1)14-19. [8]D.A.Pierre，D.J.Trudnowski，J.F.Hauer.Identifying Linear Reduced-Order Models for Systems withArbitrary Initial Conditions Using Prony Signal Analysis[J].IEEE Transactions on Automatic Control，1992，31(6)831-834. [9]王衛(wèi)國(guó)，賀仁睦，王鐵強(qiáng)，等.分析電力系統(tǒng)低頻振蕩的試驗(yàn)方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，25(22)28-31. [10]Hu Guoqiang，He Renmu，Yang Huachun，et al.Iterative Prony method based power system lowfrequency oscillation mode analysis and PSS design[C].2005 IEEE/PES Transmission and DistributionConference & ExhibitionAsia and Pacific，Dalian，China1-6. [11]徐東杰，賀仁睦，高海龍.基于迭代PRONY算法的傳遞函數(shù)辨識(shí)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(6)40-43. [12]王鐵強(qiáng)，賀仁睦，王衛(wèi)國(guó).電力系統(tǒng)低頻振蕩機(jī)理的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(2)21-25.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低頻振蕩信號(hào)的模擬方法，為研究低頻振蕩下機(jī)組及電力系統(tǒng)振蕩情況，設(shè)計(jì)控制器改善機(jī)組和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性提供一種研究方法和手段。同時(shí)該方法可應(yīng)用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的商業(yè)軟件中。
關(guān)于發(fā)電機(jī)組低頻振蕩特征 系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，表現(xiàn)特征之一是機(jī)組功角振蕩引起的有功振蕩。
假定振蕩來(lái)自電力系統(tǒng)，從其表現(xiàn)形式可以理解為由于擾動(dòng)使得系統(tǒng)角速度ωs產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)電壓矢量相對(duì)于初始同步坐標(biāo)x位置產(chǎn)生振蕩，參見(jiàn)附圖1所示。
機(jī)組功角是機(jī)組暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)Eq′與系統(tǒng)電壓矢量的夾角，即機(jī)組功角以系統(tǒng)電壓矢量為基準(zhǔn)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩，系統(tǒng)電壓矢量產(chǎn)生振蕩時(shí)，從機(jī)組側(cè)來(lái)看，電力系統(tǒng)的振蕩實(shí)際上等效于機(jī)組功角的振蕩。因此，可以把復(fù)雜的電力系統(tǒng)低頻振蕩轉(zhuǎn)化為機(jī)組側(cè)功角的振蕩問(wèn)題來(lái)研究，從而避開(kāi)電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，大大簡(jiǎn)化了對(duì)機(jī)組振蕩問(wèn)題的研究。
本發(fā)明的低頻振蕩信號(hào)的模擬方法如下 1、將發(fā)電機(jī)組功角振蕩分為三種振蕩形態(tài)即等幅振蕩、衰減振蕩和隨機(jī)振蕩三種類型，所描述模型分別為 等幅振蕩δ＝δ0+δDsinωDt 衰減振蕩δ＝δ0+δDe-ktsinωDt 隨機(jī)振蕩δ＝δ0+(δD+δrand)sinωDt 式中δ0為機(jī)組初始功角(rad)，δD、ωD分別為無(wú)窮大系統(tǒng)功角振蕩峰值(rad)和角頻率(rad/s)，δrand是隨機(jī)振蕩幅(rad)，k是振蕩衰減系數(shù)。
2、機(jī)組功角振蕩的微分方程將功角變化表示成微分方程，和機(jī)組其它運(yùn)動(dòng)方程一起構(gòu)成機(jī)組的運(yùn)動(dòng)模型，假定初始功角δ0與角速度運(yùn)動(dòng)微分方程為 其中ωB為角速度基值，且ωB＝ωs。
則有，三種功角振蕩形態(tài)對(duì)應(yīng)的微分方程為 等幅振蕩 衰減振蕩 隨機(jī)振蕩 從功角振蕩微分方程可見(jiàn)，在微分方程中包括了正常功角變化項(xiàng)ωB(ω-1)和功角振蕩附加項(xiàng)。
應(yīng)用該方法分析機(jī)組及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制器設(shè)計(jì)時(shí)，只需將傳統(tǒng)機(jī)組模型中功角微分方程替換為本發(fā)明的三種功角振蕩微分方程之一，即可模擬低頻振蕩下機(jī)組的響應(yīng)特性。
在機(jī)組振蕩特性分析和控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以從以下幾方面進(jìn)行 (1)選擇一種功角振蕩方程，如等幅振蕩模式。給定不同的功角振蕩參數(shù)，分析機(jī)組在低頻振蕩下的響應(yīng)特性。
(2)在相同振蕩參數(shù)下，修改控制器參數(shù)，對(duì)比振蕩特性的變化，以獲得優(yōu)化的控制器參數(shù)。
(3)在不同初始工況、不同振蕩模式下，控制器參數(shù)的優(yōu)化。
(4)在相同控制器參數(shù)下，同一類型振蕩不同振蕩參數(shù)下的仿真，獲得機(jī)組變量和振蕩參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)分析，為控制器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
本發(fā)明具有以下有益效果 1、以機(jī)組的振蕩為研究對(duì)象，可以模擬各種可能的電網(wǎng)擾動(dòng)。
2、現(xiàn)有方法通過(guò)獲得振蕩模式，以避開(kāi)共振為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。本方法通過(guò)調(diào)整振蕩頻率可以直接獲得在較寬范圍內(nèi)機(jī)組的振蕩特性，使得控制器的設(shè)計(jì)更合理有效。
3、簡(jiǎn)化了復(fù)雜電網(wǎng)對(duì)機(jī)組分析的影響，應(yīng)用更為方便。



圖1是機(jī)組功角振蕩示意圖； 圖2是水輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明功角等幅振蕩下機(jī)組有功響應(yīng)圖； 圖4是本發(fā)明功角隨機(jī)振蕩下機(jī)組有功響應(yīng)圖； 圖5是本發(fā)明功角衰減振蕩下機(jī)組有功響應(yīng)圖。

具體實(shí)施例方式 某水電站水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組振蕩特性 水輪發(fā)電機(jī)組控制結(jié)構(gòu)如附圖2. 水輪機(jī)為包括液壓放大在內(nèi)的彈性水擊的非線性水輪機(jī)模型，發(fā)電機(jī)采用單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)三階模型。調(diào)速器為PID控制，勵(lì)磁為PI控制。初始工況pe＝0.9(pu)。
實(shí)施例1 假定系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)生的低頻振蕩類型為等幅振蕩信號(hào)，振蕩參數(shù)為δD＝0.1(rad)，ωD＝6.2(rad/s)，約1Hz。在模擬時(shí)用等幅振蕩方程 在t＝1秒系統(tǒng)發(fā)生振蕩，在t＝20秒系統(tǒng)振蕩消失(選擇較長(zhǎng)的振蕩時(shí)間是為了觀察在系統(tǒng)持續(xù)振蕩下，機(jī)組響應(yīng)平穩(wěn)后的情況，以及振蕩消失后機(jī)組能否恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。)。機(jī)組有功振蕩響應(yīng)特性如圖3所示。從圖3可見(jiàn)，這種模擬方法較好的反應(yīng)了機(jī)組有功振蕩中幅值和振蕩角頻率的特征。
實(shí)施例2 假定系統(tǒng)產(chǎn)生的低頻振蕩類型為具有一定幅值的隨機(jī)振蕩，振蕩參數(shù)為δD＝0.01(rad)，δrand＝-0.5～+0.5(rad)，ωD＝6.2(rad/s)，約1Hz。在模擬時(shí)用隨機(jī)振蕩方程 在t＝1秒系統(tǒng)側(cè)發(fā)生振蕩，在t＝20秒系統(tǒng)側(cè)振蕩消失。機(jī)組有功振蕩情況如附圖4。
從圖4可見(jiàn)，這種模擬方法較好的反應(yīng)了機(jī)組有功振蕩中幅值和振蕩角頻率的特征。
實(shí)施例3 假定系統(tǒng)產(chǎn)生的低頻振蕩類型為具有一定幅值的衰減振蕩，振蕩參數(shù)為δD＝0.1(rad)，ωD＝6.2(rad/s)，約1Hz，系數(shù)k＝0.5。在模擬時(shí)用衰減振蕩方程 在t＝1秒系統(tǒng)發(fā)生衰減振蕩，機(jī)組有功振蕩情況如附圖5。
從圖5可見(jiàn)，這種模擬方法較好的反應(yīng)了機(jī)組有功振蕩中幅值和振蕩角頻率的特征。
權(quán)利要求
1、一種電網(wǎng)低頻振蕩信號(hào)的模擬方法，其特征在于將發(fā)電機(jī)組功角振蕩分為三種振蕩形態(tài)即等幅振蕩、衰減振蕩和隨機(jī)振蕩，所描述模型分別為
等幅振蕩δ＝δ0+δDsinωDt
衰減振蕩δ＝δ0+δDe-ktsinωDt
隨機(jī)振蕩δ＝δ0+(δD+δrand)sinωDt
相應(yīng)的功角微分方程為
等幅振蕩
衰減振蕩
隨機(jī)振蕩
由以上方程求出低頻振蕩下發(fā)電機(jī)組的響應(yīng)特性。
全文摘要
本發(fā)明是一種電網(wǎng)低頻振蕩信號(hào)的模擬方法。屬于發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)低頻振蕩時(shí)機(jī)組側(cè)的振蕩特征，將發(fā)電機(jī)組功角振蕩分為三種振蕩形態(tài)即等幅振蕩、衰減振蕩和隨機(jī)振蕩三種類型，進(jìn)而得到了相應(yīng)的功角微分方程，用該方程與機(jī)組其它微分方程構(gòu)成低頻振蕩下的仿真模型。這種模擬方法中振蕩幅值、角頻率等參數(shù)可以任意調(diào)整，可以對(duì)機(jī)組振蕩特性進(jìn)行全面的仿真分析，應(yīng)用方便。
文檔編號(hào)H02J3/24GK101656421SQ20091009499
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者云 曾, 張立翔, 澤 李, 激 姚, 亮 武, 王文全, 妍 閆 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)