基于广域响应的电力系统暂态稳定实时判别及紧急控制研究

发布时间：2020-11-02 16:09

　　 大区域互联电网的飞速发展以及大规模间歇式能源的接入,对电力系统安全稳定控制系统提出了更高的要求,暂态稳定控制方式正逐步转向“实时决策,实时控制”模式。基于广域测量系统(Wide Area Measurement System,WAMS)的安全稳定控制技术克服了传统暂态稳定控制模式难以满足实时性的问题,能够实现电力系统的“实时决策,实时控制”,受到国内外学者的广泛关注。本文针对暂态稳定控制研究中的暂态稳定受扰轨迹预测、暂态稳定性判别以及暂态稳定紧急控制三个关键问题,研究了基于广域响应信息的暂态稳定分析及控制技术,主要研究内容如下:(1)针对暂态稳定受扰轨迹预测,提出了一种基于自忆性灰色Verhulst模型的暂态稳定受扰轨迹实时预测方法。同时考虑暂态稳定受扰轨迹的典型动态特征及其强非线性和随机波动性,构建了具有自忆性的灰色Verhulst模型；基于此数学预测模型,提出了一种模型参数自适应的实时预测方案,该方案采用等维新息递补技术及滚动预测方法,能够充分利用WAMS实时量测数据,不断更新样本数据以提高预测性能及模型参数自适应性。最后结合扩展等面积准则(Extended Equal Area Criterion,EEAC)暂态稳定性判据,对基于预测轨迹的暂态失稳识别的快速性及有效性在新英格兰10机39节点系统以及实际三华电网中进行了仿真验证,结果表明该方法可以有效提高暂态失稳识别的快速性,可为后续紧急控制争取更多时间。(2)基于非线性动态系统最大李雅普诺夫指数(Largest Lyapunov Exponent,LLE)稳定性判别理论,研究了一种无需系统模型的暂态稳定在线分析方法。首先从非线性动态系统角度出发对电力系统暂态功角稳定问题进行描述,根据LLE稳定性判别原理建立了基于LLE的暂态稳定问题研究思路;根据LLE直接估算法原理,提出了改进的LLE估算法,并利用该方法深入分析了发电机相对功角响应轨迹LLE的典型动态特征及关键特性,在此基础上分别提出了基于响应轨迹LLE动态特征的暂态稳定性监测方法及同调群识别算法。前者针对实际中不完备的PMU配置问题,提出了基于临界机组对的暂态稳定性在线监测方案以弱化对PMU配备的要求并节省计算成本;后者针对临界机群识别问题,提出了一种基于LLE的临界机群识别算法。所提方法完全基于实测响应数据且计算简单快速,易于电力系统暂态稳定分析的在线实现,为后续暂态稳定性判别及紧急控制研究奠定了基础。在新英格兰10机39节点系统上仿真验证了所提方法的准确性和对不同故障场景的适用性。(3)针对暂态稳定性判别,提出一种基于最大李雅普诺夫指数指标(Largest Lyapunov Exponent Index,LLEI)与角速度偏差(△ω)的暂态稳定性快速判别方法。首先基于无需系统模型的LLE估算法,从发电机转子运动方程出发建立了 LLE与△ω的数学关系,再利用响应轨迹LLE的关键特性并结合受扰相轨迹的动态响应特性,推导出将LLEI与△ω相结合的快速暂态稳定判据,利用该判据提出了一种基于临界机组对的暂态稳定性实时判别方案,以弱化对PMU配备的要求并能加快暂态稳定性判别。所提方法将非线性动态系统稳定性原理与暂态稳定物理机理相结合,兼顾了稳定性判别的准确性和快速性;与基于LLE符号特征法相比,该方法无需寻找最优观测窗口且所需计算窗口很短,并能给出确切的稳定性判别时间;与常规相轨迹法相比,该方法不受轨迹突变及不规律变化的影响。在新英格兰10机39节点系统和实际华东电网上分别验证了所提方法的有效性和适用性。(4)针对暂态稳定紧急控制,提出了一种基于暂态不平衡能量函数的切机切负荷联合闭环紧急控制方法。首先从发电机转子运动方程出发,定义了系统的暂态不平衡能量函数,并基于系统修正的暂态能量函数及其故障后守恒性分析得到了系统暂态不平衡能量函数的关键特性,然后结合系统稳态运行时的不平衡功率特性,得到切机切负荷控制量的求解方法。该方法从暂态失稳的本质原因出发,能够准确得到使系统恢复稳定运行的控制量,并且通过切机切负荷联合紧急控制可有效改善单一切机控制后系统频率或者电压过低问题。最后综合全文方法,提出了一套完整的基于WAMS的暂态失稳实时预测及实时闭环紧急控制方案,该方案通过提前预测暂态稳定受扰轨迹并结合快速暂态稳定判据,能对暂态失稳进行提前预测,进而利用联合闭环紧急控制方法对系统尽早采取有效控制,使系统保持安全稳定运行。利用新英格兰10机39节点系统与实际三华电网不同失稳场景进行了仿真验证。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM712
【部分图文】：

覆盖率也显著增加，２０１４年北美同步相量测量倡议（Ｎｏｒｔｈ?Ａｍｅｒｉｃａｎ?ＳｙｎｃｈｒｏＰｈａｓｏｒ??Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ，?ＮＡＳＰＩ）的调查显示，己约有２０００个ＰＭＵ装置在北美电网中投入使用，??该地区ＰＭＵ部署情况如图１－１所示［２Ｇ］。??ｉ?＾＾?Ｖ??？？Ｚ?二?＇一?＾?？?ＰＭＵ?位置??☆传输主数据集中器??ｕａｓｐ＼Ｓ＾ｉ．?★地区数据集中器??图１－１北美ＰＭＵ布置情况（截止２０１５年３月）??Ｆｉｇ．?１－１?ＰＭＵｓ?ａｎｄ?ｓｙｎｃｈｒｏｐｈａｓｏｒ?ｄａｔａ?ｆｌｏｗｓ?ｉｎ?Ｎｏｒｔｈ?Ａｍｅｒｉｃａ?（ｗｉｔｈ?ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ａｖａｉｌａｂｌｅ?ａｓ?ｏｆ??Ｍａｒｃｈ?２０１５）??我国关于同步相量测量技术的研究起步于１９９４年，主要研究机构先后有中国??电力科学研宄院以及清华大学、华北电力大学与浙江大学等院校。１９９４年中国电??３??

?？？？??据的应用—＾??图１－２?Ｄ５０００系统集成内容??Ｆｉｇ．?１－２?Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｓｍａｒｔ?ｇｒｉｄ?ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ?ａｎｄ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?Ｄ５０００??（２）?ＷＡＭＳ的工作原理及应用功能??ＷＡＭＳ的基本结构由ＰＭＵ子站、控制中心主站和高速通信网络组成，其基本??工作原理图如图１－３所示。ＷＡＭＳ利用高速的现代通信技术将从ＰＭＵ中获取的功??角、电压及电流等测量数据传送到监控中心，监控中心利用实时获取的动态响应??数据对电力系统进行监测、分析与控制等应用。其中ＰＭＵ子站主要包括以下４个??模块。??５??

?２．４．１新英格兰１０机３９节点系统算例??新英格兰丨０机３９节点系统结构如图２４所示，该系统有１０台发电机和１７??个负荷节点，发电机均采用五阶模型，其中３９号机为平衡机，具体参数详见文献??［１４９］。??平３０?平３７?????ｃｒ２５?２６?｜?丨叫?２８￣Ｙ￣?２９什＊￣??２?Ｉ?Ｉ?丁－２７?｜?Ｉ??卜?”?３８－Ｈ－??＠?－－ｒｒ３?－ｒｒｒ１８?ｎ－－１７?（Ｓ）???３９?１?ｔ?＂Ｉ?ｒｒｒ－１６?２１ｔｔ￣??ｉ?１５?丁＿?Ｉ?ｉ??▼?？???「４?＾?１４—ｉ?Ｌ?？丄．２４?３６??丄?６?１＾－２３??９＂?ｒｒ?千?ｉ??丁－７?＾—？?丁?＿?２０?２２１?Ｉ?１??〇?ｖ?」??匕１０”??－Ｉ——Ｌ?Ｊｋ－ｒ３１－｜－３２?－Ｊ－３４?４－?３３?－Ｊｒ?３５??Ｉ?？Ｉ?？?？?？?？??图２４新英格兰１０机３９节点系统??Ｆｉｇ．２－４?Ｎｅｗ?Ｅｎｇｌａｎｄ?１０－ｍａｃｈｉｎｅ?３９－ｂｕｓ?ｓｙｓｔｅｍ??设置ｂｕｓ?４－ｂｕｓ?１４间输电线０?ｓ时刻首端发生三相短路，通过反复仿真可获得??该故障场景下临界清除时间为〇．２３ｓ。算例１将故障清除时间分别设为０．２３?ｓ，系??统发生临界稳定；算例２将故障清除时间设为０．２４?ｓ，系统发生临界失稳。选取０．４??Ｓ－０．５Ｓ为采样时段进行预测，以３９号机为参考机，并以３８号发电机为例观察暂态??稳定功角受扰轨迹的预测结果，算例１及算例２的时域仿真结果以及单次滚动轨??迹预测结果如图２－５所示。??算例丨?算例２??，?
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本文编号：2867262