含并联型FACTS的电力系统次同步振荡分析与抑制

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一方面由于我国电网大容量、远距离、跨区域输电的特点,交流串补及高压直流输电线路的应用越来越广泛,这些都可能激发系统次同步振荡,威胁系统的安全稳定运行。另一方面技术成熟的并联型FACTS元件得到越来越多的实际应用,在给次同步振荡带来影响的同时,也给抑制次同步振荡提供了更多的途径。本论文围绕含并联型FACTS电力系统的次同步振荡问题以及相关抑制技术,在次同步振荡分析方法、并联型FACTS元件对次同步振荡的影响机理、次同步振荡抑制技术等多个方面作出了研究,主要工作如下:  1)根据次同步振荡问题的特点,建立了并联型FACTS元件的电磁暂态模型。通过与仿真的对比,证明了该模型能计及并联型FACTS元件中晶闸管的离散时间特性,具有足够的精度来分析次同步振荡。同时,分析了FACTS元件中的高次谐波分量对次同步振荡的影响。  2)提出一种基于阻尼转矩法(Damping Torque Analysis,DTA)的并联型FACTS次同步阻尼控制器设计方法。首先用DTA分析了并联型FACTS元件控制器阻尼在系统中分配、传递和作用的过程,指出控制器首先向机组的机电振荡提供阻尼转矩,然后再通过机组对各扭振模态的参与性对模态阻尼起作用。然后基于DTA设计了次同步阻尼控制器,指出其关键在于调整控制器在各振荡模态的补偿相位,在给失稳模态提供较多阻尼的同时,也要尽量增加其它振荡模态的阻尼。最后比较了SVC和STATCOM对次同步振荡的抑制能力。  3)推导了含SVC系统的简化电磁转矩和电气阻尼算式,并通过特征值和仿真结果的对比验证了该算式的有效性。在此基础上分析了SVC容量和接入位置对次同步谐振频率的影响,指出SVC首先通过容量变化等来影响线路结构乃至系统阻尼。调节SVC参数和接入位置尽管能一定程度上调整线路谐振频,但会受到SVC容量的限制而难以消除次同步振荡。然后,利用该式来研究SVC附加阻尼控制的机理,指出接入线路中点能使SVC在谐振频附近提供更多正阻尼。同时,分析了SVC电压控制对次同步振荡的影响,指出电压控制的传递函数很可能会增大各扭振频下的附加阻尼相位差。  4)首先基于系统的dq轴数学模型,简化复转矩系数的计算,得到了较精确的含STATCOM系统的电磁转矩计算式。该算式指出系统电气阻尼主要和输电线路参数相关。STATCOM参数及其对输出电压相位角的控制,都很难改变系统的阻尼特性。其次,分析了STATCOM附加阻尼控制抑制次同步振荡的机理,认为控制器相当于在其接入点并联了一个电流源。但是该电流源受到STATCOM直流电容及充放电效应的影响,使得谐振频附近的附加阻尼相位特性复杂化。最后,对比了STATCOM和SVC对次同步振荡的影响,认为SVC控制器的设计更为简便。  5)考虑到实际中并联型FACTS元件多装设于长距离输电线路中点,并对系统中的电压进行控制,提出了一种线路中点的基于简化复转矩分析的PID抑制策略。在简单快速计算出附加阻尼相位特性的基础上,调整PID的控制参数,使各固有扭振频下的总补偿相位均满足要求,再选择合适的放大倍数。特征值与仿真表明该策略兼顾了电压调节和阻尼控制,既可以维持系统电压水平和提高线路传输能力,也可以有效的抑制系统次同步振荡。  6)为提高控制器的鲁棒性,考虑系统的多种运行方式,提出了一种基于简化阻尼计算的次同步振荡阻尼控制器设计方法。以多运行方式下多振荡模态的电气阻尼整体最优为目标,在评价指标中引入固有扭振频率,并赋予易失稳模态和主要运行方式更大的权值,以计及各振荡模态的频率信息,和使阻尼更合理地分配于各振荡模态和各运行方式。仿真验证了该方法的有效性,并证明其可以给予正常运行方式更多的阻尼,来满足实际系统运行的要求。该方法采用阻尼节省了计算量更加快捷,有着广阔的应用前景。  7)基于模态级数法分析了大扰动下系统次同步振荡的2阶非线性特性,并优化设计了次同步阻尼控制器的参数。首先比较了1阶解和2阶解对仿真解的逼近程度,指出在大扰动下,2阶解将会包含更多的有效信息。然后研究了系统的2阶非线性相关系数和2阶相关因子,推导了模态级数法的非线性主导模态指标。通过对比指标值,指出线路次同步谐振模态会较多的参与系统2阶非线性作用,是次同步振荡的非线性主导模态。最后,为减弱这种2阶非线性互作用,优化选择了一组控制参数。比较优化前后的误差指标,证明了该控制器的有效性,不仅保证了系统的小干扰稳定,也降低了大扰动下次同步振荡的风险。
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