开题报告电力系统低频振荡的数字仿真研究.docx

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开题报告电力系统低频振荡的数字仿真研究

毕业设计（论文）

开题报告

题目:

电力系统低频振荡的数字仿真研究

院系名称：

电气工程专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

教师职称：

讲师

2011年03月1日

毕业设计（论文）开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000~4000字左右的文献综述：

文献综述

一、本课题研究的意义

随着电网规模的日益扩大,特别是东北—华北、川渝—华中、福建—华东、东北—北—华中—川渝—山东等联网工程的建设,“西电东送,南北互供,全国联网”的局面已步形成。

电力系统的规模越来越大，结构越来越复杂，运行越来越接近极限临界点，使电力系统振荡失稳问题也变得越来越显著。

尤其在大规模互联系统中，最有可能发生的稳定问题就是低频振荡问题。

稳定性问题是电力系统运行的重要问题，因为如果大型电力系统稳定遭到破坏，就可能造成一个或几个区域大面积停电，使得生产生活一时陷于瘫痪和混乱，对人民生活及国民经济造成灾难性损失。

在这方面，美国、欧洲、日本等发达国家都有过惨重教训。

我国电力系统因稳定破坏事故所造成的经济损失也相当惊人，尤其对人民生活和社会造成的危害，更是不能用数字表达的。

低频振荡现象在大型互联电网中时有发生。

由于表现为等幅或增幅形式的低频振荡一旦发生,将严重威胁电网的安全稳定运行,很有可能诱发连锁反应事故,造成系统定破坏,使大面积用户停电。

因此对低频振荡的研究具有十分重要的意义,目前已经成为电力系统稳定研究中的重点问题之一。

二、国内外研究现状

1、低频振荡产生的机理

欠阻尼机理。

自F.Demello最先提出低频振荡的欠阻尼机理后,学术界逐渐取得了共识。

这一理论认为低频振荡是由于在特定情况下系统提供的负阻尼作用抵消了系统电机、励磁绕组和机械等所产生的正阻尼,在欠阻尼的情况下扰将逐渐被放大,从而引起系统功率的振荡。

共振或谐振机理。

当输入信号或扰动信号与系统固有频率存在某种特定关系时，系统会产生大幅度的共振或谐振，其频率有时处于低频区域。

这种机理只限于理论分析，其证明有赖于实测数据的观测，依赖于机组的轴系、调速系统及励磁调节系统加装的同步测量记录装置，才能得到系统的实际参数和扰动记录。

这种低频振荡具有起振快、起振后保持同步的等幅振荡和失去振荡源后振荡很快衰减等特点,这种机理是近年来讨论的热点。

发电机的电磁惯性引起的低频振荡。

由于发电机励磁绕组具有电感,则由励磁电压在励磁绕组中产生的励磁电流将是一个比它滞后的励磁电流强迫分量,这种滞后将产生一个滞后的控制,而这种滞后的控制在一定条件下将引起振荡。

这种电磁惯性引起的低频振荡具体会在什么条件下产生,目前还无定论,也鲜见有关这方面的文献。

非线性奇异现象（也称为分歧现象）。

根据电力系统静态稳定性的小扰动分析法,系统的全部特征根都有负实部时,系统是稳定的;若特征根中出现一个零根或一对虚根,则系统处于稳定的边界;如果特征根中出现一个正实数或一对具有正实部的复数,则系统是不稳定的。

但实际上是由于系统的非线性特性,系统在虚轴附近将出现奇异现象。

研究发现,非线性动态系统出现奇异现象时,即使系统的全部特征根都有负实部,在小扰动下,非线性造成的分歧也可能使系统的特性和状态发生突变,导致增幅性振荡的发生。

混沌振荡机理。

混沌现象是在完全确定的模型下产生的不确定现象,它是由非线性系统中各参数相互作用而导致的一种非常复杂的现象。

目前人们只是感性地认识到混沌现象的一些典型特征,比如混沌系统对初始点的敏感依赖性,这种敏感依赖性是指任意两条运行轨道无论其初始点如何接近,其运行轨迹都将随时间变化而截然不同。

文献中针对低频振荡的参数进行分析得出了如下结论:

（1）仅有阻尼而无周期性负荷扰动时,系统不会出现混沌振荡；

（2）在周期性扰动负荷的作用下且当扰动负荷的值超过一定范围的时候,系统出现混沌振荡；（3）在周期性负荷扰动下,当阻尼系数接近某一数值时,系统发生混沌现象。

文献中提出了产生混沌现象的两种途径:

（1）连续倍周期分岔导致混沌;

（2）经由初始能量直接激发混沌。

所谓连续倍周期分岔导致混沌就是指系统由最初的单周期分岔出现倍周期、接着出现4倍周期分岔,然后8倍周期分岔······,如此下去导致的混沌现象。

而当发电机的角速度偏差达到某一值时,系统收敛到混沌吸引子上,若发电机的角速度偏差继续变大时,系统最终的状态将由奇异吸引子控制,这种混沌就是经由初始能量直接激发的混沌。

2、低频振荡的分析方法

1）特征值分析法　即频域法,它针对在某一稳定运行点线性化的系统（X=AX）计算系数矩阵A的特征值。

从原理上看，包括全部特征值和选择特征值分析法，前者是利用QR法求出系统的全部特征值，得到系统所有模式。

其优点主要为:

①根据全部特征值能分离并确定系统所有的模态；②利用特征向量确定各模态和状态变量间的关系。

但该法是基于稠密矩阵实现的特征求解方法，占用内存较大，同时当A的维数特别大时,由于当前计算精度的限制,不可能收敛或求解失败,因此该法只限于小型电力系统。

后者主要是基于通常只关心与分析目的密切相关的特征值思想,大致可分为降阶选择模

式和全维部分特征值分析法2类,前类主要思想是在全系统线性化方程式中,按某种原则保留所需的状态变量,同时消去其它变量,对降阶系统特征求解,这些特征值是研究问题所在,该法主要包括选择模式分析法（SMA）、改进选择模式法及自激法（AESOPS）；后类主要是将全系统微分方程式的A经适当转换后成为另一维数与它相同的A1,使A阵中所关心的一个或一小部分特征值相应变换成A1中绝对值最大的一个或几个特征值，然后采用适于计算矩阵中按模最大或一部分按模递减特征值的计算方法求出A1中的这些特征值,最后经变换得A阵中所关心的特征值。

主要有S矩阵法和分数变换法,它们需计算系统的关键特征值,但同时不可避免需作些冗余计算,且在理论上不能保证一些关键特征值不被遗漏。

2）时域法　即数值仿真法,它是电力系统暂态稳定分析中广泛采用的方法,理论上可用于小扰动问题的研究。

它是针对特定的扰动,利用非线性方程数值计算出系统变量完整的响应时间,但存在缺点:

①扰动和时域观测量的选择对结果影响很大,因此仅利用系统变量的时域响应分析各种不同振荡模式,其结果可信度不高；②为反映系统振荡性质,常需对长达10s的动态过程仿真计算,使该法计算量可观；③该法无法揭示小扰动稳定问题的实质。

3）传递函数辨识法　它可直接利用时域仿真或实测数据通过辨识技术得到系统的等值线性模型,用于振荡模式分析和阻尼控制的研究。

主要包括傅里叶变换、小波分析及信号（Prony）分析,Prony算法在确定振荡特征方面是较好的分析法,它使用一个指数函数的线性组合来描述等间距采样数据的数学模型,可根据给定输入信号的响应直接估计系统的振荡频率、衰减幅值和相对相位,该法直接提取振荡信号特征,为振荡模式和阻尼分析提供基础。

但实际工程应用中,传统的Prony算法在噪声抑制、系统实际阶数的辨识及对非平稳信号的拟和精度等方面的效果不理想,目前研究人员较关注的是提出较好的改进Prony方法。

4）分叉分析法　将特征值和高阶多项式结合,从数学空间结构上分析系统的稳定性,它考虑了实际系统的非线性特点,理论上比单一特征值法更能把握问题实质,能解决用特征值法解决不了的问题。

电力系统振荡问题可用局部分叉理论中的Hopf分叉分析,即电力系统低频振荡的稳定极限是与系统的微分方程发生Hopf分叉的情况相关的,该法用局部流行对平衡点附近特性进行分析,而不像传统的线性化方法判稳模式。

它能将电力系统中的静、动态稳定问题统一研究,因此能从更为全面的角度探求电力系统失稳现象。

但其对系统规模和方程阶次有限制,当系统动态模型的维数很高时,计算量很大,甚至计算不出特征值;同时现有的非线性算法大都基于简单系统,应用于多机系统的情况尚待研究。

此外,混沌现象与分叉相互并存,目前用混沌理论分析系统的非线性问题有待研究。

5）正规形分析法它是简化常微分方程和微分同胚的重要工具,可将非线性向量场映射为最简形式。

该法计及非线性特性,更重要的是,它通过非线性映射得到的最简模式仍可用模式分析技术,实现了与传统小信号分析的统一,因此它是连接线性系统和非线性系统间的桥梁。

文献评估了带有励磁控制系统的非线性模式相关,并分析了模式相关对控制性能和控制器设计的影响,说明模式间非线性相关作用对仅基于线性化控制的特定模式会产生负面的影响；用该理论分析系统的振荡模式,可识别主导振荡模式并计及各模式间的非线性相互作用,能应用于简单的或复杂的大系统。

但它是基于系统微分方程组的泰勒展开式,存在截断误差。

有研究表明,通常截断阶数不高时,能给出原系统的定性分析,计算繁琐,依赖于新的算法和软件水平的提高。

3、抑制低频振荡策略

1）电力系统稳定控制器PSS目前世界上通用的做法是在励磁系统中加装PSS来提高发电机的阻尼。

PSS入后,既可以阻尼区域间的振荡模式,也可以阻尼局部振荡模式。

PSS的输入信号可以是发电机转速偏差,功率偏差,频率偏差或者前几者的组合。

PSS在大系统中如何配置是一个重要的问题。

虽然PSS阻尼当地和区域间振荡模式的设计原理是类似的,但PSS对两种类型振荡起阻尼作用的机理是不同的。

与发电机速度偏差相应的参与因子在确定PSS安装地点问题上是相当有用的,用它可对可能加装PSS的发电机组进行初步扫描,然后可以采用留数和频率响应法进行更精确的计算,以确定适当的安装地点。

2）高压直流输电系统当交直流输电线路联合运行时，由于直流输电的功率

能快速控制，因此将交流输电线路的控制回路的低频功率

振荡信号引入到直流输电线路的控制回路，能有效抑制低频振荡。

在交直流并联运行的系统里面,可以用直流调制技术增加对系统低频振荡的阻尼。

最成功的例子是美国太平洋联络线,不但起到了抑制低频振荡的作用,还使原来的交流联络线的输送容量从2100MW提高到了2500MW。

选取恰当的调制信号是直流调制研究中必须要解决的问题。

调制器输入可取以下几种信号:

整流侧（或逆变侧）频率,两侧频率偏差,线路功率偏差和线路电流偏差。

为了避开长距离通讯通道带来的不可靠性,消除两端交流系统的频率差信号的局部振荡模式,Crespa提出采用并联交流联络线上的功率变化速度作为调制信号,研究结果表明采用这一调制信号能方便有效地抑制区域间低频振荡模式。

3）加装FACTS装置FACTS装置的投入同样可以增加对系统低频振荡的阻尼,如SVC,STATCOM,TCSC等。

FACTS装置具有调节迅速灵活的特点,对改善系统稳定性能具有良好的作用。

以TCSC为例,利用TCSC能快速调节其补偿电抗的能力,可以有效地阻尼互联电网的区域间低频振荡,比如巴西的南北联络线,就是采用TCSC来抑制南北之间的区域间低频功率振荡。

目前,FACTS装置在国外电网中得到了越来越多的应用,但是FACTS装置带来的可靠性、次同步谐振等问题还需要进一步研究。

针对目前存在的问题和电力系统的发展方向,未来的研究重点将集中在以下几个方面:

（1）发展智能稳定控制器。

目前这方面的工作还处于实验阶段,下一步要开发出实用、经济效益高的智能控制系统,实现对大规模互联系统的智能化稳定控制,为全国联网打下坚实基础。

（2）发展基于广域测量系统WAMS（WideAreaMeasurementsystem）的电力系统稳定控制装置。

利用WAMS的信息尤其是功角信息来分析提取系统振荡的特征数,得出我们最感兴趣的系统运行模式，通过常用的实测信号分析方法如傅氏算法、离散快速傅立叶变换、小波分析等,进行振荡模式和振荡起源的分析,以设计出基于WAMS的PSS。

（3）发展新的算法,实现低频振荡的在线实时分析,