專利名稱：基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法
技術領域：
本發明涉及交直流互聯電力系統安全穩定控制的技術領域，尤其涉及一種傳遞函數模角分離理論、等效交流增益法和阻尼比與相位的相對靈敏度的交直流互聯電力系統的阻尼控制系統優化方法。
背景技術：
互聯大電力系統(Large Scale System)的負荷容量通常有數千萬甚至上億千瓦， 供電區內人口通常可達數千萬甚至上億，電網內成百上千的變電站由成千上萬條交流輸電線路和少量大容量、遠距離高壓直流輸電系統連接起來，其中還安裝有成百上千臺發電機及其勵磁系統，帶有分群及關聯的結構特征。然而，大型互聯電力系統中各控制系統環節的慣性造成信號傳遞和調節滯后，導致互聯電力系統必然有潛在的自發振蕩，而且振型繁多， 僅機電振蕩模式常常論千，而低頻振蕩頻率一般在0.2-2. OHz范圍內。當所述互聯電力系統中發生低頻振蕩時，會危及系統的安全穩定運行，限制聯絡線輸送功率的能力。至于低頻振蕩是否引發，引發后是否衰減，則取決于所述電力互聯系統各個振蕩模式的阻尼比，因此，設法增加阻尼比是抑制低頻振蕩、提高電網的動態穩定性的最常用且行之有效的方法。發電機勵磁系統中的電力系統穩定器(Power System Stabilizer，PSS)就是專門為增強低頻振蕩阻尼比而設計的，是國際大電網會議首推的用來抑制低頻振蕩最有效的措施，因此，在近年來得到了最廣泛的使用。除此之外，在跨區域、大容量傳輸有功功率的高壓直流輸電系統中加入其他的阻尼控制系統，例如高壓直流輸電附加控制系統等，也是抑制大區之間低頻振蕩的行之有效的手段。PSS其實也是發電機勵磁系統的一種附加控制功能，勵磁正常工作以機端電壓為反饋量，PSS在這個基礎上加入了以有功功率為主的反饋，也就是在有功發生振蕩時為系統增加一個阻尼比，使振蕩盡快平穩。而單獨一個電廠投入PSS效果有限，只有互聯電力系統中的大部分電源點都投入PSS，電網的抗振蕩能力才能顯著提高。而目前在交直流互聯電力系統的實際應用中，主要是通過現場測試的方式來對 PSS等阻尼控制系統進行整定。但是，目前在相當多的情況下，現場測試的手段不全、外部條件限制令測試不準確，廠家模型及參數存在不可知、不可測和有誤差的問題，PSS等阻尼控制系統的現場整定是很難達到工程最優的，其適應性也會有問題。此外，由于沒有實用的參數尋優計算方法，人們一直也無法通過計算分析手段優化和預知PSS等阻尼控制系統在抑制低頻振蕩時的具體效果和特長。長期以來，一方面難以解決區分多元影響參數(即這種參數的變化會同時引起影響阻尼比變化的多種因素的變化)各因素作用大小的難題，另一方面受到相位、幅值限制和運行方式變化的影響等非解析性約束條件的限制，迄今為止仍然沒有研究出一套實用、 可靠、適應性好的PSS等阻尼控制系統的參數優化方法可以用于實際計算或試驗當中，不利于所述互聯電力系統全局穩定性的進一步提高。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于提供一種基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，其能夠根據具體的振蕩模式調整每個相關的阻尼控制系統的相位，以達到優化配置所述阻尼控制系統的參數，提高電力系統動態穩定性。一種基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，包括以下步驟計算所述交直流互聯電力系統中各個振蕩模式的特征根和阻尼比；判斷各個所述振蕩模式的阻尼比是否小于預定值，如果小于所述預定值，則選定所述振蕩模式以及與所述振蕩模式相關的發電機組的阻尼控制系統；對選定的所述阻尼控制系統的傳遞函數進行直角坐標系向極坐標系的轉換，分別計算出其傳遞函數的模值和相位角；根據所述傳遞函數的模值，通過等效交流增益法，調節所述阻尼控制系統中與所述模值對應的放大倍數，維持所述傳遞函數交流增益的恒定；根據各個所述振蕩模式的特征根和阻尼比變化量以及所述阻尼控制系統的傳遞函數的相位變化量，計算各個所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的阻尼比與相位的相對靈敏度；根據各個所述振蕩模式下的阻尼比與相位的相對靈敏度大小，調節對應的所述阻尼控制系統中的與傳遞函數的相位相對應的參數，增大所述振蕩模式的阻尼比。進一步地，如果所述互聯電力系統的有關振蕩模式的阻尼比對相位的靈敏度符號由正變負或者由負變正時，則說明達到了最優相位補償點，則結束對所述電力系統穩定器和/或高壓直流輸電附加控制系統的參數調整進程。與現有技術相比較，本發明的基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法基于傳遞函數模角分離理論、等效交流增益法和阻尼比對相位的靈敏度來實現對交直流互聯電力系統的阻尼控制系統的優化。通過所述互聯電力系統的潮流、穩定數據，計算各個振蕩模式的阻尼比，根據所述阻尼比選取需要進行分析調整的振蕩模式，以及最有效的阻尼控制系統(包括電力系統穩定器PSS和/或高壓直流輸電附加控制系統等)。然后，對選定的相關的阻尼控制系統的傳遞函數進行直角坐標系向極坐標系的轉換，以實現傳遞函數的模角兩類變量的分離；再運用等效交流增益法保持傳遞函數的交流增益在參數改變情況下維持恒定。根據選定的所述振蕩模式的阻尼比變化量，以及所述阻尼控制系統的傳遞函數的相位變化量，計算各個所述震蕩模式對應的阻尼比相對于所述傳遞函數相位的靈敏度；最后，根據計算出的所述阻尼比與相位的相對靈敏度的大小，對所述阻尼控制系統的參數進行優化調整，提高振蕩模式的阻尼比，防止低頻振蕩發生。因此本發明的基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法能夠根據所述互聯電力系統的具體振蕩模式調整最有效的阻尼控制系統的參數，使每個所述阻尼控制系統的調整更加切合所述互聯電力系統的實時情況，有利于所述互聯電力系統的穩定運行。總之，本發明系統地、完整地提出了一套可以有效地克服互聯電力系統的阻尼控制系統中存在多元影響參數影響難以區分難題，以及相位、幅值限制和運行方式變化影響等非解析性約束條件限制的，實用、可靠、適應性好的阻尼控制系統優化方法。該方法從全網的角度出發，分析交直流互聯電網的動態穩定性、篩選振蕩模式、設計、優化和協調個各機組之間的阻尼控制系統(包括電力系統穩定器PSS、高壓直流輸電 附加控制系統等)，從而控制和提高交直流互聯電網的動態穩定性，解決了這一技術領域長期無法解決的問題。
圖1是本發明基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法的步驟流程圖；圖2是一種典型的電力系統穩定器附加控制系統的模型結構示意圖；圖3 —種典型的雙側頻率調制的高壓直流輸電附加控制系統的結構示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1，圖1是本發明基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法的步驟流程圖。所述基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法包括以下步驟步驟S101，計算所述交直流互聯電力系統中各個振蕩模式的特征根和阻尼比；在進行所述振蕩模式的特征根和阻尼比計算時，可以從所述互聯電力系統的潮流計算程序(BPA)的系統數據文件dat和暫態穩定分析數據文件swi中讀取所述互聯電力系統的原始潮流數據，其中，所述原始潮流數據反應所述互聯電力系統結構和運行工況；并從所述潮流計算程序(BPA)的潮流計算結果文件pfo中讀取所述互聯電力系統各個振蕩模式的潮流計算結果數據，即所述互聯電力系統的初始平衡工作點；然后根據所述原始潮流數據、所述潮流計算結果數據以及所述交直流互聯電力系統的穩定數據計算所述電力系統的特征根，通過所述特征根即可計算對應振蕩模式的阻尼比(或稱阻尼比比)。假設計算得到的所述互聯電力系統的各個振蕩模式的特征根為λ = σ +j ω，其中，每個所述特征根分別對應一個振蕩模式，ο是所述特征根的實部；ω是所述特征根的虛部，與對應振蕩模式的頻率成正比。則，由下式計算對應振蕩模式的阻尼比ξ
權利要求
1.一種基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，其特征在于，包括以下步驟計算所述交直流互聯電力系統中各個振蕩模式的特征根和阻尼比；判斷各個所述振蕩模式的阻尼比是否小于預定值，如果小于所述預定值，則選定所述振蕩模式以及與所述振蕩模式相關的發電機組的阻尼控制系統；對選定的所述阻尼控制系統的傳遞函數進行直角坐標系向極坐標系的轉換，分別計算出其傳遞函數的模值和相位角；根據所述傳遞函數的模值，通過等效交流增益法，調節所述阻尼控制系統中與所述模值對應的放大倍數，維持所述傳遞函數交流增益的恒定；根據各個所述振蕩模式的特征根和阻尼比變化量以及所述阻尼控制系統的傳遞函數的相位變化量，計算各個所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的靈敏度；根據各個所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的靈敏度大小，調節對應的所述阻尼控制系統中的與傳遞函數的相位相關的參數，增大所述振蕩模式下的阻尼比。
2.如權利要求1所述的基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，其特征在于，所述阻尼控制系統包括與所述振蕩模式相關的發電機組的電力系統穩定器和/或所述振蕩模式相關的高壓直流輸電附加控制系統。
3.如權利要求1或者2所述的基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，其特征在于，按照以下公式計算各個所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的靈敏度dl_dl 3σ dl 3ω da dO da dO其中，$為所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的靈敏 dOI為所述振蕩模式的阻尼比；θ為所述阻尼控制系統的傳遞函數的相位；σ和ω分別為所述振蕩模式的特征根的實部和虛部。
4.如權利要求3所述的基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，其特征在于，根據各個所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的靈敏度大小，調節對應的所述阻尼控制系統中的與傳遞函數的相位相關的參數的步驟包括如果所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的靈敏度大于 0，則按照增大相位的方向調整對應的所述阻尼控制系統中的與傳遞函數的相位相關的參數的取值；如果所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的靈敏度小于0，則按照減小相位的方向調整對應的所述阻尼控制系統中的與傳遞函數的相位相關的參數的取值。
5.如權利要求1或者2所述的基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，其特征在于，所述計算所述交直流互聯電力系統中各個振蕩模式的特征根和阻尼比的步驟包括從所述交直流互聯電力系統的潮流計算程序的系統數據文件dat和暫態穩定分析數據文件swi中讀取所述交直流互聯電力系統的原始潮流數據；從所述潮流計算程序的潮流計算結果文件Pfo中讀取所述交直流互聯電力系統各個振蕩模式的潮流計算結果數據；根據所述原始潮流數據、所述潮流計算結果數據和所述交直流互聯電力系統的穩定數據計算所述交直流互聯電力系統的特征根，獲取所述交直流互聯電力系統在對應的振蕩模式的下的阻尼比。
6.如權利要求1或者2所述的基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，其特征在于所述阻尼控制系統中的與傳遞函數的相位相關的參數包括所述阻尼控制系統中的時間常數。
7.如權利要求1或者2所述的基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，其特征在于，如果判斷各個所述振蕩模式的阻尼比都大于所述預定值，則結束對所述阻尼控制系統的參數優化。
8.如權利要求1或者2所述的基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，其特征在于，在計算獲得所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的靈敏度之后，進一步執行以下步驟判斷所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的靈敏度的符號，如果所述振蕩模式的阻尼比相對于所述阻尼控制系統的傳遞函數相位的靈敏度的符號由正變負或者由負變正時，則結束對應的所述阻尼控制系統的參數優化。
全文摘要
本發明提供一種基于阻尼比與相位相對靈敏度的阻尼控制系統優化方法，通過計算各個振蕩模式的阻尼比，分析互聯電力系統的動態穩定性，根據所述阻尼比大小選取需進行分析調整的相關振蕩模式，以及影響最大的發電機組和高壓直流輸電系統等；對所述振蕩模式下相關的電力系統穩定器(PSS)等阻尼控制系統的數學模型表達式進行坐標轉換，以達模角分離之目的；運用等效交流增益法維持在參數調整后的傳遞函數增益不變；計算阻尼比對相位的靈敏度，根據靈敏度對阻尼控制系統的參數進行有目標、方向明確的優化設計，提高振蕩模式的阻尼比，抑制低頻振蕩的發生。避免了以往對阻尼控制系統參數用近似方法試湊的盲目性，有利于大型互聯電力系統的穩定運行。
文檔編號H02J3/24GK102157950SQ201110074950
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月28日 優先權日2011年3月28日
發明者吳曉宇, 張俊峰, 彭波, 曹亞龍, 曾艷, 盛超, 翁洪杰, 陳迅, 陳銳, 魏偉 申請人:廣東電網公司電力科學研究院