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    數據驅動的交直流混聯電網小干擾穩定性評估與阻尼調制策略探討

    論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:碩博論文網 點擊次數:
    論文字數:33233 論文編號:sb2022091411031049390 日期:2022-10-02 來源:碩博論文網

    本文是一篇工程碩士論文,本文基于發電機有功輸出的自然攝動以及阻尼比辨識結果的變化,應用定點滑窗攝動法計算各發電機的阻尼比-有功靈敏度,該阻尼比靈敏度可有效反映發電機有功波動對區間阻尼比的影響,與解析法計算結果的對比驗證了發電機阻尼比靈敏度排序的正確性;
    第1章 緒論
    1.1 課題研究背景及意義
    為應對全球氣候變化和促進可再生能源加速發展,我國提出“碳達峰、碳中和”的綠色發展目標。國家發展改革委在《“十四五”現代能源體系規劃》中提出要加快新型電力系統的發展,不斷提升新能源占比,并優化新能源與傳統化石能源的組合。然而我國能源和負荷在地理位置上呈現逆向分布,長期存在新能源發展與用電需求增長不協調的現象,加強特高壓交直流電網建設目前是促進新能源并網、解決電力跨省跨大區調度問題行之有效的方案[1]。交直流特高壓輸電工程作為清潔能源傳輸的骨干網架,具有大功率、長距離輸電以及經濟性好、占地面積少等優點,是我國“西電東送、北電南供、水火互濟、風光互補”電力輸送的主要通道[2-3]。
    目前,國家電網已累計建成“13交13直”特高壓工程,投入運行哈密南至鄭州、寧東至浙江等共12條±800千伏特高壓直流線路以及淮東至皖南±1100千伏特高壓直流線路。根據國家電網發布的“碳達峰、碳中和”行動方案,在“十四五”期間還將規劃建成金山至湖北、垅東至山東等共7條±800千伏特高壓直流線路以及蒙西至京津冀±600千伏特高壓直流線路,增加5600萬千瓦輸電量。特高壓電網的建設加快了能源轉型與低碳發展,加速構建了以新能源為依托的新型電力系統,解決了送端清潔能源基地發展及電力外送消納問題,加快當地資源開發及經濟建設,同時可保障受端電力安全可靠供應,滿足地區經濟發展及負荷增長需求[4]。.
    隨著新能源、直流輸電大規模投產以及交直流混聯電網初具規模,電力電子器件在電網中所占比重不斷提高。一方面,電力電子器件響應動作速度快,可控性強,這為系統的快速優化控制提供了靈活性;另一方面,電力電子器件過載能力低、承受故障沖擊能力差的缺點為電網帶來了脆弱性,交流電網常見的單相短路故障就有很大幾率導致直流電網單極閉鎖甚至雙極閉鎖故障。2013年,華東地區曾發生因交流線路故障引發的四回直流同時換相失敗,導致一回直流雙極閉鎖,造成附近6條交流通道大容量功率反轉,對電網的安全穩定運行造成了嚴重沖擊[2];
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    1.2 國內外研究現狀
    1.2.1 電力系統低頻振蕩分析方法研究現狀
    小干擾穩定性問題是電力系統安全穩定分析中的重要領域,也是交直流混聯電網快速發展背景下急需深入研究的課題。其中功角穩定問題是指在系統擾動下系統中經輸電線并列運行的發電機的轉子間發生相對搖擺,在系統阻尼水平不足時將產生功率持續震蕩,振蕩頻率一般在0.1-2.5Hz之間,亦稱作低頻振蕩[16-18]。
    發生在電氣距離小、聯系較緊密的發電機組之間的振蕩稱作本地機電振蕩模式,表現為同一個區域內一臺發電機或幾臺發電機相對于其他發電機的振蕩,振蕩頻率通常在0.7-2.5Hz之間;發生在電氣距離較遠、聯系不夠緊密兩區域之間的發電機組的相對搖擺稱作區域間機電振蕩模式,表現為一個區域發電機組相對于另一個區域發電機組的振蕩,振蕩頻率通常在0.1-0.7Hz之間[19]。傳統交流電力系統在接近功率運行極限時,可能存在著小干擾穩定性不足的問題,在小擾動作用下系統有可能會增幅振蕩至喪失同步運行能力,情況嚴重時可能導致系統解列,而交直流混聯電網因大量電力電子器件的引入,其機電振蕩小干擾穩定性問題變得更加復雜、脆弱[20]。
    目前對于低頻振蕩現象產生的機理解釋,負阻尼機理作為這一領域比較成熟的主導理論能夠解釋絕大多數機電振蕩現象,另有強迫振蕩原理、強諧振機理、分岔理論及混沌振蕩機理等理論作為補充。傳統交流電力系統低頻振蕩的方法主要分為基于模型的分析方法與基于量測的分析方法,目前這兩類方法也廣泛直接應用于交直流混聯系統中,不同方法的應用局限和效果也不盡相同。
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    第2章 交直流混聯系統小干擾穩定性分析
    2.2 交直流混聯電網數學模型
    在DGSILENT/Powerfactory仿真軟件中搭建圖2-1所示單極直流12脈動LCC-HVDC (Line Commutated Converter High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)交直流混聯系統[26]。

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    2.3 基于特征值的小干擾穩定性分析
    2.3.1 聯絡線斷面直流容量配比
    對于交直流混聯系統,研究聯絡線功率對其小干擾穩定特性的影響時,不同于純交流互聯電網?;炻撓到y的穩定水平不僅要考慮聯絡線斷面總的輸電功率,還要考慮并聯交、直流聯絡線之間的功率配比,即聯絡線斷面總的輸電功率不變情況下交、直流輸電通道的有功功率分配[80]。
    為了探究直流聯絡線傳輸功率對混聯系統小干擾穩定性的影響,基于IEEE四機兩區系統,在DIGSILENT/PowerFactory中搭建圖2所示交直流混聯系統。其中,區域1為送端系統,區域2為受端系統,在節點6和10的負荷處添加隨機負荷波動模擬環境激勵下的隨機擾動;直流系統采用雙極輸電,由兩個直流單極輸電線路級聯而成。
    維持聯絡線輸電斷面總的有功功率不變,在合理范圍內逐步提高直流聯絡線的輸電功率,即可實現交、直流聯絡線之間的有功功率配比。利用DIGSILENT/PowerFactory仿真軟件辨識出混聯系統的機電模式并計算出對應的阻尼比。圖2-10繪制了同一時間斷面下隨直流輸電功率的增加混聯系統區間振蕩的阻尼比和頻率的變化曲線。

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    第3章 自然激勵下交直流混聯系統機電特征參數辨識 ..................... 19
    3.1 引言 .................................. 19
    3.2 自然激勵下混聯系統隨機響應 ...................... 19
    3.3 交直流混聯系統隨機響應特征參數提取 ........................ 20
    第4章 單極閉鎖場景下交直流混聯電網阻尼調制策略 ...................... 32
    4.1 引言 .................................... 32
    4.2 基于定點滑窗攝動法的阻尼比靈敏度計算 .................... 32
    4.3 基于有功再調度的混聯系統阻尼調制策略 ................... 34
    結論 ........................ 44
    第4章 單極閉鎖場景下交直流混聯電網阻尼調制策略

    4.2 基于定點滑窗攝動法的阻尼比靈敏度計算
    在分析電力系統小干擾穩定性時,可通過靈敏度計算來分析某一參數的輸入變化對系統輸出響應的影響程度。
    在實際電網的應用中,特征分析法求阻尼比靈敏度往往因系統狀態方程的高階次、非線性受制于特征值的求取,計算過程復雜、耗時,也不能很好地適應復雜系統拓撲結構及運行狀態的變化,難以滿足系統阻尼調制實時、快速性的要求。
    在實際電力系統中,在隨機負荷擾動等自然擾動的激勵下發電機的有功輸出呈現小幅波動,圖4-1所示為某發電機的隨機響應時域數據。通過提取發電機側PMU中有功自然攝動量作數據源,得到的阻尼比辨識結果也將小幅波動,基于二者可實現發電機阻尼比-有功靈敏度的遞推計算。

    工程碩士論文參考
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    結論
    交直流混聯電網的高度電力電子化特征使其小干擾穩定性更加脆弱,故障下功率的轉移可能導致大互聯系統存在弱阻尼機電振蕩。為消除因直流單極閉鎖故障可能引起的系統區間弱阻尼模式,在應用隨機數據驅動評估交直流混聯電網小干擾穩定性的基礎上,制定對應阻尼調制策略以改善系統區間振蕩的阻尼特性。
    本文研究了交直流混聯電網聯絡線斷面直流功率配比及發生直流單極閉鎖對系統區間模式的影響。以自然激勵下系統動態隨機響應為數據集,運用SSI算法對系統模態進行辨識,提出基于定點滑窗攝動法計算阻尼比-有功靈敏度以篩選參與調度的發電機組合,通過發電機有功再調度策略改善系統區間振蕩阻尼水平。 論文的主要研究工作總結如下:
    (1)基于交直流混聯電網的數學建模,運用特征值分析法對仿真算例進行小干擾穩定性分析,結果表明混聯電網聯絡線斷面上直流功率配比越高,系統區間阻尼比越大;單極閉鎖后直流聯絡線上的功率轉移到交流聯絡線上將可能導致混聯系統出現弱阻尼區間模式。
    (2)以隨機負荷激勵下系統的隨機響應為數據源,運用隨機子空間辨識法(SSI)能夠有效辨識交直流混聯系統的模態,與特征分析法計算結果相比誤差不大;直流單極閉鎖不會影響SSI算法的辨識精度,SSI算法的辨識結果可反映單極閉鎖對系統區間模式阻尼水平降低的影響。
    (3)基于發電機有功輸出的自然攝動以及阻尼比辨識結果的變化,應用定點滑窗攝動法計算各發電機的阻尼比-有功靈敏度,該阻尼比靈敏度可有效反映發電機有功波動對區間阻尼比的影響,與解析法計算結果的對比驗證了發電機阻尼比靈敏度排序的正確性;以發電機阻尼比靈敏度的排序結果篩選參與有功再調度的靈敏發電機組,依據發電機運行狀態、有功出力約束確定有功調制量,該阻尼調制策略可快速、有效提高因直流單極閉鎖交直流混聯電網出現的弱阻尼區間振蕩模式的阻尼水平,利用仿真算例驗證了本文所提阻尼調制策略的有效性和適用性。
    參考文獻(略)


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