电力系统动态元件响应特性对暂态电压稳定性影响分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电力系统动态元件响应特性对暂态电压稳定性影响分析方法。为了研究发电机，高压直流输电系统(HVDC)和感应电动机对暂态电压稳定性的主要影响，从广义分支势能的角度出发，提出了新的分析方法来研究上述主要动态元件对暂态电压稳定性的影响。根据故障后网络中暂态势能分布的变化规律和稳定裕度的信息，以故障后各动态元件的无功恢复特性为基础变量，建立了评估指标，进而对造成电网暂态电压失稳机理进行分析。最后，在MATLAB和PSAT软件平台上，采用三机九节点交直流系统进行了仿真测试，结果表明了该方法的可行性和有效性。

【技术实现步骤摘要】
电力系统动态元件响应特性对暂态电压稳定性影响分析方法
本专利技术涉及电网暂态电压稳定性影响分析
，具体涉及包括高压直流输电、发电机、感应电动机等动态元件对电网暂态电压稳定性影响分析，并进一步对电力系统故障后暂态电压失稳机理进行分析。
技术介绍
随着以长三角和珠三角为代表的受端电网直流馈入回数不断增加，直流功率馈入比重不断增大，我国电网将不再是单纯的交流电网，而是变为全国范围的交直流互联的大型电网，且复杂程度逐步增大。由于电压失稳或电压崩溃而导致的大面积停电事故陆续发生。国内外电力学者不得不对电压稳定问题越发地关注。晶闸管为核心的高压直流系统相比与传统交流系统，具有很多新动态特性，故障后的无功恢复特性对电压稳定性的影响更为突出，随着直流馈入的比例逐渐增高，系统的电压稳定性将受到更大影响。如何更好的评估包括直流换流器在内的一系列动态元件在故障后对稳定性的影响，并指导优化稳定性能的方法均具有现实意义。传统研究思路中，常利用时域仿真方法，通过改变系统参数来分析动态分量对系统暂态稳定性的影响，但是耗时较长。直接法以其可用于分析稳定性并提供稳定裕度的优点，逐渐步入大众的视野，而其中能量函数成为一种重要的手段。交直流混合系统中，直流受端换流系统的无功恢复特性还是感应电动机失稳导致的整个系统电压失稳，其中的具体原因难以分清。这个问题相关工作成果较少。而其中如何构建相应评估指标来区分不同动态元件带来的影响是一个难题。
技术实现思路
随着电力网络复杂程度的增加，系统故障后，各种电力设备的动态恢复特性将对电力系统暂态电压稳定性带来不同的影响。故障后系统暂态能量的过度集中是系统不稳定的主要原因，发电机动能的变化将根据系统各部分的参数和特性反映在各种局部电势变化中。受上述思想和暂态电压分析技巧的启发，本专利技术提出了一种评估不同系统动态元件对暂态电压稳定性影响的评估方法。本专利技术从广义分支势能的角度出发，提出了新的分析方法来研究发电机、高压直流输电系统(HVDC)、感应电动机等主要动态元件对暂态电压稳定性的影响。根据故障后网络中暂态势能分布的变化规律和稳定裕度的信息，以故障后各电气设备无功的动态恢复特性为基础变量，建立了评估指标，进而对造成电网暂态电压失稳机理进行分析。本方法可以定量权衡各个动态元件的作用，解析系统电压失稳的机理，用以指导系统暂态电压稳定性优化策略。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种电力系统动态元件响应特性对暂态电压稳定性影响分析方法，该分析方法包括下列步骤：S1、建立电力系统数学模型，并基于李雅普诺夫理论，构建能够反映该系统模型的能量函数表达式；S2、暂态电压稳定性判断定。本专利技术采用通过电力系统分岔条件和启发式电压失稳型主导不稳定平衡点构造的恒定能量面来判断暂态电压稳定性，但不局限于该种方法。该步骤具体如下：S201、构建能量函数；S202、求主导不稳定平衡点；S203、求临界能量Ucr；S204、求故障清除时刻能量U；S205、判断故障清除时刻能量U与临界能量Ucr大小，若故障清除时刻能量U大于临界能量Ucr，则判定系统暂态电压失稳；否则，继续转至下一步骤；S206、判断是否遇到奇异面，若是，则判定系统暂态电压失稳，否则，判定系统稳定。S3、根据步骤S1中构建的能量函数表达式，提取其中与动态电力元件相关的部分，建立各动态元件的势能分量函数，其中，动态元件包括但不限于发电机、高压直流输电系统、感应电动机；S4、故障期间，电力系统向电网注入大量能量，发电机转速增加导致动能增大，故障清除后，总能量守恒，动能沿着电力网络逐步转化为各个元件和输电线路的势能。随着动能的振荡变化，各个动态元件的势能逐渐增大并也伴随着一定的振荡。所承受势能增幅最大的动态元件将受到更大的能量冲击，也相应的更容易形成局部能量过冲，进而导致此处更容易发生崩溃，因此可以利用故障后，各个动态元件势能最大值所在势能振荡曲线的前半个周期波的势能增量来简单分析电网脆弱区域。设故障后设备势能分量达到最大值(或极大值)时刻为T2，对应时刻势能分量为U2，在这一周期中，达到最大值前的极小值时刻为T1，对应时刻势能分量为U1，则这一周期中势能差为ΔU＝U2-U1。评估指标一：σ1＝ΔU/ΔQ评估指标二：σ2＝V(T2)/ΔU其中ΔQ为对应时间段内，该电力设备在故障后动态恢复特性影响下的无功变化量。V(T2)为该设备在T2时刻对应接入母线电压幅值。σ1值越大，则意味着这一周期内，该电力设备的无功动态变化使势能增幅越大，即所承受的能量冲击更大，也就越容易超过该处网络能够承受的幅度，继而愈容易在此处导致稳定条件破坏，最后导致系统崩溃；σ2的值越小，即意味着该设备在故障后恢复时，所受到能量冲击较大时刻，其所接入母线节点电压值仍比较低，也就是说此处更容易成为临界支路。因此，可以实现不同系统动态元件对暂态电压稳定性影响的评估。进一步地，有n个发电机节点，N个负荷节点，2个直流系统换流站母线节点，且只有1个平衡节点的电力系统动态元件数学模型与能量函数表达式如下所示：所用四阶发电机模型为：所用三阶感应电动机模型为：所述能量函数表达式为：U＝UAC+UL1+UL2i+Ug+UR+UI+Ud+UDC其中：且有：其中，下标i和j代表网络母线节点标号，i＝1，2，…，n+N+3；j＝1，2，…，n+N+3。其中，ρi是为了使Bi-1Ti正定的参数，且对任意不为零的矩阵向量，都有xTBi-1Tix>0，i＝1，2，…，n。C＝[C1,…,Cn]T，Ci＝[0l]；UDC＝-VIVRBIRcos(θI-θR)；上式中，当i＝1，2，…，n时，ωi为发电机转速，δi为发电机转子角度，Mi为发电机惯性时间常数，Pmi为发电机机械功率，Di为阻尼系数，E′qi为q轴暂态电势，Xdi为发电机的暂态电抗，X′di为发电机的次暂态电抗，T‘doi为d轴暂态时间常数，Efdi为励磁电势，Pei为发电机电磁功率，μi为励磁控制器反馈增益系数，Tvi为励磁控制时间常数，ki为励磁电压一阶数学模型中，所接入母线电压相关的线性系数，li为接入母线i的使发电机励磁为正的控制常数；R下标代表整流侧变量，I下标代表逆变侧变量，VR和VI交流母线电压幅值，PdR+jQdR和PdI+jQdI为换流器注入的补偿功率；当i＝n+1，n+2，…，n+N+3时，T′doi为定子开路时间常数，Mi为感应电动机惯性时间常数，E′Li为内电势幅值，Xr为转子绕组等值漏抗，Xm为定转子互感抗，Xs为定子绕组漏抗，X′i为暂态电抗，Xi为同步电抗，δi为感应电动机功角，si为感应电动机滑差，Tmi为感应电动机电磁转矩，Tei为机械转矩；UAC为交流网络势能，UL1为静态负荷势能，UL2i为接入i节点感应电动机负荷势能，Ug为系统所有发电机能量和，UR为直流整流侧与交流网络接口势能，UI为直流逆变侧与交流网络接口势能，UDC为直流网络节点间势能，Ud为直流功率交换形成的势能分量，Vi和Vj分别为母线标号i和j的电压幅值，θi和θj分别为母线标号i和j的电压相角，QLi为标号为i的母线所接入静态负荷的无功功率，PLi为标号为i的母线所接入静态负荷的有功功率。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：本专利技术从能量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力系统动态元件响应特性对暂态电压稳定性影响分析方法，其特征在于，所述的分析方法包括下列步骤：S1、建立电力系统数学模型，并基于李雅普诺夫理论，构建能够反映该系统模型的能量函数表达式；S2、暂态电压稳定性判断，通过电力系统分岔条件和基于启发式求得的电压失稳型主导不稳定平衡点构造的恒定能量面来判断暂态电压稳定性；S3、根据步骤S1中构建的能量函数表达式，提取其中与动态电力元件相关的部分，建立各动态元件的势能分量函数，其中，所述的动态元件包括发电机、高压直流输电系统、感应电动机；S4、故障期间，电力系统向电网注入大量能量，发电机转速增加导致动能增大，故障清除后，总能量守恒，动能沿着电力网络逐步转化为各个元件和输电线路的势能，随着动能的振荡变化，各个动态元件的势能逐渐增大并也伴随着一定的振荡，所承受势能增幅最大的动态元件将受到更大的能量冲击，利用各个动态元件势能最大值所在势能振荡曲线的前半个周期波的势能增量来分析电网脆弱区域。

【技术特征摘要】
1.一种电力系统动态元件响应特性对暂态电压稳定性影响分析方法，其特征在于，所述的分析方法包括下列步骤：S1、建立电力系统数学模型，并基于李雅普诺夫理论，构建能够反映该系统模型的能量函数表达式；S2、暂态电压稳定性判断，通过电力系统分岔条件和基于启发式求得的电压失稳型主导不稳定平衡点构造的恒定能量面来判断暂态电压稳定性；S3、根据步骤S1中构建的能量函数表达式，提取其中与动态电力元件相关的部分，建立各动态元件的势能分量函数，其中，所述的动态元件包括发电机、高压直流输电系统、感应电动机；S4、故障期间，电力系统向电网注入大量能量，发电机转速增加导致动能增大，故障清除后，总能量守恒，动能沿着电力网络逐步转化为各个元件和输电线路的势能，随着动能的振荡变化，各个动态元件的势能逐渐增大并也伴随着一定的振荡，所承受势能增幅最大的动态元件将受到更大的能量冲击，利用各个动态元件势能最大值所在势能振荡曲线的前半个周期波的势能增量来分析电网脆弱区域。2.根据权利要求1所述的电力系统动态元件响应特性对暂态电压稳定性影响分析方法，其特征在于，所述的步骤S2过程如下：S201、构建能量函数；S202、求主导不稳定平衡点；S203、求临界能量Ucr；S204、求故障清除时刻能量U；S205、判断故障清除时刻能量U与临界能量Ucr大小，若故障清除时刻能量U大于临界能量Ucr，则判定系统暂态电压失稳；否则，继续转至下一步骤；S206、判断是否遇到奇异面，若是，则判定系统暂态电压失稳，否则，判定系统稳定。3.根据权利要求1所述的电力系统动态元件响应特性对暂态电压稳定性影响分析方法，其特征在于，所述的步骤S4中各个动态元件势能最大值所在势能振荡曲线的前半个周期波的势能增量来分析电网脆弱区域，通过以下评估指标实现不同系统动态元件对暂态电压稳定性影响的评估，具体如下：设故障后设备势能分量达到最大值或极大值的时刻为T2，对应时刻势能分量为U2，在这一个势能波动周期中，达到最大值前的极小值时刻为T1，对应时刻势能分量为U1，则这一个势能波动周期中势能差为ΔU＝U2-U1，定义评估指标如下：评估指标一：σ1＝ΔU/ΔQ评估指标二：σ2＝V(T2)/ΔU其中，ΔQ为对应时间段内，该电力设备在故障后动态恢复特性影响下的无功变化量，V(T2)为该设备在T2时刻对应接入母线电压幅值。4.根据权利要求1所述的电力系统动态元件响应特性对暂态电压稳定性影响分析方法，其特征在于，电力系统的动态元...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜兆斌，张文倩，黄昌树，夏成军，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44