一种火电机组次同步振荡的阻抗分析法

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成果名称: 一种火电机组次同步振荡的阻抗分析法 关键字: 应用行业: 电力热力燃气及水生产供应
高新技术领域: 电子信息技术 所在地: 河北省 知识产权类型: 发明专利
知识产权编号: ZL201710086586.1 成果体现形式: 发明专利 成果属性:
成果所处阶段: 成果水平: 国内领先 研究形式:
学科分类: 战略新兴产业: 请选择... 课题来源:
第一完成单位名称: 华北电力大学(保定) 第一完成单位属性: 技术成熟度:
合作方式: 专利许可 交易价格(万): 面议 所属十强产业:

一种火电机组次同步振荡的阻抗分析法,所述方法将待研系统分成电源和电网两部分,依次建立电源和电网部分的状态空间模型,分别计算电源、电网部分的导纳函数矩阵;然后将电源和电网导纳函数矩阵伯德图,绘制于同一张图中;最后拾取伯德图上的视在谐振点,并根据视在谐振点计算系统串联谐振频率及被激发的轴系模态。本发明基于阻抗分析法的基本原理,将火电机组电源部分以状态空间的形式统一建模,机组机械、控制系统的动态特性均包含于电源部分的状态空间中,并最终以电气量形式予以建模。同传统方法相比,该方法不仅能够得到足够的计算精度,而且可以进行连续频率的动态特性分析,从而为电力电子化电力系统的稳定性研究创造了有利条件。

本发明涉及一种利用火电机组次同步振荡研究阻抗的方法,属于发电技术领域。

1、本发明提出的新型阻抗分析法,相对于传统频率扫描,得到的系统阻抗/导纳将更为精确。

 2、基于状态空间模型,新型阻抗分析法计算精度与特征值分析法持平,但是可以进行连续频率的动态特性分析,而特征值法只能获得孤立点(特征值频率处)的动态特性,因此新型阻抗分析法比特征值法包含了更多信息。

 3、新型阻抗分析法实现了非电气元件与电气元件的统一建模。火电机组的轴系和调速器等属于非电气元件,而发电机、励磁机属于电气元件。新型阻抗分析法将火电机组机械系统、控制系统和电气系统的动态特性进行统一建模,与电气系统存在耦合的动态特性,最终以电气量阻抗/导纳的形式包含于阻抗/导纳函数矩阵中。

4、本发明所提新的串联谐振判据,可用于dq旋转坐标系下,串联谐振的判断,基于源网子系统的视在谐振点,可以精确计算串联系统的谐振频率。

5、基于导纳函数矩阵的伯德图,不仅可以实现串联谐振的可视化判定,而且,将子系统导纳函数矩阵直接用于串联谐振判断,避免了求串联系统总阻抗/导纳所需的复杂矩阵求逆运算。而复杂矩阵求逆运算,可能导致无解。



次同步振荡是电力系统稳定问题之一,上世纪七十年代,在美国发生了两起因为次同步能量交换致使发电机组轴系严重扭转振荡,造成机组脱网、大轴损坏的事故,次同步谐振问题才真正引起电气工程界和学术界的高度关注,并由此掀起次同步振荡(SSO)的研究热潮。
 电力系统稳定性的线性化分析方法可大致分为两大类:基于状态空间模型(State-Space Models,SSM)的时域类分析法,以及基于阻抗模型(Impedance Models,IM)的频域类分析法。虽然上述两类方法从不同的角度对电力系统进行建模,但基本数学原理均源于电力系统两大约束:元件约束和拓扑约束。因此,时域类分析方法和频率类分析方法可以相互转换。
 时域类分析法需要建立待研系统完整模型,对系统结构变化较小的发输电系统,具有较高的适用性。但是,对于源网荷系统,当负荷变化对系统稳定性影响不容忽略时,基于SSM的分析方法,建模和分析的工作量较大。
 以阻抗分析法为代表的频域类分析法,将待研系统等效为电源和负荷两部分,分别用负荷输入阻抗和电源输出阻抗表示,根据电源与负荷的阻抗比是否满足奈奎斯特稳定性判据,判断系统的稳定性。阻抗法由于物理概念明晰,适用于理论分析与实验测试相结合,近年来在分布式电源稳定性分析方面,得到了广泛应用。
然而,现有阻抗分析法从频域的角度进行建模,建模方法无法计及火电机组轴系的动态特性,主要用于分析电力电子设备并网的稳定性问题,并且大多将abc三相系统简化为单相,然后求解单相解析阻抗。这种做法难以直接应用于火电机次同步振荡的研究中,因为火电机组是旋转电源,abc坐标系下,火电机组不存在恒定阻抗值,因此也不存在单相解析阻抗。传统频率扫描法仅能计及火电机组电气特性,无法对轴系的机械特性进行建模,而火电机组的轴系动态对于其SSO的研究具有重要影响。
此外,现有阻抗分析法以奈氏判据为判稳依据,涉及阻抗函数矩阵运算(相乘/求逆),当源网子系统阻抗/导纳函数较为复杂时,复数矩阵运算存在较大误差,甚至可能导致无解。现有阻抗分析法判据的核心是计算系统串联谐振点。当三相平衡时,abc三相静止坐标系相间不耦合,可采用单相电路进行分析,此时串联谐振点=阻抗函数的零点=导纳函数的极点。而dq同步旋转坐标中,这一结论不再适用。串联谐振在dq同步旋转坐标中具有不同的表现形式。因此,迫切需要一种新的串联谐振判据,以便于判断dq同步旋转坐标下的串联谐振。
在电力系统源、网、荷日趋电力电子化的进程中,火电机组仍然占据重要地位。新能源并网以逆变器为接口,必需由常规电源(火/水电机组)提供相位信息以保证与系统同步运行。因此,适用于新能源与火电机组多时间尺度的统一建模方法,对于从同一视角,研究电力电子化电力系统的稳定性具有重要意义


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