CN105576673B - 一种基于e‑statcom的强迫功率振荡抑制方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于E‑STATCOM的强迫功率振荡抑制方法，还公开了基于E‑STATCOM的强迫功率振荡抑制***，包括信号采集模块，信号采集模块的输入端分别连接与E‑STATCOM安装母线相连的左侧输电线路和右侧输电线路，信号采集模块的输出端连接控制信号选择模块的输入端，控制信号选择模块的输出端分别连接振荡辨识模块的输入端、无功功率控制模块的输入端和有功功率控制模块的输入端，振荡辨识模块的输出端分别连接无功功率控制模块的输入端和有功功率控制模块的输入端，无功功率控制模块的输出端和有功功率控制模块的输出端均连接E‑STATCOM。本发明无需手动操作，对强迫功率振荡具有很好的抑制效果。
Description
技术领域
本发明涉及电力***稳定与控制技术领域，特别是涉及一种基于E-STATCOM的强迫功率振荡抑制方法及***。
背景技术
在西电东送、南北互联的基本格局下，我国将逐渐形成全国互联的大规模电网，这使得电力***功率振荡问题日益突出。传统的功率振荡主要为由于***阻尼不足引发的负阻尼机理低频振荡，其抑制措施为提高***阻尼。而近年来一些功率振荡无法用负阻尼机理来解释，这些振荡即使在安装了提高***阻尼装置的情况下仍然发生，经研究发现这些振荡为强迫功率振荡，是由***中周期性功率扰动引发的。强迫功率振荡与负阻尼机理低频振荡具有非常相似的表现形式，但是由于具有不同的发生机理，需要采取的抑制方法也有很大的区别，抑制负阻尼机理低频振荡的措施无法抑制强迫功率振荡。
电网中目前对强迫功率振荡的处理措施有提高电压、解列机组和将原动机切换为阀位控制。这些方法需要在振荡发生一定时间后才能由控制人员执行操作，而强迫功率振荡起振快速，因此若操作不及时可能导致事故范围的扩大。此外由于实际***中功率扰动源定位技术尚不十分成熟，及时准确地找到扰动源进行控制也存在一定难度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种无需手动操作的基于E-STATCOM的强迫功率振荡抑制方法及***。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于E-STATCOM的强迫功率振荡抑制方法，其特征在于：包括以下的步骤：
S1：信号采集模块采集E-STATCOM安装母线的电压Uj、频率fj、与E-STATCOM安装母线相连的左侧输电线路的有功功率信号Pij和无功功率信号Qij，以及与E-STATCOM安装母线相连的右侧输电线路的有功功率信号Pjk和无功功率信号Qjk；
S2：将步骤S1中信号采集模块采集得到的信号输入控制信号选择模块，控制信号选择模块计算左侧输电线路的振荡能量流动方向指标R1和右侧输电线路的振荡能量流动方向指标R2；
S3：选取振荡能量流动方向指标Ri>0对应的输电线路的有功功率信号和无功功率信号作为控制信号选择模块的输出信号Pc和Qc；其中，i＝1，2；
S4：将控制信号选择模块的输出信号Pc输入振荡辨识模块，振荡辨识模块采用信号分析算法计算强迫功率振荡模态个数m，以及每个振荡模态对应的振荡频率ωn，其中，n＝1,2,…,m；
S5：当在ts时间段内得到的每个振荡模态对应的振荡频率ωn的标准差均小于标准差阀值时，振荡辨识模块输出强迫功率振荡模态个数m以及每个振荡模态对应的振荡频率ωn，否则振荡辨识模块输出为0；
S6：如果振荡辨识模块的输出为0，则无信号输入有功功率控制模块和无功功率控制模块；如果振荡辨识模块的输出不为0，则将有功功率控制模块和无功功率控制模块中谐振控制器的谐振子模块个数设置为强迫功率振荡模态个数m，每个谐振控制器的中心频率设置为每个振荡模态对应的振荡频率ωn；
S7：将控制信号选择模块的输出信号Pc输入有功功率控制模块，通过有功功率控制模块中的谐振控制器和限幅单元计算得到有功功率Pinj并作为E-STATCOM输出的有功功率的参考值；将控制信号选择模块的输出信号Qc输入无功功率控制模块，通过无功功率控制模块中的谐振控制器和限幅单元计算得到无功功率Qinj并作为E-STATCOM输出的无功功率的参考值。
进一步，所述步骤S2中的左侧输电线路的振荡能量流动方向指标R1和右侧输电线路的振荡能量流动方向指标R2的计算公式为：
其中，t为时间窗的长度，Δ表示变化量。
进一步，t为3-5s。
进一步，所述步骤S4中振荡辨识模块采用的信号分析算法为TLS-ESPRIT算法、Prony算法、MUSIC算法或FFT算法中的任意一种。
进一步，所述步骤S7中的谐振控制器R(s)的表达式为：
其中，ωn为谐振控制器中第n个谐振子模块的中心频率，KR为比例系数，s为微分算子。
本发明所述的基于E-STATCOM的强迫功率振荡抑制***，包括信号采集模块，信号采集模块的输入端分别连接与E-STATCOM安装母线相连的左侧输电线路和右侧输电线路，信号采集模块的输出端连接控制信号选择模块的输入端，控制信号选择模块的输出端分别连接振荡辨识模块的输入端、无功功率控制模块的输入端和有功功率控制模块的输入端，振荡辨识模块的输出端分别连接无功功率控制模块的输入端和有功功率控制模块的输入端，无功功率控制模块的输出端和有功功率控制模块的输出端均连接E-STATCOM。
有益效果：
1)相比于需要***运行控制人员手动操作的强迫功率振荡抑制方法，本发明无需手动操作，而是自动在线完成振荡能量流向计算、控制信号选择、有功功率控制模块和无功功率控制模块参数设计及控制信号处理，得到E-STATCOM输出的有功功率和无功功率信号，能够更加快速有效的抑制强迫功率振荡；
2)在振荡频率处扰动信号到输电线路有功功率和无功功率的传递函数的幅值为0，因此无论E-STATCOM安装在***中的何处，该控制方法均能将强迫功率振荡幅值抑制到0，从而其抑制效果不受E-STATCOM安装地点的影响；
3)相比于传统的STATCOM只能通过附加阻尼控制调整输出无功功率，来提高***阻尼从而减小振荡幅值，而不能完全抑制；本发明由于采用了含有储能单元的STATCOM(E-STATCOM)，能够直接向***注入有功功率，产生与振荡信号大小相等，方向相反的有功功率，可以将强迫功率振荡的幅值抑制为0，因而具有更好的抑制效果。
附图说明
图1为本发明的***框图；
图2为安装了E-STATCOM的单机无穷大***的框图；
图3为未安装E-STATCOM的***的仿真结果；
图4为安装了E-STATCOM的***的仿真结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
下面以一个典型的单机无穷大***为例，说明本发明的具体实施方式。安装了E-STATCOM的单机无穷大***如图2所示，汽轮机、调速***和同步发电机通过变压器连接到母线i上，其中，汽轮机和调速***由TR表示，同步发电机由电压源和瞬态电抗(Xd')表示，电压源的幅值为Eg，相角为δg。E-STATCOM安装在母线j上，并通过联络线连接到无穷大母线k上，母线i和母线j之间的阻抗为jXL1，母线j和母线k之间的阻抗为jXL2。同步发电机的额定容量为200MW，额定电压为13.8kV，额定频率为60Hz，工作在负载率为0.7p.u.的情况下。***的共振振荡频率约为6.5102rad/s。
首先对未安装E-STATCOM的***进行了仿真，在[10s,40s]之间在原动机功率上添加了0.01pu的正弦扰动，其频率与***自然振荡频率相同，也为6.5102rad/s。获得的仿真结果如图3所示，实线为原动机功率Pm，虚线为无穷大母线吸收的功率Pb。由图3可知，由于扰动频率与***自然振荡频率相同，幅值仅为0.01pu的原动机功率扰动就引发了0.14pu的无穷大母线吸收的有功功率振荡，扰动被放大了14倍。这表明了强迫功率振荡的危害性。
然后将E-STATCOM安装在变压器与输电线路之间，即变压器副边。添加同样的扰动，采用本发明所提的基于E-STATCOM的强迫功率振荡抑制方法，具体步骤如下：
S1：信号采集模块1采集E-STATCOM安装母线j的电压Uj、频率fj、E-STATCOM安装母线i和母线j之间的传输线路的有功功率信号Pij和无功功率信号Qij，以及E-STATCOM安装母线j和母线k之间的传输线路的有功功率信号Pjk和无功功率信号Qjk，相应地，经过信号采集模块1后的输出信号分别为Ujd、fjd、Pijd、Qijd、Pjkd、Qjkd；
S2：将步骤S1中信号采集模块1采集得到的信号输入控制信号选择模块2，控制信号选择模块2计算左侧输电线路的振荡能量流动方向指标R1和右侧输电线路的振荡能量流动方向指标R2，具体计算公式为：
其中，Δ表示变化量；求得R1<0、R2>0；
S3：由于R2>0，选取E-STATCOM安装母线j和母线k之间的传输线路的有功功率信号Pjkd和无功功率信号Qjkd作为控制信号选择模块2的输出信号；
S4：将E-STATCOM安装母线j和母线k之间的传输线路的有功功率信号Pjkd输入振荡辨识模块3，采用TLS-ESPRIT算法计算强迫功率振荡模态个数为1，对应的振荡频率ω1＝6.5102rad/s；
S5：计算2s内得到的振荡频率ω1的标准差，在14.9s之前振荡频率ω1的标准差大于标准差阀值2×10-4，振荡辨识模块3输出为0；在14.9s时振荡频率ω1的标准差小于标准差阀值2×10-4，振荡辨识模块3的输出强迫功率振荡模态个数1，以及该振荡模态对应的振荡频率ω1为6.5102rad/s；
S6：在14.9s前振荡辨识模块3的输出信号为0，则无信号输入有功功率控制模块5和无功功率控制模块4；14.9s之后振荡辨识模块3的输出信号不为0，此时将有功功率控制模块5和无功功率控制模块4中谐振控制器的谐振子模块个数设置为强迫功率振荡模态个数1，谐振控制器的中心频率设置为振荡模态对应的振荡频率的数值ω1＝6.5102rad/s；
S7：将控制信号选择模块2的输出信号，即采集得到的母线j和母线k之间的传输线路的有功功率信号Pjkd输入有功功率控制模块5，通过有功功率控制模块5中的谐振控制器和限幅单元计算得到有功功率Pinj并作为E-STATCOM6输出的有功功率的参考值；将控制信号选择模块2的输出信号，即采集得到的母线j和母线k之间的传输线路的无功功率信号Qjkd输入无功功率控制模块4，通过无功功率控制模块4中的谐振控制器和限幅单元计算得到无功功率Qinj并作为E-STATCOM6输出的无功功率的参考值。
其中，谐振控制器R(s)的表达式为：
式中，ω1为谐振控制器中心频率，ω1＝6.5102rad/s，KR为比例系数，KR＝40，s为微分算子。
其中有功功率控制模块5和无功功率控制模块4中限幅单元的上限设置为0.1pu，下限设置为-0.1pu。
将使用本发明抑制方法的E-STATCOM加入***中，在[10s,40s]之间在原动机功率上添加了0.01pu的正弦扰动，其频率也为6.5102rad/s。获得的仿真结果如图4所示，实线为原动机功率Pm，虚线为无穷大母线吸收的功率Pb。由图可知，采用本文所提控制方法后，约在18s之后无穷大母线吸收的有功功率的振幅已经很小，最终振荡被完全抑制。10s-14.9s-18s为振荡频率辨识时间和振荡抑制的动态过程，可以通过改进频率辨识算法进一步缩减这个过程，来达到更好的抑制效果。
Claims (5)
1.一种基于E-STATCOM的强迫功率振荡抑制方法，其特征在于：包括以下的步骤：
S1：信号采集模块(1)采集E-STATCOM安装母线的电压Uj、频率fj、与E-STATCOM安装母线相连的左侧输电线路的有功功率信号Pij和无功功率信号Qij，以及与E-STATCOM安装母线相连的右侧输电线路的有功功率信号Pjk和无功功率信号Qjk；
S2：将步骤S1中信号采集模块(1)采集得到的信号输入控制信号选择模块(2)，控制信号选择模块(2)计算左侧输电线路的振荡能量流动方向指标R1和右侧输电线路的振荡能量流动方向指标R2；
S3：选取振荡能量流动方向指标Ri>0对应的输电线路的有功功率信号和无功功率信号作为控制信号选择模块(2)的输出信号Pc和Qc；其中，i＝1，2；
S4：将控制信号选择模块(2)的输出信号Pc输入振荡辨识模块(3)，振荡辨识模块(3)采用信号分析算法计算强迫功率振荡模态个数m，以及每个振荡模态对应的振荡频率ωn，其中，n＝1,2,…,m；
S5：当在ts时间段内得到的每个振荡模态对应的振荡频率ωn的标准差均小于标准差阀值时，振荡辨识模块(3)输出强迫功率振荡模态个数m以及每个振荡模态对应的振荡频率ωn，否则振荡辨识模块(3)输出为0；
S6：如果振荡辨识模块(3)的输出为0，则无信号输入有功功率控制模块(5)和无功功率控制模块(4)；如果振荡辨识模块(3)的输出不为0，则将有功功率控制模块(5)和无功功率控制模块(4)中谐振控制器的谐振子模块个数设置为强迫功率振荡模态个数m，每个谐振控制器的中心频率设置为每个振荡模态对应的振荡频率ωn；
S7：将控制信号选择模块(2)的输出信号Pc输入有功功率控制模块(5)，通过有功功率控制模块(5)中的谐振控制器和限幅单元计算得到有功功率Pinj并作为E-STATCOM(6)输出的有功功率的参考值；将控制信号选择模块(2)的输出信号Qc输入无功功率控制模块(4)，通过无功功率控制模块(4)中的谐振控制器和限幅单元计算得到无功功率Qinj并作为E-STATCOM(6)输出的无功功率的参考值。
2.根据权利要求1所述的基于E-STATCOM的强迫功率振荡抑制方法，其特征在于：所述步骤S2中的左侧输电线路的振荡能量流动方向指标R1和右侧输电线路的振荡能量流动方向指标R2的计算公式为：
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其中，t为时间窗的长度，Δ表示变化量。
3.根据权利要求2所述的基于E-STATCOM的强迫功率振荡抑制方法，其特征在于：t为3-5s。
4.根据权利要求1所述的基于E-STATCOM的强迫功率振荡抑制方法，其特征在于：所述步骤S4中振荡辨识模块(3)采用的信号分析算法为TLS-ESPRIT算法、Prony算法、MUSIC算法或FFT算法中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的基于E-STATCOM的强迫功率振荡抑制方法，其特征在于：所述步骤S7中的谐振控制器R(s)的表达式为：
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