广域环境下的电网静态稳定性能态势评估研究

论文摘要

随着电网互联范围的不断扩大、电力工业市场化体制改革的不断深入,以及大规模风光等可再生资源并网发电迅猛增长的趋势,使电网运行环境日益复杂,电网安全运行面临严峻挑战。广域测量系统（Wide Area Measurement System, WAMS）技术的成熟以及智能化电网的发展,为电网在线稳定性能态势评估以及预防性控制奠定了基础。目前,基于实测信息的在线稳定性能态势评估主要聚焦于两个方面：一是基于戴维南等效方法的静态电压稳定评估；二是基于实测轨迹的暂态功角稳定预估。虽然,电网静态稳定问题的确涉及功角和电压两个侧面,但二者在一定条件下又是辨证的统一。因此,面临新的形势,在广域环境下开展电网在线静态稳定性能态势评估的研究,具有重要的理论意义和工程应用价值。由此,实现“在线评估、实时决策”的电网监控框架,把握电网输电规律和静态稳定机理是根本。本文研究思路：在广域环境下,以戴维南等效方法为手段,从静态稳定角度出发,将电磁有功功率作为联系电压和功角两个侧面辨证统一关系的纽带,进而丰富电网静态稳定评估理论,有助于电网在线稳定监控的实施。本文的主要工作和创新成果如下：（1）将戴维南等效参数辨识归结为优化问题,提出一种基于轨迹灵敏度的戴维南等效参数迭代优化辨识方法。该方法以节点电压计算值平方与电压实测值平方的差最小为目标,待辨识参数的物理限制作为约束,数学模型简捷、易于快速求解。结合戴维南等效参数对节点电压的轨迹灵敏度,对辨识参数初值进行自适应变步长修正,进而提高参数辨识的精度和速度。仿真算例表明,所提方法具有自适应性强、辨识结果有效等特点,具备在线应用前景。（2）继承传统静态的功角稳定和电压稳定假设条件和概念,在相角和功率因数角δ-Ф空间上构造一种线性化的静态稳定边界域,并以此为基础,提出一种以节点稳定裕度为目标的定量化切负荷快速计算方法。基于局部量测信息获得各节点戴维南等效参数,即可直观展示各节点所处的稳定模式及相对稳定裕度,当节点稳定裕度较低时快速获得近似切负荷量,供调度员参考。这一方法间接避免了潮流计算和具体临界值的求取,从而弥补了传统方法在线应用中存在的求解规模、网络参数依赖、收敛性和计算速度等困境。仿真结果表明,该方法物理概念清晰、计算快速,适于在线应用。（3）基于两节点系统模型,推导了一定有功输送条件下,有功损耗和静态稳定裕度与功率因数角间关系的解析表达式。以此为基础,在二维坐标系下构造出反映这种关系的实时运行域,并提出3个新指标,用以快速预估节点无功补偿情况、指导无功优化目标的选择。实时跟踪辨识戴维南等效参数,可清晰确定当前运行状态下各节点近似所需无功补偿量及无功优化方向,从而为广域环境下的电网局部化无功补偿、控制及均衡化规划等提供了一种新的思路。（4）针对静态的功角稳定和电压稳定在概念和机理上尚未统一,给稳定分析与控制带来不便的情形。在前述研究工作的基础上,从动力学角度出发,提出电网静态稳定实质是电磁有功功率牵引下,“源-网-荷”功率转化过程中的平衡性思想。电压只是这一过程的支撑,本质上属于非线性系统输出变量的有界性问题,而与稳定性没有必然关系。广域环境下基于全参量灵敏度给出广义同步力矩系数的概念,使静态稳定评估理论得到扩展。另外,给出电压支撑量化指标,衡量电网对电压的支撑水平。理论研究与多场景算例分析表明了新判据的有效性和合理性,广域环境下有望实现电网稳定性能态势在线评估和预警。（5）将本文研究方法嵌入到山东电网AVC系统中,实现电网静态稳定性能态势在线评估。将小扰动分析法和本文的稳定裕度指标相结合,分析了风电并网对烟台电网稳定性能的影响。另外,将连续潮流与戴维南等效方法结合,针对山东电网2010年冬季实际预测数据,对多种运行方式下的静态稳定性能和无功补偿进行详细分析,为山东电网运行和规划提供有益参考。最后,面向调度中心监控主站,介绍了“电网静态稳定监控与预警系统”的框架体系和设计理念,并完成相应功能模块的开发,可进一步扩展智能调度支持系统的稳定监控功能。综上所述,本文基于电网实测或仿真信息,就戴维南等效参数辨识、静态稳定域、定量化切负荷、局部化无功补偿、广义静态稳定统一判据等方面进行了比较全面的研究和探索。并提出了相应的模型和方法,经算例仿真和实际电网应用得到比较有效的验证。当然,在实际应用中还有若干细节问题需要深入研究,以便在理论和实践上得到进一步丰富、发展和完善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 课题研究现状回顾与评述
• 1.2.1 关于戴维南等效方法的研究
• 1.2.2 关于静态功角稳定的研究
• 1.2.3 关于静态电压稳定的研究
• 1.3 目前存在的主要问题
• 1.4 本文的主要工作和成果
• 第2章 戴维南等效参数迭代优化辨识
• 2.1 引言
• 2.2 广义戴维南等效模型
• 2.3 戴维南等效参数优化辨识
• 2.3.1 等效参数优化辨识模型
• 2.3.2 轨迹灵敏度
• 2.3.3 辨识参数个数、初值及步长的自适应修正
• 2.4 算例分析
• 2.4.1 两节点系统仿真
• 2.4.2 新英格兰10机39节点系统仿真
• 2.5 小结
• 第3章 在线静态稳定域及快速切负荷算法
• 3.1 引言
• 3.2 静态稳定域边界解析表达
• 3.3 静态稳定裕度指标构建
• 3.4 在线静态稳定运行域确定
• 3.5 在线切负荷快速近似计算
• 3.5.1 恒功率因数切负荷
• 3.5.2 最小切负荷
• 3.6 仿真与分析
• 3.6.1 两节点系统仿真
• 3.6.2 新英格兰10机39点系统仿真
• 3.6.3 切负荷算法的验证
• 3.7 小结
• 第4章 基于实测信息的节点无功补偿在线监控
• 4.1 引言
• 4.2 有功损耗与功率因数角的关系
• 4.3 静态稳定裕度与功率因数角的关系
• 4.4 有功损耗与静态稳定裕度的相对关系
• 4.5 算例分析
• 4.5.1 戴维南等效阻抗对各量的影响
• 4.5.2 新英格兰10机39节点系统的仿真
• 4.6 小结
• 第5章 基于全参量灵敏度的广义静态稳定判据
• 5.1 引言
• 5.2 电网稳定分析中的辩证思想
• 5.2.1 功角稳定和电压稳定统一力的关系
• 5.2.2 静态和暂态间的辩证关系
• 5.3 交流电路有功传输特性
• 5.4 基于全参量灵敏度的广义静态稳定判据
• 5.4.1 状态变量对参量的灵敏度
• 5.4.2 广义同步力矩系数
• 5.4.3 电压支撑能力评估方法
• 5.5 不同负荷变化模式的静态稳定性能分析
• 5.5.1 有功传输边界静态稳定特性分析
• L不变,X_L变'>5.5.2 R_L不变,X_L变
• L变,X_L不变'>5.5.3 R_L变,X_L不变
• 5.5.4 感应电动机并联恒阻抗负荷
• 5.5.5 负荷电压保持不变
• 5.5.6 负荷恒功率因数变化
• 5.6 多机系统仿真分析
• 5.6.1 新英格兰10机39节点静态连续潮流
• 5.6.2 WEPRI-36节点系统暂态仿真
• 5.7 小结
• 第6章 工程应用与静态稳定监控系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 实际工程应用
• 6.2.1 静态稳定性能裕度指标
• 6.2.2 节点无功补偿快速预估
• 6.2.3 小扰动分析法
• 6.2.4 山东电网AVC项目
• 6.2.5 烟台风电并网项目
• 6.2.6 山东电网电压无功评估项目
• 6.3 静态稳定监控系统设计
• 6.3.1 SMWS系统硬件结构
• 6.3.2 SMWS系统软件体系
• 6.3.3 SMWS系统功能实现流程
• 6.3.4 SMWS系统主要功能子模块
• 6.3.5 SMWS系统主要创新性特色
• 6.4 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录A 烟台电网风电项目特征值分析表
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表与录用的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的课题研究与项目研发
• 学位论文评阅及答辩情况表