交直流电力系统恢复控制策略研究

论文摘要

近年来，随着电网互联和远距离交直流输电技术的发展，电力系统的规模日益扩大，网络结构更趋复杂，电力市场的发展和经济调度的日趋广泛又使电力系统的运行越来越接近于稳定运行的极限，从而导致大电网的安全运行存在更大的隐患，不可能绝对避免因各种原因造成的事故扩大和大面积停电事故等。为确保系统在停电事故后能快速、安全地恢复供电，本文着重对系统恢复过程中的电压和频率控制问题进行了研究。主要内容包括：（1）对电力系统恢复过程的仿真问题进行了分析，建立了发电机、负荷等元件在恢复过程中的仿真模型，对输电线路和变压器的恢复、厂用负荷的起动以及发电机的带负荷过程等的仿真方法进行了研究，以对系统恢复过程中的稳态、暂态和动态行为等进行全面的分析，为制订系统恢复计划和实际的恢复控制操作提供指导。（2）针对系统恢复初期由于空载和轻载线路的恢复所引起的工频过电压问题，提出了基于灵敏度分析的方法快速确定有效控制变量及其调节量，并通过引入有效因子的概念，综合考虑设备本身和系统运行条件的约束及其当前状态的调节裕度，确保了以最少的控制操作对过电压进行校正的同时，不会产生新的电压越限。（3）对系统恢复初期由变压器等非线性设备的恢复引起的谐波谐振过电压问题进行了分析，通过控制变压器励磁涌流和改善系统频率响应特性等实现对谐波谐振过电压的控制。通过灵敏度分析确定能最有效改善系统频率响应特性的负荷位置，实现以最少的负荷投入量和系统操作数目对谐波谐振过电压进行有效控制，并在灵敏度中引入权值反映变压器励磁涌流各次谐波分量的影响，以更精确地反映谐波谐振过电压对系统负荷的灵敏度。同时，采用信号能量的概念对电压波形的变化趋势进行判断，实现以最短时间的时域仿真对谐波谐振过电压的大小进行快速估计和有效控制。（4）建立了考虑冷负荷特性的最优负荷恢复模型，其中考虑了系统的频率、电压和发电机有功出力等动态约束条件，以确保在恢复尽可能多负荷的同时，使系统的运行频率和网络电压等维持在合理的允许范围内。利用PSS／E软件提供的二次开发语言IPLAN，引入适用于工程优化问题的粒子群优化算法对所建的最优负荷恢复问题进行求解，并采用罚函数法对动态约束条件进行处理，以快速求得在满足系统安全稳定约束条件下可恢复的最大负荷量及负荷位置。（5）对基于电压源换流器（VSC）的直流输电系统在电力系统恢复中的应用进行了研究，提出通过新型直流输电技术（VSC-HVDC）实现相邻系统或黑起动机组对停电系统中被起动电厂的厂用负荷进行恢复供电。在对dq0坐标系下VSC的暂态数学模型进行分析的基础上，建立了用于系统恢复过程中厂用电动机负荷起动的VSC-HVDC仿真模型，对VSC-HVDC两端系统的控制器分别进行了设计，并对给水泵等大型异步电动机负荷的起动过程进行了仿真验证，结果表明VSC-HVDC能够为异步电动机的起动提供有效的无功功率支持，并确保了电动机起动过程中的厂用母线电压能维持在合理的水平，以实现厂用电动机负荷的顺利起动。（6）对南方电网因直流故障切机后的恢复策略进行了研究，提出通过降低其它运行机组出力的控制策略，使被切机组能在短时间内投入，达到在保持系统稳定的前提下使被切机组快速恢复的目标。利用PSS／E软件的用户自定义计算功能对发电机的出力调节过程进行建模，对南方电网发生贵广直流双极闭锁故障后被切机组并网后的带负荷过程进行仿真，结果表明，在被切机组的带负荷过程中，适当降低其它运行机组的出力，可以保持送端系统输出功率基本不变，不会对系统的稳定性造成影响，从而证明了该方法的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电力系统恢复的定义及系统全停后的恢复步骤
• 1.2.1 电力系统恢复
• 1.2.2 电力系统恢复控制的目标
• 1.2.3 系统全停后的恢复步骤
• 1.3 系统恢复过程中需要注意的问题
• 1.3.1 起动电源
• 1.3.2 无功功率平衡和电压控制
• 1.3.3 有功功率平衡和频率控制
• 1.3.4 保护和控制装置问题
• 1.4 电力系统恢复控制研究现状
• 1.4.1 系统恢复的关键技术
• 1.4.2 系统恢复计划的制订
• 1.4.3 系统恢复培训
• 1.4.4 实际系统恢复案例
• 1.4.5 专家系统在电力系统恢复控制中的应用
• 1.5 本文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 电力系统恢复过程的仿真问题
• 2.1 引言
• 2.2 用于电力系统恢复控制的仿真工具
• 2.2.1 潮流及最优潮流计算
• 2.2.2 暂态稳定仿真
• 2.2.3 中长期动态稳定仿真
• 2.2.4 电磁暂态过程仿真
• 2.2.5 短路电流计算
• 2.3 电力系统恢复过程的仿真
• 2.3.1 变压器、输电线路充电
• 2.3.2 被起动机组厂用负荷的起动过程
• 2.3.3 发电机的起动及带负荷过程
• 2.3.4 冷负荷恢复模型
• 2.3.5 发电机或子系统的并列
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 系统恢复过程中的工频过电压控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 系统恢复过程中的持续工频过电压问题
• 3.3 有效控制变量确定
• 3.3.1 灵敏度分析
• 3.3.2 有效因子
• 3.4 工频过电压控制策略及其校正过程
• 3.5 算例分析
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 系统恢复初期的谐波谐振过电压控制策略
• 4.1 引言
• 4.2 系统恢复初期的谐波谐振过电压
• 4.3 谐波谐振过电压控制措施
• 4.3.1 变压器励磁涌流控制
• 4.3.2 系统频率响应特性改善
• 4.3.3 谐波谐振过电压的分析与控制流程
• 4.3.4 电磁暂态仿真终止条件
• 4.4 算例分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 系统恢复过程中的最优负荷恢复
• 5.1 引言
• 5.2 冷负荷恢复问题
• 5.3 最优负荷恢复模型
• 5.3.1 负荷恢复模型
• 5.3.2 发电机出力调节过程
• 5.3.3 最优负荷恢复模型
• 5.4 最优负荷恢复问题的求解与实现
• 5.4.1 PSS/E的IPLAN语言
• 5.4.2 粒子群优化算法
• 5.4.3 不等式约束条件处理-罚函数法
• 5.4.4 最优负荷恢复问题的计算流程
• 5.5 算例分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 基于VSC的直流输电系统在电力系统恢复中的应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 VSC-HVDC的运行原理及数学模型
• 6.2.1 VSC-HVDC系统结构
• 6.2.2 VSC的运行原理
• 6.2.3 VSC的暂态数学模型
• 6.3 用于系统恢复的VSC-HVDC控制策略
• 6.3.1 控制器设计
• 6.3.2 VSC-HVDC起动过程控制
• 6.4 异步电动机数学模型
• 6.5 仿真分析
• 6.5.1 交流系统通过VSC-HVDC起动厂用电动机负荷
• 6.5.2 黑起动机组通过VSC-HVDC起动厂用电动机负荷
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 南方电网因直流故障切机后的恢复策略
• 7.1 引言
• 7.2 贵广直流输电系统故障时南方电网的稳定性分析
• 7.3 南方电网因直流故障切机后的恢复策略
• 7.4 恢复策略的仿真验证
• 7.4.1 系统初始条件及被切机组的快速恢复要求
• 7.4.2 仿真模型
• 7.4.3 仿真结果及分析
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究工作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表或录用的论文