2019動態(tài)電力系統(tǒng)第5章ppt課件

1、動態(tài)電力系統(tǒng),2019年秋季研究生課程,第五章電力系統(tǒng)動態(tài)等值,主要內容 同調等值 模式等值 估計等值,一、概論,動態(tài)等值 (dynamic equivalent) 對一個動態(tài)電力系統(tǒng)或其一部分進行簡化或降階的處理。 經動態(tài)等值簡化處理的電力系統(tǒng)，對于所研究的物理問題，應保持主要動態(tài)特性基本不變。動態(tài)等值簡化后的新系統(tǒng)稱為原系統(tǒng)的等值系統(tǒng),動態(tài)等值目的 現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和互聯(lián)程度的日益提高給系統(tǒng)穩(wěn)定分析帶來很大的困難，表現(xiàn)在系統(tǒng)模型選擇和數據收集，計算機分析的機時和內存要求，大系統(tǒng)分析時數值方法的局限性，計算結果的分析與綜合，以及在線穩(wěn)定分析的快速性要求等方面。 如果對系統(tǒng)先進行動態(tài)

2、等值，并以對簡化的等值系統(tǒng)的分析來代替對原來復雜系統(tǒng)的分析，則不僅可以在保證系統(tǒng)主要動態(tài)性能基本不變的前提下，大大節(jié)省人力、物力，克服上述一系列困難；還可以突出主要矛盾，以研究系統(tǒng)的主要特征和根本問題,動態(tài)等值時，一般可將系統(tǒng)劃分為三部分： 研究系統(tǒng) 即被研究的區(qū)域。它在等值過程中保持不變。 外部系統(tǒng) 即與研究區(qū)域毗鄰并相互有一定影響的區(qū)域。由于對外部系統(tǒng)的細節(jié)并不感興趣，而只側重于它對研究系統(tǒng)的影響，應在不影響研究系統(tǒng)主要動態(tài)特性的前提下予以簡化，是動態(tài)等值的主要對象。 剩余系統(tǒng) 即與研究區(qū)域相距很遠，影響極小，可作高度簡化的區(qū)域。一般以一臺(或幾臺)等值機(或等值負荷)表示,完全系統(tǒng),保留

3、結構 模型不變,動態(tài)等值,研究系統(tǒng),外部系統(tǒng),剩余系統(tǒng),網絡化簡 模態(tài)壓縮,高度簡化,動態(tài)等值可按原理分為三類： 基于發(fā)電機轉子同擺的同調等值； 基于線性化系統(tǒng)模型和特征值分析的模態(tài)等值； 基于在線量測量和參數估計方法，主要用于在線動態(tài)分析的估計等值，又稱在線等值,應用場合: 離線暫態(tài)穩(wěn)定分析 特點：系統(tǒng)結構和參數已知，分析大擾動下電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程，系統(tǒng)呈強非線性。 要求：等值前后的研究系統(tǒng)有接近的搖擺曲線。 離線動態(tài)穩(wěn)定分析 特點：系統(tǒng)結構和參數已知，小擾動下，動態(tài)系統(tǒng)模型可用線性化微分方程描述。 要求：等值前后的研究系統(tǒng)應有接近的模式（modes）或模態(tài)分布（modal shape）。

4、在線動態(tài)安全分析 特點：系統(tǒng)運行工況時變，結構多變，但有大量實測信息可以利用。 要求：快速對外部系統(tǒng)進行辨識等值，使等值前后的研究系統(tǒng)的安全分析結果有接近的態(tài)勢,二、同調等值,在進行暫態(tài)仿真時，若在仿真計算時間t0 ，內，兩臺機的相對轉子角偏差在任一時刻都不大于一個給定的標準(0)，則判斷這兩臺機關于時間區(qū)段為同調。即,同調等值機,主要用于離線暫態(tài)穩(wěn)定分析。要求等值前后研究系統(tǒng)在大擾動下有接近的轉子搖擺曲線，同時要求等值系統(tǒng)中的元件應為實際系統(tǒng)元件，以便可直接用暫態(tài)穩(wěn)定程序分析,通?？扇?10，13秒。則根據上式的準則，可將全部發(fā)電機分成若干同調機群。另外系統(tǒng)中有一臺機設計為平衡機，這樣做可使

5、等值前后系統(tǒng)的參考相位一致,同調等值過程可分為如下步驟： 將待等值系統(tǒng)劃分為研究系統(tǒng)及外部系統(tǒng)。 進行簡化模型時域仿真，獲得系統(tǒng)中各發(fā)電機轉 子搖擺曲線。 同調發(fā)電機組判別。 同調發(fā)電機母線合并。 非線性網絡化簡。 同調發(fā)電機動態(tài)聚合,1）系統(tǒng)劃分原則,2）同調機組判別 具體判別同調機組的方法有多種,如基于時域仿真、根據轉子搖擺曲線判同調的方法；基于富氏變換和拉氏變換，根據頻域特征判同調的方法等等。本節(jié)主要介紹基于時域仿真的同調判別法，這是使用較廣泛的方法,基本假設： 同調機組的劃分應與擾動大小無關，從而可以把系統(tǒng)線性化，化為增量形式的方程組表示，用它的動態(tài)行為判別同調； 同調機組的劃分與發(fā)電

6、單元的細節(jié)描述無關，所以同調判別時可以忽略調速器、勵磁系統(tǒng)動態(tài)，用經典二階模型來描寫發(fā)電機； 同調機組的劃分與負荷模型關系較小，則同調判別時負荷化為等值阻抗描述，并入導納陣； 設系統(tǒng)具有高X/R比值，從而有功與無功潮流可以近似解耦計算。 在上述假定基礎上，系統(tǒng)大大簡化，有利于快速作同調機組判別，并仍能滿足正確判別同調機組的要求,進行同調判別的具體步驟如下,系統(tǒng)模型的建立 設系統(tǒng)有N臺發(fā)電機，用經典二階模型描寫，線性化轉子動態(tài)方程為,設 后的內電勢為 ， 為定常， 、 為 由發(fā)電機內電勢節(jié)點向網絡注入的有功和無功功率， 內電勢節(jié)點可看作 節(jié)點， 可并入節(jié)點導納陣。但有一臺發(fā)電機為平衡機，其內電勢

7、節(jié)點作 節(jié)點,設負荷化為等值阻抗 ,并入導納陣，從而正常運行時負荷節(jié)點注入網絡的有功和無功功率值為“零,網絡節(jié)點導納陣在并入發(fā)電機暫態(tài)電抗和負荷 等值阻抗后設為Y,根據牛頓拉夫遜潮流計算的數學模型可知，網絡線性化后可采用雅克比矩陣形式表示為,若設系統(tǒng)有高 比值，則有功無功潮流可近似解耦，再進一步假定H陣為定常（負荷母線 ），近似取 為已知，從而網絡方程只由有功潮流部分給出,其中H為定常，從而大大簡化了系統(tǒng)模型及計算工作量,全系統(tǒng)模型由上式和線性化轉子動態(tài)方程共同構成，其中設有N臺發(fā)電機和M個負荷節(jié)點，包含2N個微分方程和NM個代數方程，含有4N2M個變量，若有NM個邊界約束條件，就可求解。 這

8、NM個邊界約束條件即為 及 已知，來近似模擬施加的擾動。 在正常無擾動時 ，則各變量的增量為零。 系統(tǒng)有大擾動時，用 及 來模擬擾動，然后用數值穩(wěn)定性較好的方法來求解系統(tǒng)微分方程，則可得到轉子搖擺曲線 ，并據此作同調判別,擾動的模擬,四種典型大擾動設為： 三相短路、 甩負荷、切機和 切除輸電線路,均可用相應的邊界條件 為 定常值來模擬；H陣元素除切機擾動外都用故障前的導納陣和運行工況來計算；仿真時如果沒有其他操作（擾動），H近似為定常陣，這樣模擬可以節(jié)省工作量而且一般不影響同調機組的正確劃分,同調機組的判別,根據前述同調機組定義，可以將全部發(fā)電機分成若干同調機群。在實際電力系統(tǒng)動態(tài)等值中，還有

9、其他一些同調機組的判別方法，如基于拉氏變換和富氏變換的同調機組判別法等,3）同調發(fā)電機母線合并,先把同調發(fā)電機的端母線各經一理想的復數變比變壓器接到一個公共等值母線上，該等值母線穩(wěn)態(tài)電壓可取為各同調發(fā)電機穩(wěn)態(tài)端電壓的平均值，復數變比的取值應保證同調發(fā)電機母線間無環(huán)流。然后把各同調發(fā)電機母線上的負荷、對地支路和發(fā)電量都移到等值母線上，并分類疊加為等值母線的負荷、對地支路和發(fā)電量。最后消去原發(fā)電機端母線。過程中應保證系統(tǒng)保留部分穩(wěn)態(tài)潮流分布不變,4）非線性網絡化簡,即對非線性網絡作靜態(tài)等值，其主要是作非線性負荷的移置和網絡節(jié)點消去，可采用各種靜態(tài)網絡等值的方法。 網絡化簡的關鍵在于消去非線性負荷，

10、消去時需將非線性負荷等值到保留母線上，使網絡穩(wěn)態(tài)潮流偏差為零，而動態(tài)誤差盡可能小常用的方法有電流溝簡化（CSR）法和輻射等值獨立（REI）法。 CSR法本質上是把靜態(tài)分析的網絡等值方法擴展用于動態(tài)分析的網絡等值中，屬于高斯消去法的范疇。在動態(tài)過程中這種簡化等值是有誤差的，但若移植前后負荷所在節(jié)點的電壓波動相近，則帶來的誤差相當小，故長距離輸電線或聯(lián)絡線的兩端母線應該保留，以免消去一端母線時部分負荷移植到另一端母線而帶來較大的動態(tài)誤差。經驗表明先做同調發(fā)電機母線合并，然后再做網絡等值化簡，動態(tài)等值的效果較好,5）同調發(fā)電機動態(tài)聚合,將同調發(fā)電機合并為一臺或幾臺等值機，用最優(yōu)化方法求取等值機參數。

11、聚合中假定同調機有相同的角速度。線性與非線性部分可分別聚合。整個發(fā)電機分為五部分，即電機轉子運動部分、原動機和調速器部分、發(fā)電機電磁回路部分、勵磁系統(tǒng)部分以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS部分。對五部分依次分別聚合，并要求動態(tài)聚合前、后無靜態(tài)偏差，且動態(tài)行為一致。每一部分的動態(tài)聚合可分為三步，即先確定等值機的傳遞函數G*(S)；再由物理概念確定待合并的各單機相應傳遞函數的集合函數G(S)，其一般為各單機傳遞函數的代數和或加權和；最后用最優(yōu)化方法求取等值機傳遞函數G*(S)的參數，使亦即進行頻域響應特性的擬合，使之偏差最小。i為掃頻值，通常取值在010Hz,三、模態(tài)等值,動態(tài)等值的另一類方法是基于外部系統(tǒng)

12、線性化模型和特征值性質進行降階的等值簡化方法，統(tǒng)稱為模式等值法。主要用于離線小干擾穩(wěn)定分析，要求等值前、后研究系統(tǒng)在小擾動下主要動態(tài)特性(主特征根及相應的主特征向量)基本一致。由于等值系統(tǒng)由線性化狀態(tài)方程描述，而非實際系統(tǒng)元件，因此模態(tài)等值用于暫態(tài)穩(wěn)定分析時，計算機軟件要作相應修改,模態(tài)等值過程可分為4個步驟。設系統(tǒng)已分為研究系統(tǒng)和外部系統(tǒng)，并擬對外部系統(tǒng)作模態(tài)等值，則： （1） 列出外部系統(tǒng)的非線性微分方程為,式中，X是外部系統(tǒng)狀態(tài)向量；Ut為研究系統(tǒng)和外部系統(tǒng)交界處的母線電壓向量,2）設研究系統(tǒng)擾動對外部系統(tǒng)的影響很小，從而可將上式線性化，則外部系統(tǒng)的完整數學模型為,式中，It為Ut相應母

13、線上由研究系統(tǒng)向外部系統(tǒng)的注入電流增量；A、B、C、D是外部系統(tǒng)系數矩陣。若It已知，則外部系統(tǒng)可求解,3）對上式中矩陣A求特征根和特征向量，用特征向量矩陣U對A進行變換，使之對角化，從而有,式中Z是新狀態(tài)變量， 為系統(tǒng)特征根對角陣， 為Ut的新系數陣,4）消去上式中與快速衰減和高頻的特征根相對應的Z中元素，只保留主特征值，形成低階的外部系統(tǒng)，即為所求的等值外部系統(tǒng)模型。 近年來發(fā)展的奇異攝動法和選擇模式分析法也是基于線性化系統(tǒng)模型和系統(tǒng)特征值特點進行降階后得到低階等值系統(tǒng)的，也可以認為其屬于模態(tài)等值范疇,四、估計等值,將系統(tǒng)分為研究系統(tǒng)和外部系統(tǒng)，用研究系統(tǒng)中的量測量對外部系統(tǒng)進行動態(tài)等值。

14、實質上是先確定外部系統(tǒng)的等值模型，再用研究系統(tǒng)中的量測量，對之進行參數估計。主要用于在線動態(tài)分析，故又稱在線等值，要求方法快速、正確、可靠,估計等值可按系統(tǒng)擾動的特點分為兩類： 一是施加人為擾動或利用系統(tǒng)正常操作造成確定性的動態(tài)過程，通過記錄的動態(tài)量，來估計等值外部系統(tǒng)的參數； 二是施加或利用隨機擾動，用隨機信息處理和相關分析技術，進行對等值外部系統(tǒng)的參數優(yōu)化估計。 施加確定性擾動相應的等值過程速度較快、精度較好，但對系統(tǒng)運行不利；施加隨機擾動相應的等值過程數學處理較復雜，計算量大，但一般對系統(tǒng)運行干擾較小,以施加確定性擾動為例，相應等值過程可分為三步,1）建立等值外部系統(tǒng)的線性化數學模型為,

15、式中，“”表示等值外部系統(tǒng)中物理量； 為狀態(tài)量,為輸出量； 為控制量； 為外部系統(tǒng)系數矩陣,為輸出矩陣；為待估計參數,2）等值系統(tǒng)參數優(yōu)化的目標函數J取作,式中，Y(t)為實測量,為據等值模型計算的相應量,R為權矩陣,3）優(yōu)化等值系統(tǒng)參數。使目標函數Jmin,采用這種算法要注意以下幾點： 選擇外部系統(tǒng)的等值模型不要太精細，也 不要太簡化，有經驗性； 每次修正的步長，既要確?？焖偈諗?， 又要防止“振蕩”性數值不穩(wěn)定； 對任何初估值 ，最后獲得的優(yōu)化值必 須是唯一的，即不隨初估值而變化,采用隨機性擾動作在線等值時，要采用隨機信號處理技術以消除量測噪聲及提取有效信息，以保證精度。 在線等值要求外部等值系統(tǒng)模型選擇恰當，從而使實際系統(tǒng)量測值和等值系統(tǒng)仿真計算值的偏差能通過等值系統(tǒng)參數優(yōu)化而達到極小值。且對于等值系統(tǒng)參數的任何初始估計值，其最終所得的優(yōu)化參數