1.基于vsc主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法,其特征是:通过系统惯量中心点选取与利用惯量中心点的偏移提高系统抗扰动能力,具体包括以下步骤:
电力系统惯量中心位置选择原理;
网络的惯量中心点向网络扰动点偏移;
向网络弱惯量区域添加新的惯量。
2.根据权利要求1的述的基于vsc主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法,其特征是:所述电力系统惯量中心位置选择原理包括:两机系统惯量中心点选择原理与多机系统惯量中心点选择原理。
3.根据权利要求2的述的基于vsc主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法,其特征是:所述两机系统惯量中心点选择原理,两机系统包括两台传统同步发电机,两台变压器,一条传输线路,假设线路阻抗均匀分布,则系统中发电机二阶转子运动方程为:
式中:ω1为发电机1的角频率;ω2为发电机2的角频率;δ1为发电机1的角频率;δ2为发电机2的角频率;h1为发电机1的惯性时间常数;h2为发电机2的惯性时间常数;pm1为发电机1的机械功率;pm2为发电机2的机械功率;e′1为发电机1的端电压;e′2为发电机2的端电压;ωs为额定角频率;
根据基尔霍夫电流方程kcl可得负载点电压与两端电压之间的线性关系:
式中:x1为发电机1暂态电抗x′d1、变压器1内阻xt1和线路阻抗xl之和,x2为发电机2暂态电抗x′d2、变压器1内阻xt2之和,δ1为发电机1的角频率,δ2为发电机2的角频率,δ3为发电机3的角频率,e′1为发电机1的端电压,e′2为发电机2的端电压,e′3为发电机3的端电压,z为负载的等效阻抗。
式(7)化简得:
假设惯量中心点在发电机1和负载之间的点,则有:
式中:v和θ为α点的电压幅值和相角。
把(8)带入(9)中得:
其中
取式(10)的虚部:
(1-α-aα)e′1(δ1-θ)+αbe′2(δ2-θ)=0(11)
求导得:
式中:ω1为发电机1的角频率,ω2为发电机2的角频率。
根据式(13)得网络中任意一点的频率主要与网络中各台发电机的角频率和端电压相关,当发电机的角频率和端电压确定,结合线路阻抗大小,得到网络中任意点的频率分布情况;假设发电机1的角频率ω1为1,发电机2的角频率为一个定值,则无论两侧发电机的端电压如何变化,网络中任意点的频率均呈连续分布状态。
4.根据权利要求1的述的基于vsc主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法,其特征是:所述惯量中心点coi是指在这一点与系统任意点相比,角度变化和频率变化率最小,则有:
式中:
所以:
根据式(14)可得惯量中心点的位置α*:
式中:pm1与pe1分别为发电机1的机械功率与电磁功率,pm2与pe2分别为发电机2的机械功率与电磁功率,h1为发电机1的惯性时间常数,h2为发电机2的惯性时间常数;
当系统达到稳定状态时,机械功率与电磁功率相匹配,此时惯量中心点coi的频率为:
根据式(17)可知,网络中惯量中心点的频率介于两端频率之间,又网络中的频率分布呈连续分布状态,因而网络中必能找出一个惯量中心点,且在这一点,角度和频率变化受网络扰动影响最小。
5.根据权利要求2的述的基于vsc主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法,其特征是:所述多机系统惯量中心点选择原理包括:
对于多机系统,根据两机系统惯量中心点coi的频率表达式,推广到多机系统:
式中:h1为发电机1的惯性时间常数,h2为发电机2的惯性时间常数,hi为发电机i的惯性时间常数,ω1发电机1的角频率,ω2为发电机2的角频率,ωi为发电机i的角频率。
当网络中各个节点的频率已知时,结合各台发电机的惯性时间常数,能够求出惯量中心coi的频率大小,对比各个节点的频率,能够找出惯量中心点的位置。
6.根据权利要求1的述的基于vsc主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法,其特征是:所述网络的惯量中心向网络扰动点偏移,包括:
在给定的系统条件下,判断一个给定的冲击,同步发电机将能否保持稳定性,主要取决于扰动的幅值和位置,而较少取决于系统的稳定状态或运行条件;因此,系统扰动的不同位置在系统中将产生不同的扰动效果;
而系统中频率稳定主要和发电设备的惯量相关,系统惯量水平越高,抑制频率扰动能力越强;考虑不同发电设备惯量大小不同,导致系统中不同区域其惯量水平不同,因此系统中不同区域抑制频率扰动能力也将不同;而系统惯量中心点coi代表了整个系统的整体惯量水平,在该点和系统中其他任意点相比功角δ和频率ω的变化率最小;因而结合网络的惯量分摊特性,考虑将网络的惯量中心向网络扰动点偏移,从而达到抑制网络频率扰动的效果。
7.根据权利要求1的述的基于vsc主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法,其特征是:所述网络的惯量中心向网络扰动点偏移,是在digsilent软件环境下对传统同步发电机和含vsc主动支撑系统进行仿真验证:
仿真情形1:全传统同步发电机;
传统四机两区系统,发电机基准值设为900mva20kv;
四机两区系统全采用传统同步发电机,发电机1和2在网络一区,发电机3和4在网络二区;网络一区的惯性时间常数由5s递增至35s,网络二区的惯性时间常数由35s递减至5s,同时保持网络的总惯量水平不变;
在t=10s时,在5号节点加入一个负荷突增事件,突增负荷3为100mw,各节点在扰动后的频率是在相同惯量水平条件下,随着发电机1和2的惯性时间常数增大,整个系统的频率最大跌落幅值减小,频率扰动抑制能力显著提高;
利用多机系统网络惯量中心指标ω*,找到网络的惯量中心节点区间;式(19)表征的是网络中惯量中心点位置相对于扰动点位置的电气距离;当网络发生扰动时,测量出网络各个节点的频率大小,得到网络惯量中心点相对于负荷突增点的距离;网络中各区域不同惯性时间常数下的惯量中心与负荷突增节点5的距离,随着一区惯性时间常数的递增,x逐渐减小,也就是惯量中心点越趋近于负荷突增点;
式中:ω(coi)是惯量中心点的角频率,ω(i)为发电机i的角频率。ω(j)为发电机j的角频率。
式中:d2系统的角频率方差,ωn为系统的额定角频率。
蓝线为网络中各个节点的频率偏差和d2,其表达式为式(20),随着一区的惯性时间常数的递增,d2逐渐减小;与惯量中心点至负荷突增点的距离x呈正相关;
对比可知,当惯量中心点逐渐向扰动点靠近时,网络中各台同步发电机的频率最大跌落幅值明显降低,整个网络的频率水平提高,验证了令惯量中心点靠近扰动点能提高网络的频率稳定;
仿真情形2:含虚拟同步发电机;
传统四机两区系统,发电机基准值设为900mva20kv;
但此时四机两区系统第二、第四台同步发电机用相同功率等级虚拟同步发电机替代,发电机1和3的惯性时间常数均为10s,只考虑虚拟同步发电机虚拟惯量对网络频率的影响,因而忽略同步发电机惯量对惯量中心的影响;
a)采用改变虚拟惯性时间常数h的方法来改变网络的虚拟惯量;虚拟同步发电机2的h由7递增至11,虚拟同步发电机4的h由11递减至7,同时保持网络的总虚拟惯量水平不变;
在t=10s时,在5号节点加入一个负荷突增事件,突增负荷3为100mw,在相同虚拟惯量水平条件下,随着虚拟同步发电机2、4的虚拟惯性时间常数h分别增大、减小,整个系统的频率最大跌落幅值减小,频率扰动抑制能力显著提高;
利用多机系统网络惯量中心指标ω*,找到网络的虚拟惯量中心节点区间,由式(19)得网络虚拟惯量中心点相对于负荷突增点的距离;从网络中各区域不同虚拟惯性时间常数h下的虚拟惯量中心与负荷突增节点5的距离,得出随着虚拟同步发电机2虚拟惯性时间常数h的递增,x逐渐减小,也就是虚拟惯量中心点越趋近于负荷突增点;
网络中各个节点的频率偏差和d2,看出随着虚拟同步发电机2虚拟惯性时间常数h的递增,d2逐渐减小;与虚拟惯量中心点至负荷突增点的距离x呈正相关;
对比可知,当虚拟惯量中心点逐渐向扰动点靠近时,网络中各台同步发电机的频率最大跌落幅值明显降低,整个网络的频率水平提高;验证了同步发电机下惯量中心的改变能改善网络频率可以映射到虚拟同步发电机,令虚拟惯量中心点靠近扰动点能提高网络的频率稳定;
b)同时发现阻尼系数d在抑制频率扰动方面具有良好的效果,令阻尼中心靠近负荷突增点,发现能有效地抑制频率的波动,且效果明显;当阻尼中心点逐渐向扰动点靠近时,网络中各台同步发电机的频率最大跌落幅值也明显降低,有效地抑制频率的波动,相比虚拟惯性时间常数h的效果更优。
8.根据权利要求1的述的基于vsc主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法,其特征是:所述网络弱惯量区域添加新的惯量:当网络故障点出现在弱惯量区域,无法进一步提高弱惯量区域的惯量水平时,通过外加惯量来进一步提高网络的抗扰动能力;利用零功率的虚拟同步发电机作为外加惯量设备。
9.根据权利要求1的述的基于vsc主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法,其特征是:所述网络弱惯量区域添加新的惯量:在弱惯量区域的负荷1发生负荷突增事件,同步发电机1的惯性时间常数为6.5,同步发电机3和4的惯性时间常数为6.175,发电机2采用pq控制,利用第三节惯量识别方法,算出发电机2的等效惯性时间常数为0.2,根据公式:
式中:s1为发电机1的惯性时间常数,s2为发电机2的惯性时间常数。
得出一区的等效惯量hcoi1为3.35,二区的等效惯量hcoi1为6.175;同时根据各台发电机的频率,求出惯量中心点频率为50.206hz,位于6号和7号节点中间,因此,网络的惯量中心点偏向于强惯量区域。
10.根据权利要求1的述的基于vsc主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法,其特征是:所述网络弱惯量区域添加新的惯量:在弱惯量区域和强惯量区域分别添加惯量,在弱惯量区域进一步添加主动支撑控制发电机,将提高弱惯量区域的惯量水平,使网络的惯量中心向左偏移,更靠近扰动点,对网络的频率波动具有较好的抑制效果,而在强惯量区域,则效果不太明显;在弱惯量区域主动支撑控制在瞬间能释放较多的能量来提供惯量支撑,在强惯量区域释放较少。