多机系统多变量励磁控制下的阻尼守恒、阻尼竞争与阻尼协调

本文从多机电力系统总阻尼的概念出发,证明了多变量励磁控制并不增加电力系统总阻尼.在AVR的基础上附加转速、功角、功率,乃至于附加远方机组任意信号的复杂多变量励磁控制方式下,电力系统总阻尼保持守恒,其数值与单纯AVR控制时相等.由于电力系统所有模式阻尼之和为常数,所以在试图增加某一模式阻尼时必然导致削弱其他模式的阻尼.这是设计多变量励磁规律时的阻尼竞争现象.附加励磁控制的实质仅仅是在各模式阻尼相互竞争、彼此消长中寻求协调与平衡.当系统满足阻尼守恒条件时,给所有模式增加阻尼的企图是不可实现的.     

电力系统阻尼特性规律探索

为了探索电力系统阻尼特性规律,给出了电力系统小干扰稳定模型的一般形式,推导了考虑发电机励磁控制作用、定子侧电阻及线路电阻等情况下单机-无穷大系统小干扰分析线性化数学模型.利用特征分析法,分析了定子侧电阻对振荡模式阻尼的影响,振荡模式总阻尼的守恒现象,阻尼守恒成立的基本条件,阻尼在不同振荡模式之间的传递规律.结果表明:随着励磁放大倍数的增加,系统机电模式阻尼减少,系统阻尼由机电模式流向非机电模式;系统引入电力系统稳定器(PSS)后,系统机电模式总阻尼随着PSS放大倍数的增加而增加,系统阻尼从非机电模式流向机电模式.     

电力系统阻尼特性分析与研究

分别从单机、多机电力系统线性化状态空间模型出发,证明了线性反馈励磁条件下,开环和闭环系统的总阻尼相等、轻载和重载工况下总阻尼相等,即一般电力系统具有阻尼守恒性.通过分析影响总阻尼的诸多因素,得出快速励磁是提供系统强阻尼主要保证,特征值计算和动态仿真证实了快速励磁可以显著改善电力系统小干扰稳定性.由于在不同负荷水平下,系统的总阻尼保持不变,所以只要励磁校正恰当,重负荷不会恶化系统阻尼.最后基于阻尼守恒性,指出在电力系统尤其是多控制器复杂电力系统中存在阻尼竞争现象,阻尼协调既非常必要又有较大难度.     

带PSS的PID励磁控制系统在电力系统中的建模和仿真

从发电机励磁系统数学模型入手,研究了以PID控制方式的自动励磁调节器 (AVR) 为主要控制,附加电力系统稳定器 (PSS) 为辅助控制的励磁控制方式.给出了该励磁控制方式在电力系统中的建模与仿真.根据励磁仿真的结果分析了带PSS的PID励磁控制系统的控制性能,讨论了不同的PSS参与励磁控制对系统控制指标的影响,横向比较不同的PSS参与调节的励磁系统动态响应曲线,为励磁系统的设计和选择提供了依据.     

复杂电力系统中加入控制器时阻尼的分配

对含有发电机、交直流混合输电线路、TCSC和三种控制器(PSS、DCM和TCSC附加阻尼控制)的电力系统建立线性化模型,并用此模型对单机和四机两例进行分析计算,研究其中一种控制器在另外两个控制器存在于系统时,加入系统的阻尼分配情况,得出结论:加入的阻尼大部分分配给该控制器本身环节对应的模式,小部分分配给系统的其它模式;不同控制器可使不同的非机电模式阻尼转化为机电模式阻尼;PSS安装在不同的地点、TCSC引用不同的机组△ω信号,对于DCM和TCSC加入阻尼的分配趋势无影响;PSS安装在不同的励磁机组上,对于其本身加入阻尼的分配趋势有影响.     

考虑阻尼绕组作用的单机无穷大系统线性化模型

基于同步电机阻尼绕组对电力系统动态稳定性的重要影响,建立了考虑阻尼绕组作用的单机无穷大系统线性化ｃ１～ｃ２模型,对该模型与Ｐｈｉｌｌｉｐｓ－Ｈｅｆｆｒｏｎ ｋ１～ｋ６模型在自动励磁调节削弱机电模式阻尼的机理、系统动态稳定性的计算及电力系统稳定器的设计３方面的差别进行了分析和对比,经比较认为：同步电机迟相运行时,自动调节励磁将削弱机电模式的阻尼,此性质与有功负载的大小无关;ｃ１～ｃ１２模型适用于同步     

基于多参数分岔分析方法的多机系统动态负荷裕度研究

采用多参数分岔分析方法对多机系统的动态负荷裕度进行研究,比较了基于连续潮流的分析结果和准静态分析结果的差别;以励磁参考电压Vref为控制参数,研究了多个励磁参考电压可控时系统的分岔点以及失稳模式的变化,给出系统在多励磁调节器(AVR)可控时的最大动态负荷裕度;以静止无功补偿器(SVC)补偿极限B0_max和控制电压参考值Vrefc为可控参变量,分别研究其对系统各种分岔的影响,并着重分析了对Hopf分岔的影响;研究了SVC附加控制对系统阻尼和动态负荷裕度的影响.所有仿真均在WSCC 3机9节点系统实现.     

复杂电力系统中加入控制器时阻尼的分配

对含有发电机、交直流混合输电线路、TCSC和三种控制器(PSS、DCM和TCSC附加阻尼控制)的电力系统建立线性化模型,并用此模型对单机和四机两例进行分析计算,研究其中一种控制器在另外两个控制器存在于系统时,加入系统的阻尼分配情况,得出结论:加入的阻尼大部分分配给该控制器本身环节对应的模式,小部分分配给系统的其它模式;不同控制器可使不同的非机电模式阻尼转化为机电模式阻尼;PSS安装在不同的地点、TCSC引用不同的机组Δω信号,对于DCM和TCSC加入阻尼的分配趋势无影响;PSS安装在不同的励磁机组上,对于     

并网统一潮流控制器影响系统机电振荡模式的阻尼转矩分析

区别于传统统一潮流控制器(UPFC)的附加阻尼控制,从UPFC的电压源换流器的控制特性角度,研究并网UPFC对系统机电振荡模式的动态影响。并网UPFC能够改变系统潮流分布,并与电力系统发生动态交互。UPFC影响系统机电模式主要有两个方面:一是UPFC调节系统潮流分布,影响系统机电模式;二是UPFC与系统同步机之间的动态交互作用影响系统机电模式。新建立的一种含UPFC的多机电力系统"闭环控制系统"型线性化状态空间模型,该模型将UPFC在电力系统中视为多输入—多输出的"功率—电压"型反馈控制器。在所提出该模型的基础上,应用阻尼转矩分析理论量化分析了UPFC与系统的动态交互作用对电力系统机电振荡模式的影响。采用经典的新英格兰10机算例系统,详细分析了UPFC稳态潮流调节、UPFC控制系统动态特性对系统机电模式的影响。非线性仿真验证了所得结论的正确性。     

双馈风机附加阻尼控制环节与PSS的参数协调优化

对于含双馈风电场的多机电力系统,在双馈风机内部引入附加阻尼控制环节可以抑制系统低频振荡,但双馈风机附加阻尼控制环节可能会影响电力系统稳定器(PSS)抑制低频振荡的效果。提出了一种双馈风机附加阻尼控制环节与PSS的参数协调优化方法,设计了兼顾机电振荡模式和非机电振荡模式的阻尼特性的优化目标函数,并给出了基于粒子群算法的求解方法。以三机系统作为算例,优化设计了双馈风机附加阻尼控制环节与PSS的参数。时域仿真结果表明,所提出的参数协调优化方法可以更好地提升系统的阻尼,有利于低频振荡的快速平抑。     

快速求解多机系统机电振荡模式的新算法

提出了一种快速求解多机系统机电振荡模式的新方法,既能避免维数灾问题又能防止出现丢根现象。首先,通过建立发电机的经典模型,计算出多机系统的各振荡模式(特征根虚部)和振荡模态(特征向量);再用等值阻尼系统表示发电机的励磁控制作用对机电振荡模式的影响,推导出只用机组惯性常数M和阻尼系数D及相应的特征向量表示的机电模式的实部估算公式,由此公式估算出相应的实部,从而得到各振荡模式的特征根的初值;根据Heffron-Phillips全系统的状态矩阵和已经估算出的特征根,用反幂法快速求出系统状态矩阵的根,即为此多机系统的全部机电模式特征根。最后,用ENGLAND10机系统算例证明了该方法的有效性。     

高压侧电压控制对电力系统小扰动稳定性的影响

分析了高压侧电压控制(HSVC)对电力系统小扰动稳定性的影响.对Heffron-Philips模型、阻尼转矩系数、特征值、励磁系统的传递函数、电力系统稳定器(PSS)参数整定这五个与小扰动稳定密切相关的问题及其之间的关联影响进行了分析与计算.结果表明:HSVC的引入改变了Heffron-Philips模型系数,随着功率增大,可能使系统更早地出现负阻尼;转子功角模式的阻尼比相对于常规AVR较小;同时增加了励磁系统的滞后角度,若不计入其影响,会减弱PSS的效果;因此需根据实际情况决定是否重新整定PSS参数.     

基于直观线性化模型的同步发电机电磁力矩解析

含阻尼绕组同步发电机电磁力矩系数的传统算式忽略直轴阻尼绕组与励磁绕组的互感,且不考虑自动励磁调节(AVR)的作用。为提高电磁力矩系数计算的准确性,细化关于AVR和阻尼绕组对机组稳定性影响的认识,基于计及阻尼绕组作用的c1-c12模型,采用微振荡法建立了计及AVR以及直轴阻尼绕组与励磁绕组互感的同步发电机电磁力矩系数表达式。基于这些表达式,按是否与AVR有关,将电磁力矩划分为固有分量和受控分量,对交、直轴阻尼绕组,励磁调节主通道等对机组同步能力特别是阻尼能力的影响以及低频振荡的机理进行了详细分析。分析表明,AVR总是削弱机组阻尼;在AVR作用下,交轴阻尼绕组的阻尼作用得到增强,而直轴阻尼绕组反而可能提供负阻尼;外部电抗和有功负载的增大导致固有阻尼能力下降;AVR削弱阻尼的强度不仅与其增益有关,而且随着固有阻尼能力的下降而增强。根据c1-c12模型与Phillips-Heffronk1-k6模型下阻尼力矩系数之差,给出了k1-k6模型等效阻尼系数算式。     

Development of advanced generator excitation control regulator (PSVR) for improving voltage stability of a bulk power transmission system

Earlier generator excitation control systems were based on AVR control of generator terminal voltage. This system cannot accommodate reactive power up to the facility limit even when the power system voltage decreases to the limit for stable operation. An attempt was made to develop an advanced excitation control system (PSVR) to achieve higher constant sending end voltage of power stations. The intent was to apply the system to the generator connected to a 500-kV system which contributes most effectively to the voltage stability of a bulk power transmission system. This PSVR produces higher control gains than the AVR, and the following functions were adopted: (1) AVR gain reduction circuit; (2) phase compensation circuit; and (3) damping improvement by enlarging the limiter of the PSS. In addition, various functions were provided, e.g., voltage slope characteristics to balance the reactive power of adjacent generators and PSVR output and terminal voltage limiter to stabilize the generator operation. Before application to a real system, a transient response test was performed by combining the PSVR and a generator simulator to verify the damping improvement and stability of the voltage control.     

Dynamic stability investigations — Effect of dampin,saturation, governor action and stabilizing link

An automatically controlled power system having a “forced” excitation system, stabilizing link and a fast-acting governing system has been considered for dynamic stability studies. Results are plotted in the form of stability regions in the plane of two AVR parameters using the D-partition technique. A comprehensive study of the effect of damping, saturation, governor action and stabilizing link on the stability limits and on the AVR control parameter settings has been carried out.     

A practical approach to the order reduction of a power system model for small signal stability analysis

A linearized power system model suitable for small signal stability analysis or automatic voltage regulators (AVR) and power system stabilizers (PSS) synthesis is derived in the paper. It is derived using the 5th order synchronous machine model with damping winding, the second order IEEE Type 1 AVR and the third order PSS. A new method of model construction and decoupling is given. Using a singular perturbation method the power system model is separated into decoupled lower order slow and fast subsystems. The new proposed model was tested on a real power system in Serbia.     

Assessment of dynamic stability of large-scale power system by Rayleigh's quotient

A method of assessing dynamic stability of large-scale power system by Rayleigh's quotient is proposed. One-machine infinite-bus systems show damping torque characteristics similar to diagonal components of operational transfer matrices for original multimachine systems, which means that design of PSS with one-machine systems controls those components. An expression for damping constants of oscillation modes is derived based on an energy function and its time derivative for a simplified system representation. This expression demonstrates that oscillations do not necessarily become unstable even if there are some generators with negative damping; and the effect of damping torque is determined by eigenvectors. The expression is generalized with Rayleigh's quotient, and a method of estimating eigenvalues of large-scale power systems is proposed. With this method, approximate eigenvalues are refined to accurate eigenvalues. Only a specified number of eigenvalue analyses are required irrespective of the number of generators, hence much calculation is saved. Finally, this method is applied to a 107-machine system to verify its effectiveness.     

小干扰稳定性分析中按阻尼比递增关键特征子集计算

提出了大规模电力系统小干扰稳定性分析中计算机电振荡模态的一种有效方法。用Jacobi-Davidson方法求取系统状态矩阵按阻尼比递增的特征值子集,抓住了电力系统机电振荡分析问题的本质,避免了大量冗余特征值的计算,大大减少了计算量。另外提出了在Jacobi-Davidson方法中用Arnoldi分解构造初始正交子空间的方法,提高了该方法在迭代初期的计算效率。最后将提出的方法分别在46机和113机系统上进行了试验,结果表明利用所提方法能够有效地求出系统负阻尼和阻尼不足的所有振荡模态,适用于大规模电力系统的机电振荡分析。     

Analysis and assessment of VSC excitation system for power system stability enhancement

The voltage source converter (VSC) excitation system is a novel excitation system based on pulse-width modulation (PWM) voltage source converter, which is proposed as improved alternatives to the conventional thyristor excitation systems. This paper aims to provide theoretical confirmation of power system stability enhancement by the VSC excitation system. The reactive current injected to generator terminals by the VSC excitation system can be controlled flexibly. Its capability of enhancing power system stability is investigated in this paper. The simplified model of VSC excitation system suitable for use in system stability studies is developed. An extended Philips–Heffron model of a single-machine infinite bus (SMIB) system with VSC excitation system is established and applied to analyze the damping torque contribution of the injected reactive current to the power system. This paper also gives a brief explanation on why the VSC excitation system can enhance the transient stability in light of equal area criterion. The results of calculations and simulations show that the injected reactive current of VSC excitation system contributes to system damping significantly and has a great effect on the transient stability. When compared with conventional thyristor excitation systems, the VSC excitation system can not only improve the small-signal performance of the power system, but also can improve the system transient stability limit.     

考虑信息结构约束的协调型非线性优化励磁控制

提出了一种在互联电力系统中考虑信息结构约束条件下协调设计非线性优化励磁控制的方法。基于控制信息结构概念和线性二次型性能指标，将控制设计问题转化为求解扩展Levine—Athans方程组，采用直接迭代算法，可快速、精确地求出增益矩阵，进而得到机组端电压、角频率和功率偏差反馈的非线性优化励磁控制。将该方法应用于一个两区域四机电力系统，数字仿真结果表明：得到的控制策略较传统的AVR／PSS增强了系统的人工阻尼、暂态稳定性和区间传输能力。