电力系统动态控制理论与技术-清华讲座

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1、电力系统动态控制理论与技术电力系统动态控制理论与技术 孙元章、程林 清华大学电机系电力系统研究所 二OO三年十一月 电网发展的关键技术 超高压交、直流输电技术 大规模电网的运行与控制技术 大规模电网的保护技术 大规模电网的稳定监测技术 大规模电网的分析与仿真技术 大规模电网的连锁故障机理及预防 大规模电网的市场化运行模式 超高压交流输电技术的发展 1965年魁北克电网建成735kV线路 1969年美国AEP电力公司建成765kV线路 80年代巴西伊泰普工程的765kV输电系统 前苏联建成的1150kV的特高压线路 1992年日本建成的1000kV的特高压线路 中国西北电网正在拟建的750kV线

2、路 目前中国电网的500kV输电网络 超高压直流输电技术的发展 1954年建成的瑞典的海底直流输电 1972年建成的Quebec与New Brunswick 之间的HVDC 巴西伊泰普的600kV的直流输电系统 前苏联埃基巴斯图兹至欧洲中部750kV 的直流输电系统 500kV的直流输电系统已大规模应用 特高压交流输电的优越性 线路的电压等级是确定其传输能力的关 键因素 采用特高压输电提高了走廊的利用率 能有效限制系统的短路电流 当输电距离和输电容量达到一定数量时， 特高压输电是比较经济的 提高输电电压对减少线路损耗有明显效 果 超高压直流输电的优越性 可以实现两个不同频率的交流电网之间 的非

3、同期联网 易于实现地下或海底电缆输电方式 直流线路本身没有稳定问题，其传输功 率远大于交流线路的传输功率 直流系统的绝缘水平比同等电压的交流 系统低50%左右 提高交流输电能力-常规技术 500kV两端落点电网应足够强 大电厂和大机组直接接入500kV网架 保护的速度直接影响暂态传输极限 大机组的励磁控制技术 输电线路的固定串联补偿技术 暂态稳定性的计算模型和参数 提高交流输电能力-紧奏型输电 采用多根分裂导线并优化导线排列，提 高电晕的起始电压，降低波阻抗，提高 线路的自然功率 紧奏型输电线路比常规线路的输电走廊 明显减小，输送功率比常规线路提高近 20%至50% 但充电功率大、无功补偿容量

4、增加、相 间电容大而潜供电流不易熄灭等 提高交流输电能力-FACTS技术 可控串联补偿（TCSC）装置可实现对交 流输电线路的阻抗实现灵活控制 可控移相控制（TCPS）装置可实现电压 相角的灵活控制 静止无功补偿器（StatCom）装置可实现 灵活的无功补偿，调节母线电压的幅值 FACTS可有效改善电网的电压稳定和功 角稳定水平 改善超高压直流输电的技术 利用直流调制技术提高交流输电系统的 传输功率 利用直流紧急功率提升技术提高受端电 网的暂态稳定性 利用直流输电系统的潮流反转技术提高 送端电网的暂态稳定性 利用新型高压直流换流技术减小换流站 的无功需求和谐波 大电网互联的运行控制技术 互联电

5、力系统低频振荡分析与控制 低频振荡分析模型线性化模型 低频振荡分析方法特征值分析 低频振荡模式地区振荡和区域振荡模式 低频振荡控制手段发电机励磁、调速器、直 流调制、FACTS控制设备 低频振荡控制设计方法现代控制设计方法 大电网互联的运行控制技术 低频振荡分析与控制存在的问题 网络参数和控制系统模型的精度 大规模电网的特征值计算技术的困难 多机电力系统PSS和LOEC协调设计的困难 单机PSS调试仅对应于地区振荡模式 如何协调多机PSS拟制区域振荡 PSS和LOEC如何适应电力系统运行方式的 变化 大电网互联的运行控制技术 低频振荡控制问题的解决方案 利用GPS的广域相量量测技术（WAMS）

6、 基于WAMS设计全网协调的PSS 基于WAMS设计全状态反馈的LOEC 基于WAMS设计直流调制控制拟制区域振 荡模式 基于WAMS的FACTS全局控制及其实现 大电网互联的运行控制技术 互联电力系统次同步振荡的起因 由发电机高增益励磁控制诱发次同步振荡 由发电机调速器诱发的次同步振荡 由HVDC输电系统诱发的次同步振荡 由串联电容补偿诱发的次同步振荡 由发电机自励磁诱发的次同步振荡 有电网投切扰动诱发的次同步振荡 大电网互联的运行控制技术 互联电力系统次同步振荡分析与控制 建立发电机的轴系模型 建立励磁系统及控制的详细模型 建立调速系统及控制的详细模型 建立直流输电及控制系统的详细模型 建

7、立串联补偿装置及控制的详细模型 建立联立的线性状态方程 利用特征值分析方法和参数灵敏度分析次同步振荡 模式的产生机理和拟制措施 大电网互联的运行控制技术 大规模电网的暂态稳定性问题 暂态稳定性计算严重依赖于模型和参数 电力系统元件模型的参数与结构 各种负荷模型的比例和参数 各种控制系统的模型和参数 超高压交流输电线路的暂态模型 超高压直流输电系统的暂态模型 各种FACTS设备的暂态模型 大电网互联的运行控制技术 稳定性离线分析(Step by Step) 对于给定的系统结构和参数 ),(0),( PSUYXGPSUYXFX 大电网互联的运行控制技术 安全稳定性离线分析的优点 可以考虑电力系统中

8、的任何复杂模型 可以考虑电力系统中的任何控制作用 采用并行计算可达到实时的要求 缺点 计算结果严重依赖于电力系统模型和参数 安全裕度未知 大电网互联的运行控制技术 安全稳定性在线评估(TEF、EEAC) 建立电力系统的暂态能量函数 计算故障后系统的临界势能 )(usPLXV)()()()()()(usPLCCusPLCCusPLCCXVXVXVXVXVXV)X(V)X(V)X(VPK系统稳定 系统不稳定 系统临界稳定 大电网互联的运行控制技术 在线分析的优点 安全稳定评估速度快 能量刻划了电力系统的本质 不足 复杂模型的能量刻划没有解决 各种控制对系统注入能量的刻划 评估精度与模型结构和参数的

9、关系 全网同步监测系统 大电网互联的运行控制技术 大电网互联的运行控制技术 基于GPS的新一代动态安全监测系统 通过GPS直接测量电力系统的功角曲线 大电网互联的运行控制技术 大规模电网的暂态稳定性控制 大型发电机组的励磁与汽门控制 直流输电系统的功率的紧急提升 FACTS设备的控制技术 基于WAMS的区域稳定控制系统（切机、切 负荷） 基于WAMS的网络结构控制技术 合理的无功控制可有效改善电力系统的暂态 稳定性 大电网互联的运行控制技术 电压稳定性破坏的大面积停电事故 美国东部时间月日时分美国 东北部和加拿大联合电网发生大面积停电事 故。在事故发生期间,电压在0.5秒内跌落到 约0.6 p

10、.u, 大量感应电动机减速并在故障 清除后吸收大量电流并堵转, 随后电压在 0.6 p.u附近停留了大约1分钟后, 开始非常 缓慢上升, 8分钟后恢复到0.9 p.u, 然而在 此期间,不少发电机因低频而跳闸, 使大量 负荷被切, 最终导致大范围停电. 大电网互联的运行控制技术 电网互联后, 网架较薄弱的电网电压稳定水平 可能降低; 多条大容量直流输电线路在受端电网集中落点 可能引起受端电网电压稳定性问题; 小送端电网大规模直流外送时, 受端电网的故 障可能影响送端电网的稳定; FACTS装置的非线性模型将极大地加剧了系统 电压不稳定的程度. 大电网互联的运行控制技术 电压不稳定性现象及引起的

11、原因 电压稳定性的定义和电压稳定性的机理 电压稳定性与功角稳定性的机理 电压稳定性的时序分类 电压稳定性研究中的模型问题 电压稳定性的分析方法, 判据和指标研究 电压稳定性的在线监视和预防控制及紧急控制 大电网互联的运行控制技术 大规模电网的静态电压稳定性 静态电压稳定性的分析方法潮流Jacorb矩 阵的特征值、连续潮流法 静态电压稳定性的分析目的从电压稳定性 出发计算电网的最大传输功率极限 研究电网无功补偿对电网传输能力的改善与 提高 对互联电网的系统结构性电压稳定进行分析; 大电网互联的运行控制技术 大规模电网的动态电压稳定性 研究有载调压变压器的调节过程对动态电压 稳定性的影响 研究发电

12、机电枢电流限制器的调节过程对动 态电压稳定性的影响 电压变化的动态对直流换相失败的影响 研究动态无功补偿的效果（SVC、Stacom) 研究防止动态电压崩溃与静态电压无功裕度 的配置及落点的关系 大电网互联的保护技术 现有的继电保护能否满足更高一级电压（750kV） 网络对动作速度、暂态性能的要求 大功率电力电子设备的暂态过程与交流系统保护 的交互影响 电力系统元件主保护相互独立，故障元件被切除 后是否会产生连锁的元件保护依次动作，导致类 似美、加的大停电事故网络保护问题 反应故障暂态分量的保护新原理研究：不是滤除 而是利用故障暂态分量，区分元件内、外部故障， 利用单端暂态量实现线路保护全线速

13、动。 大电网互联的保护技术 “输电断面”保护系统的研究：利用输电断面 的广域运行信息，预测单元件故障被切除后断 面其它元件的运行状态，动态改变保护定值， 以避免非故障元件被连锁切除。 基于多Agent的网络保护与紧急控制一体化的 研究：基于多Agent代理机制的分层分布式控 制网络技术，预测“输电断面”保护方式仍不 能维持互联系统的稳定时，快速计算控制对策 并执行。 大电网互联的保护技术 基于光纤数字互感器的信息理论研究：对光纤二次回路网络结构、可靠性、容错性、信息表达、信息流控制及信息协调、分解理论等进行系统研究，解决信息合并、 光电接口、信息共享、信息分配、信息同步等关键技术问 题。 光纤

14、数字式互感器的应用研究：以数字式二次回路为基础，提升传统的母差保护、变压器纵差保护的性能，并研究变压器故障诊断与保护一体化的新原理。 。 大电网互联的区域稳定控制技术 已有的区域稳定控制技术是基于离线稳定计算 生成决策表，根据实际故障信息的检测与决策 表对应，实施切机切负荷措施 根据运行方式的变化实时修改决策表，根据实 际故障信息的检测与决策表对应，实施切机切 负荷措施 基于同步相量测量技术发展电力系统的紧急控 制理论与技术，利用暂态故障下测得的功角、 角速度和加速功率等，计算电力系统的切机、 切负荷容量、地点基于角度的控制理论 大电网互联的区域稳定控制技术 发展用于电力系统动态安全性评价的实

15、用动态 安全域和保证电压稳定的实用静态安全域直接 法 提出基于安全域的紧急控制与协调控制的模型 和算法 提出适合于市场运行环境下区域互联电力系统 安全性协同分析和控制技术 大电网连锁故障分析及预防 研究大电网连锁故障的动态学、临界点和自组 织模型，进行连锁故障机理分析 建立大电网连锁故障概率分析模型，元件保护、 控制设备的隐藏失效、输电网络过负荷切除等 概率模型 建立机电暂态和中长期动态的分析理论与计算 方法，综合考虑元件保护与控制、AGC、SVC、 低频和低电压减载以及区域稳定控制系统，形 成连锁故障的分析软件包 提出连锁故障的预防控制策略 含多馈入直流系统的分析和控制 研究包含多馈入直流系统动态、FACTS动态、 以及并行超高压输电线动态的电磁机电暂态 过程安全稳定分析理论和方法 研究含多馈入直流系统的互联电网中交、直流 系统交互影响的机理 对影响电网安全和稳定的主要问题进行全面分 析，包括功角稳定性、电压稳定性及无功补偿、 换相失败及恢复等问题 研究多馈入直流系统的直流调制设计理论和方 法以及交直流系统的协调控制策略，并进行多 馈入交直流系统的实验研究 电力系统数字仿真的发展趋势 电磁暂态分析 主要研究问题 电力电子系统的电磁暂态，如FACTS、HVDC 故障及操作引起的暂态，如操作过电压和工频过电压 系统外部引起的暂态，如雷电过电