本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，具體地，涉及一種計及死區(qū)非線性的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

目前在電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測方法中，往往忽略調(diào)速器死區(qū)的作用。調(diào)速器死區(qū)決定了發(fā)電機參與一次調(diào)頻的程度，死區(qū)越小調(diào)速器對頻率偏差的反應(yīng)越快，能更快速調(diào)用發(fā)電機備用抑制頻率下降。另一方面，為了避免頻繁調(diào)節(jié)帶來的機械磨損需要設(shè)置一定大小的死區(qū)。適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)設(shè)置有助于維持頻率穩(wěn)定并提供合理的調(diào)速器響應(yīng)，電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻能力也隨死區(qū)大小而不同。調(diào)速器死區(qū)對穩(wěn)態(tài)頻率也有重要影響，定量評估死區(qū)對穩(wěn)態(tài)頻率的影響是提高穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測準(zhǔn)確性的有效方法。

綜上所述，本申請發(fā)明人在實現(xiàn)本申請發(fā)明技術(shù)方案的過程中，發(fā)現(xiàn)上述技術(shù)至少存在如下技術(shù)問題：

在現(xiàn)有技術(shù)中，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測方法存在沒有考慮調(diào)速器死區(qū)的作用，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種計及死區(qū)非線性的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測方法，解決了現(xiàn)有的電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測方法存在沒有考慮調(diào)速器死區(qū)的作用，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確的技術(shù)問題，實現(xiàn)了減小了穩(wěn)態(tài)頻率計算的誤差，提高了穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測準(zhǔn)確性的技術(shù)效果。

為解決上述技術(shù)問題，本申請?zhí)峁┝艘环N計及死區(qū)非線性的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測方法，包括：

A、獲取相關(guān)模型參數(shù)

輸入電力系統(tǒng)模型，包括所有機組的發(fā)電機、調(diào)速器與原動機模型以及模型的參數(shù)，擾動功率Δp_L；

B、簡化調(diào)速器-原動機模型

將每臺機組的調(diào)速器-原動機模型簡化為傳遞函數(shù)為的一階模型，其中N_i(b_i,A,R_i)為包含調(diào)速器調(diào)差系數(shù)R_i、調(diào)速器死區(qū)b_i、以及擾動后系統(tǒng)慣性中心最大頻率偏差A(yù)的函數(shù)；時間常數(shù)T_i通過最小二乘法擬合在確定階躍輸入下的原始調(diào)速器-原動機模型的響應(yīng)曲線確定；

C、計算計及死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)

基于經(jīng)典的頻率響應(yīng)模型(SFR:System Frequency Response)，將SFR的閉環(huán)打開，將調(diào)速器的輸入設(shè)置為隨時間線性變化的頻率偏差，所有調(diào)速器用B步中的簡化模型替代，建立新的頻率響應(yīng)模型，根據(jù)新的頻率響應(yīng)模型迭代求解計及死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)；建立如圖1所示的頻率響應(yīng)模型。根據(jù)該模型迭代求解計及死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)，該調(diào)差系數(shù)考慮了死區(qū)對穩(wěn)態(tài)頻率的影響。

經(jīng)典的SFR模型是一個閉環(huán)系統(tǒng)，并且所有調(diào)速器等效為一臺模型。本發(fā)明的模型首先將SFR模型的發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差輸出到調(diào)速器輸入的連接斷開，由此打開閉環(huán)系統(tǒng)。調(diào)速器的輸入設(shè)置為作為所有調(diào)速器的輸入，其中t是時間變量，H_eq是系統(tǒng)慣性中心的慣性大小，D是系統(tǒng)阻尼系數(shù)。每一臺調(diào)速器簡化為B步中的簡化模型并由并聯(lián)的方式連接到系統(tǒng)等值發(fā)電機上。

D、計算擾動后系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率

根據(jù)A步中獲取的參數(shù)和擾動功率Δp_L，結(jié)合C步中獲取的調(diào)差系數(shù)，利用頻率穩(wěn)定分析直接法求解系統(tǒng)慣性中心的穩(wěn)態(tài)頻率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：提供一種計算等效調(diào)差系數(shù)的方法，該調(diào)差系數(shù)能計及死區(qū)非線性，結(jié)合穩(wěn)態(tài)頻率分析直接法快速預(yù)測穩(wěn)態(tài)頻率，減小因忽略死區(qū)而帶來的計算誤差。

計算能夠反映死區(qū)對穩(wěn)態(tài)頻率影響的調(diào)差系數(shù)，具體作法為：設(shè)定死區(qū)效應(yīng)的等效調(diào)差系數(shù)R_Di為B步中的簡化模型的分母的倒數(shù)，即

上述步驟A確定電力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的具體作法為：

A1、獲取發(fā)電機組i的參數(shù)與配置調(diào)速器-原動機模型

獲取發(fā)電機組i的容量S_i、慣性時間常數(shù)M_i，以及配置的調(diào)速器-原動機傳遞函數(shù)模型，獲取該調(diào)速器的死區(qū)大小b_i，調(diào)差系數(shù)R_i；

A2、獲取擾動功率Δp_L；

步驟A中所獲取的參數(shù)均為電力系統(tǒng)常用參數(shù)，通過仿真數(shù)數(shù)或查詢資料即可方便獲得。

上述步驟B簡化機組i的調(diào)速器-原動機模型，具體作法如下：

B1、將發(fā)電機組i的調(diào)速器-原動機模型簡化為一階模型

其中N_i(b_i,A,R_i)為包含調(diào)速器單位調(diào)節(jié)功率R_i、調(diào)速器死區(qū)b_i、以及擾動后系統(tǒng)慣性中心最大頻率偏差A(yù)的函數(shù)，等效為計及死區(qū)非線性后的單位調(diào)節(jié)功率；

B2、死區(qū)線性化

對于含死區(qū)的非線性調(diào)速器-原動機系統(tǒng)，輸入與輸出之間的關(guān)系可以利用間隙特性進行描述，如圖2所示。

利用描述函數(shù)法將死區(qū)進行線性化，得到計及死區(qū)非線性的單位調(diào)節(jié)功率表達式為：

B3、確定簡化模型的時間常數(shù)

利用頻率階躍響應(yīng)試驗確定機組i的時間常數(shù)T_i，具體方法是：先向原模型輸入幅值為0.01pu的頻率階躍信號，記錄輸出信號隨時間變化的曲線；給簡化模型輸入同樣幅值的頻率階躍信號，將輸出利用最小二乘擬合法擬合原模型的輸出來確定時間常數(shù)T_i。

該簡化模型提供了主動脈死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)的數(shù)學(xué)表達式，而調(diào)差系數(shù)是穩(wěn)態(tài)決定頻率的重要因素。

上述步驟C計算計及死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)，具體作法如下：

根據(jù)圖1所建立的頻率響應(yīng)模型，可以得到下列方程組：

其中，H_eq是系統(tǒng)的慣性中心的等值慣性，D是系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。利用牛頓-拉夫遜迭代法即可求解出未知數(shù)C₁～C_m，最終N₁～N_m的值也能求解出。計及死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)即為N_i的倒數(shù)。

等效調(diào)差系數(shù)的計算十分快速，可有效應(yīng)用于在線計算。

上述步驟D計算擾動后系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率，具體作法如下：

D1、迭代求解C_i

節(jié)點i注入功率為

Pi和Qi分別是節(jié)點i的有功和無功注入功率，G_ij和B_ij是節(jié)點i和j的互阻抗，θ_ij是節(jié)點i和j的相角差，m是節(jié)點總數(shù)。根據(jù)潮流方程的泰勒展開式，節(jié)點的功率增量方程為：

ΔP和ΔQ分別是有功和無功增量，Δθ和ΔV分別是相角差和電壓的增量，與常規(guī)潮流方程的雅克比矩陣相同。

1)發(fā)電機節(jié)點的注入功率為：

P_i＝P_ei＝P_mi-P_ai (2)

P_ai＝P_mi-P_ei (3)

P_mi、P_ei和P_ai分別是機械功率、電磁功率和加速功率，對(2)求增量方程得到:

和P_ai∞分別是加速功率的0+瞬時值和穩(wěn)態(tài)值，R_Gi是第i臺發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)，Δω是頻率增量，和ω_∞分別是頻率0+瞬時值和穩(wěn)態(tài)值。由于系統(tǒng)頻率在故障線路后發(fā)生瞬時變化，同故障前系統(tǒng)頻率相同。

故障后穩(wěn)態(tài)機械頻率與電磁頻率相同，因此P_ai∞等于0，則(4)可以改寫為：

2)負荷節(jié)點的注入功率表達式為

功率增量方程為

如果考慮負荷的頻變效應(yīng)和壓變效應(yīng)，則(8)可以表達為

P_1j和Q_1j為節(jié)點j消耗的功率，V_1j是節(jié)點j的電壓。

將(6)式和(9)式代入(1)中得到

K_G是所有發(fā)電機調(diào)差系數(shù)的倒數(shù)矩陣，是故障發(fā)生后瞬間發(fā)電機的加速功率，N_L′和L_L′除了j行j列的元素減去節(jié)點j的壓變方程表達式外其余與N_L和L_L相同。頻率偏差Δω通過求解(13)得到。故障后穩(wěn)態(tài)頻率值為

利用本方法能快速計算出系統(tǒng)擾動后穩(wěn)態(tài)頻率，不需要迭代，可應(yīng)用于在線預(yù)測。

本申請?zhí)峁┑囊粋€或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測是實施自動切負荷措施的重要先決條件，然而現(xiàn)有的方法都沒有考慮調(diào)速器的死區(qū)作用，本發(fā)明提出了計及死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)計算方法，結(jié)合頻率穩(wěn)態(tài)分析直接法對擾動后的穩(wěn)態(tài)頻率進行預(yù)測，本方法能夠定量考慮死區(qū)對穩(wěn)態(tài)頻率的影響，提高了電力系統(tǒng)中切機故障后的穩(wěn)態(tài)頻率計算的準(zhǔn)確性。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定；

圖1是本申請中計及死區(qū)的頻率響應(yīng)模型示意圖；

圖2是本申請中含死區(qū)的調(diào)速器-汽輪機間隙特性示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種計及死區(qū)非線性的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測方法，解決了現(xiàn)有的電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測方法存在沒有考慮調(diào)速器死區(qū)的作用，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確的技術(shù)問題，實現(xiàn)了減小了穩(wěn)態(tài)頻率計算的誤差，提高了穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測準(zhǔn)確性的技術(shù)效果。

為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在相互不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述范圍內(nèi)的其他方式來實施，因此，本發(fā)明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。

本申請?zhí)峁┝艘环N計及死區(qū)非線性的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測方法，具體實施方式如下：

A、獲取相關(guān)模型參數(shù)

輸入電力系統(tǒng)模型，包括所有機組的發(fā)電機、調(diào)速器與原動機模型以及模型的參數(shù)，擾動功率Δp_L；

A1、獲取發(fā)電機組i的參數(shù)與配置調(diào)速器-原動機模型

獲取發(fā)電機組i的容量S_i、慣性時間常數(shù)M_i，以及配置的調(diào)速器-原動機傳遞函數(shù)模型，獲取該調(diào)速器的死區(qū)大小b_i，調(diào)差系數(shù)R_i；

A2、獲取擾動功率Δp_L。

B、簡化調(diào)速器-原動機模型

將每臺機組的調(diào)速器-原動機模型簡化為傳遞函數(shù)為的一階模型，其中N_i(b_i,A,R_i)為包含調(diào)速器調(diào)差系數(shù)R_i、調(diào)速器死區(qū)b_i、以及擾動后系統(tǒng)慣性中心最大頻率偏差A(yù)的函數(shù)；時間常數(shù)T_i通過最小二乘法擬合在確定階躍輸入下的原始調(diào)速器-原動機模型的響應(yīng)曲線確定；

B1、將發(fā)電機組i的調(diào)速器-原動機模型簡化為一階模型

其中N_i(b_i,A,R_i)為包含調(diào)速器單位調(diào)節(jié)功率R_i、調(diào)速器死區(qū)b_i、以及擾動后系統(tǒng)慣性中心最大頻率偏差A(yù)的函數(shù)，等效為計及死區(qū)非線性后的單位調(diào)節(jié)功率；

B2、死區(qū)線性化

對于含死區(qū)的非線性調(diào)速器-原動機系統(tǒng)，輸入與輸出之間的關(guān)系可以利用間隙特性進行描述，如圖2所示。

利用描述函數(shù)法將死區(qū)進行線性化，得到計及死區(qū)非線性的單位調(diào)節(jié)功率表達式為：

B3、確定簡化模型的時間常數(shù)

利用頻率階躍響應(yīng)試驗確定機組i的時間常數(shù)T_i，具體方法是：先向原模型輸入幅值為0.01pu的頻率階躍信號，記錄輸出信號隨時間變化的曲線；給簡化模型輸入同樣幅值的頻率階躍信號，將輸出利用最小二乘擬合法擬合原模型的輸出來確定時間常數(shù)T_i。

C、計算計及死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)

基于經(jīng)典的頻率響應(yīng)模型，將模型的閉環(huán)打開，將調(diào)速器的輸入設(shè)置為隨時間線性變化的頻率偏差，所有調(diào)速器用B步中的簡化模型替代，建立如圖1所示的頻率響應(yīng)模型。根據(jù)該模型迭代求解計及死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)，該調(diào)差系數(shù)考慮了死區(qū)對穩(wěn)態(tài)頻率的影響。

根據(jù)圖1所建立的頻率響應(yīng)模型，可以得到下列方程組：

其中H_eq是系統(tǒng)的慣性中心的等值慣性，D是系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。利用牛頓-拉夫遜迭代法即可求解出未知數(shù)C₁～C_m，最終N₁～N_m的值也能求解出。計及死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)即為N_i的倒數(shù)。

D、計算擾動后系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率

根據(jù)A步中獲取的參數(shù)和擾動功率Δp_L，結(jié)合C步中獲取的調(diào)差系數(shù)，利用頻率穩(wěn)定分析直接法求解系統(tǒng)慣性中心的穩(wěn)態(tài)頻率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：提供一種計算等效調(diào)差系數(shù)的方法，該調(diào)差系數(shù)能計及死區(qū)非線性，結(jié)合穩(wěn)態(tài)頻率分析直接法快速預(yù)測穩(wěn)態(tài)頻率，減小因忽略死區(qū)而帶來的計算誤差。

D1、迭代求解C_i

節(jié)點i注入功率為

Pi和Qi分別是節(jié)點i的有功和無功注入功率，G_ij和B_ij是節(jié)點i和j的互阻抗，θ_ij是節(jié)點i和j的相角差，m是節(jié)點總數(shù)。根據(jù)潮流方程的泰勒展開式，節(jié)點的功率增量方程為：

ΔP和ΔQ分別是有功和無功增量，Δθ和ΔV分別是相角差和電壓的增量，與常規(guī)潮流方程的雅克比矩陣相同。

1)發(fā)電機節(jié)點的注入功率為：

P_i＝P_ei＝P_mi-P_ai (2)

P_ai＝P_mi-P_ei (3)

P_mi、P_ei和P_ai分別是機械功率、電磁功率和加速功率，對(2)求增量方程得到:

和P_ai∞分別是加速功率的0+瞬時值和穩(wěn)態(tài)值，R_Gi是第i臺發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)，Δω是頻率增量，和ω_∞分別是頻率0+瞬時值和穩(wěn)態(tài)值。由于系統(tǒng)頻率在故障線路后發(fā)生瞬時變化，同故障前系統(tǒng)頻率相同。

故障后穩(wěn)態(tài)機械頻率與電磁頻率相同，因此P_ai∞等于0，則(4)可以改寫為：

2)負荷節(jié)點的注入功率表達式為

功率增量方程為

如果考慮負荷的頻變效應(yīng)和壓變效應(yīng)，則(8)可以表達為

P_1j和Q_1j為節(jié)點j消耗的功率，V_1j是節(jié)點j的電壓。

將(6)式和(9)式代入(1)中得到

K_G是所有發(fā)電機調(diào)差系數(shù)的倒數(shù)矩陣，是故障發(fā)生后瞬間發(fā)電機的加速功率，N_L′和L_L′除了j行j列的元素減去節(jié)點j的壓變方程表達式外其余與N_L和L_L相同。頻率偏差Δω通過求解(13)得到。故障后穩(wěn)態(tài)頻率值為

上述本申請實施例中的技術(shù)方案，至少具有如下的技術(shù)效果或優(yōu)點：

電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率預(yù)測是實施自動切負荷措施的重要先決條件，然而現(xiàn)有的方法都沒有考慮調(diào)速器的死區(qū)作用，本發(fā)明提出了計及死區(qū)非線性的調(diào)差系數(shù)計算方法，結(jié)合頻率穩(wěn)態(tài)分析直接法對擾動后的穩(wěn)態(tài)頻率進行預(yù)測，本方法能夠定量考慮死區(qū)對穩(wěn)態(tài)頻率的影響，提高了電力系統(tǒng)中切機故障后的穩(wěn)態(tài)頻率計算的準(zhǔn)確性。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。