水电机组经高压直流外送系统建模及多频段振荡模态分析

杜夏冰; 郭春义; 赵成勇; 徐李清; 张加卿

doi:10.7500/AEPS20210511002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

水电机组经高压直流外送系统建模及多频段振荡模态分析

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 水电机组经高压直流外送系统建模及多频段振荡模态分析
- Modeling and Multi-frequency Oscillation Mode Analysis of Hydropower Unit Integration Through HVDC System
- 电力系统自动化 2022年46卷第4期页码：75-83
- 作者机构：
  
  新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京市 102206
- 作者简介：
  
  杜夏冰(1997—)，女，硕士研究生，主要研究方向：高压直流输电。E-mail：524494711@qq.com
  郭春义(1984—)，男，博士，副教授，博士生导师，主要研究方向：直流输电、柔性交流输电系统。E-mail: chunyiguo@gmail.com
  赵成勇(1964—)，男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：高压直流输电与柔性直流输电技术。E-mail：chengyongzhao@ncepu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金面上项目(51877077)
- DOI：10.7500/AEPS20210511002
  中图分类号：
- 收稿：2021-05-11，
  
  修回：2021-07-23，
  
  网络出版：2021-09-17，
  
  纸质出版：2022-02-25
- 稿件说明：
移动端阅览
杜夏冰,郭春义,赵成勇等.水电机组经高压直流外送系统建模及多频段振荡模态分析[J].电力系统自动化,2022,46(4):75-83.

DU Xiabing,GUO Chunyi,ZHAO Chengyong,et al.Modeling and Multi-frequency Oscillation Mode Analysis of Hydropower Unit Integration Through HVDC System[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(4):75-83.
杜夏冰,郭春义,赵成勇等.水电机组经高压直流外送系统建模及多频段振荡模态分析[J].电力系统自动化,2022,46(4):75-83. DOI： 10.7500/AEPS20210511002.

DU Xiabing,GUO Chunyi,ZHAO Chengyong,et al.Modeling and Multi-frequency Oscillation Mode Analysis of Hydropower Unit Integration Through HVDC System[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(4):75-83. DOI： 10.7500/AEPS20210511002.

摘要

随着电网不断扩大与发展，电力系统出现了水电经高压直流输电系统外送的结构，为保障电网的安全稳定运行，有必要探索该系统是否存在多频段振荡风险。首先，文中建立了水电机组和高压直流输电2个系统的独立模型，并推导了其接口动态方程，进而建立了全系统状态空间模型，并验证了模型的正确性。在此模型基础上，采用特征根分析法对系统进行多频段振荡模态特征识别和影响分析。分析结果表明，外送系统存在超低频、低频、次同步振荡模态。其中，超低频振荡模态除了与水电机组调速器强相关以外，还与整流站定电流控制器弱相关，在高比例水电出力的场景易发生超低频振荡；低频振荡模态与锁相环强相关，锁相环控制参数在合理范围内变化，不会激发系统低频振荡模态；水电机组和高压直流输电系统间电气和多控制环节共同影响次同步振荡模态，当受端电网强度弱时，系统次同步振荡模态被激发，调整励磁增益和整流站/逆变站控制参数可以改善模态阻尼。

Abstract

With the continuous expansion and development of the power grid

the structure of hydropower unit integration through the high voltage direct current (HVDC) transmission system appears in the power grid. In order to ensure the safe and stable operation of the power grid

it is necessary to explore whether the system has the risk of multi-frequency oscillation. First

the independent models of the hydropower unit and the HVDC system are established and the interface dynamic equation is deduced. Then

the state space model of the whole system is established and the correctness of the model is verified. Based on this model

the eigenvalue analysis method is adopted to identify the multi-frequency oscillation mode characteristics of the system and analyze the influence. The analysis results show that the integration system has ultra-low frequency

low frequency and sub-synchronous oscillation modes. The ultra-low frequency oscillation modes are not only strongly related to the hydropower unit governor

but also weakly related to the constant current controller of the rectifier station. The ultra-low frequency oscillation is prone to occur in the scenario of high proportion of hydropower unit. The low frequency oscillation modes are related to the phase-locked loop (PLL)

which will not be excited if the PLL control parameters change within a reasonable range. The sub-synchronous oscillation modes are affected by multiple electrical and control links between the hydropower unit and the HVDC system. When the grid strength is weak at the receiving end

one of the sub-synchronous oscillation modes is excited. The modal damping can be improved by adjusting the excitation gain and the control parameters of the rectifier/inverter station.

关键词

Keywords

references

赵畹君 . 高压直流输电工程技术［M］. 2版 .北京：中国电力出版社， 2011 ： 163 - 184 .

ZHAO Wanjun . High voltage direct current transmission project technology ［M］. 2nd ed . Beijing ： China Electric Power Press ， 2011 ： 163 - 184 .

薛安成，王嘉伟，刘晓博，等 . 电力系统超低频频率振荡机理分析与抑制研究现状与展望［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 2 ）： 553 - 568 .

XUE Ancheng ， WANG Jiawei ， LIU Xiaobo ， et al . Survey and prospect of ultra-low frequency oscillation mechanism analysis and suppression in power system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 2 ）： 553 - 568 .

肖湘宁，李伟，罗超，等 . 特高压直流孤岛运行特性与稳定控制研究综述［J］. 电工技术学报， 2017 ， 32 （ 10 ）： 1 - 11 .

XIAO Xiangning ， LI Wei ， LUO Chao ， et al . Survey on operational characteristics and stability control of ultra-HVDC transmission system in islanded mode ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2017 ， 32 （ 10 ）： 1 - 11 .

刘春晓，张俊峰，陈亦平，等 . 异步联网方式下云南电网超低频振荡的机理分析与仿真［J］. 南方电网技术， 2016 ， 10 （ 7 ）： 29 - 34 .

LIU Chunxiao ， ZHANG Junfeng ， CHEN Yiping ， et al . Mechanism analysis and simulation on ultra-low frequency oscillation of Yunnan power grid in asynchronous interconnection mode ［J］. Southern Power System Technology ， 2016 ， 10 （ 7 ）： 29 - 34 .

宋墩文，杨学涛，丁巧林，等 . 大规模互联电网低频振荡分析与控制方法综述［J］. 电网技术， 2011 ， 35 （ 10 ）： 22 - 28 .

SONG Dunwen ， YANG Xuetao ， DING Qiaolin ， et al . A survey on analysis on low frequency oscillation in large-scale interconnected power grid and its control measures ［J］. Power System Technology ， 2011 ， 35 （ 10 ）： 22 - 28 .

江崇熙 . 电力系统超低频/低频振荡抑制措施研究［D］. 杭州：浙江大学， 2019 .

JIANG Chongxi . Research on suppression approaches of ultra-low frequency and low frequency oscillations in power systems ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2019 .

CHOO Y C ， AGALGAONKAR A P ， MUTTAQI K M ， et al . Analysis of subsynchronous torsional interaction of HVDC system integrated hydro units with small generator-to-turbine inertia ratios ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2014 ， 29 （ 3 ）： 1064 - 1076 .

DU W J ， ZHEN Z J ， WANG H F . The subsynchronous oscillations caused by an LCC HVDC line in a power system under the condition of near strong modal resonance ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2019 ， 34 （ 1 ）： 231 - 240 .

高慧敏，刘宪林，徐政 . 水轮机详细模型对电力系统暂态稳定分析结果的影响［J］. 电网技术， 2005 ， 29 （ 2 ）： 5 - 8 .

GAO Huimin ， LIU Xianlin ， XU Zheng . Effect of detailed hydro turbine models on analysis results of power system transient stability ［J］. Power System Technology ， 2005 ， 29 （ 2 ）： 5 - 8 .

邓伟，王德林，魏蒙希，等 . 水轮机调速器参数对电力系统超低频振荡的影响［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 4 ）： 1371 - 1377 .

DENG Wei ， WANG Delin ， WEI Mengxi ， et al . Influencing mechanism study on turbine governor parameters upon ultra-low frequency oscillation of power system ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 4 ）： 1371 - 1377 .

王鹏，刘天琪，王顺亮，等 . 水电机组超低频振荡小信号模型及影响因素分析［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 18 ）： 5942 - 5955 .

WANG Peng ， LIU Tianqi ， WANG Shunliang ， et al . Small-signal model and influencing factors analysis of ultra-low frequency oscillation in hydropower unit ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 18 ）： 5942 - 5955 .

李青兰，黄伟，陈磊，等 . 电力系统稳定器影响频率振荡的机理及阻尼分析方法［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 1 ）： 67 - 73 .

LI Qinglan ， HUANG Wei ， CHEN Lei ， et al . Mechanism and damping analysis method of impact of power system stabilizer on frequency oscillation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 1 ）： 67 - 73 .

KARAWITA C ， ANNAKKAGE U D . Multi-infeed HVDC interaction studies using small-signal stability assessment ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2009 ， 24 （ 2 ）： 910 - 918 .

薛安成，王嘉伟 . 基于非光滑分岔的单机水电系统超低频频率振荡机理分析［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 7 ）： 1489 - 1497 .

XUE Ancheng ， WANG Jiawei . Mechanism analysis of ultra-low frequency oscillation of single hydropower system based on non-smooth bifurcation ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 7 ）： 1489 - 1497 .

肖湘宁，郭春林，高本锋 . 电力系统次同步振荡及其抑制方法［M］. 北京：机械工业出版社， 2013 .

XIAO Xiangning ， GUO Chunlin ， GAO Benfeng . Subsynchronous oscillation of power system and its suppression method ［M］. Beijing ： China Machine Press ， 2013 .

刘子全 . 发输电设备控制系统对电网振荡特性的影响分析及监测［D］. 武汉：华中科技大学， 2017 .

LIU Ziquan . Analysis and monitoring of the influence of generation and transmission equipment’s control systems on power system oscillations ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2017 .

刘少博，王德林，马宁宁，等 . 水电机组引起的超低频振荡特性及抑制措施研究［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 18 ）： 5354 - 5362 .

LIU Shaobo ， WANG Delin ， MA Ningning ， et al . Study on characteristics and suppressing countermeasures of ultra-low frequency oscillation caused by hydropower units ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 18 ）： 5354 - 5362 .

岳雷，薛安成，李志强，等 . 水轮发电机调速系统对超低频振荡的影响及模型适用性分析［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 1 ）： 227 - 235 .

YUE Lei ， XUE Ancheng ， LI Zhiqiang ， et al . Effects on extra-low frequency oscillation caused by hydro generator governor system and model suitability analysis ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 1 ）： 227 - 235 .

何凤军，刘昌玉，刘肖，等 . 用于电力系统仿真的水电机组原动机模型适应性研究［J］. 水电能源科学， 2017 ， 35 （ 2 ）： 165 - 169 .

HE Fengjun ， LIU Changyu ， LIU Xiao ， et al . Study on adaptability of hydropower unit prime motor model for power system simulation ［J］. Water Resources and Power ， 2017 ， 35 （ 2 ）： 165 - 169 .

郭春义，宁琳如，王虹富，等 . 基于开关函数的LCC-HVDC换流站动态模型及小干扰稳定性［J］. 电网技术， 2017 ， 41 （ 12 ）： 3862 - 3870 .

GUO Chunyi ， NING Linru ， WANG Hongfu ， et al . Switching-function based dynamic model of LCC-HVDC station and small signal stability analysis ［J］. Power System Technology ， 2017 ， 41 （ 12 ）： 3862 - 3870 .

陈威，叶运铭，周保荣，等 . 定电压与预测型定关断角控制对HVDC小干扰稳定性的影响［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 18 ）： 98 - 106 .

CHEN Wei ， YE Yunming ， ZHOU Baorong ， et al . Influence of constant voltage control and predictive constant extinction angle control on small-signal stability of HVDC ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 18 ）： 98 - 106 .

陈磊，路晓敏，陈亦平，等 . 多机系统超低频振荡分析与等值方法［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 22 ）： 10 - 15 .

CHEN Lei ， LU Xiaomin ， CHEN Yiping ， et al . Analysis of ultra-low-frequency oscillations in multi-machine system and equivalent method ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 22 ）： 10 - 15 .

周煜智，徐政 . 描述直流孤岛送电系统的3个指标［J］. 高电压技术， 2017 ， 43 （ 1 ）： 82 - 88 .

ZHOU Yuzhi ， XU Zheng . Three indexes for describing DC island sending systems ［J］. High Voltage Engineering ， 2017 ， 43 （ 1 ）： 82 - 88 .

KUNDUR P . Power system stability and control ［M］. New York， USA ： McGraw-Hill Professional ， 1994 ： 93 - 113 .

郭春义，王烨，赵成勇 . 直流输电系统的小信号稳定性［M］. 北京：科学出版社， 2019 .

GUO Chunyi ， WANG Ye ， ZHAO Chengyong . Small signal stability of HVDC system ［M］. Beijing ： Science Press ， 2019 .

吴广禄，周孝信，王姗姗，等 . 柔性直流输电接入弱交流电网时锁相环和电流内环交互作用机理解析研究［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 9 ）： 2622 - 2633 .

WU Guanglu ， ZHOU Xiaoxin ， WANG Shanshan ， et al . Analytical research on the mechanism of the interaction between PLL and inner current loop when VSC-HVDC connected to weak grid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 9 ）： 2622 - 2633 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

可控换相换流器研制及其工程应用

高压直流输电保护定值整定依据及配合关系探讨

基于IGCT抑制换相失败的关键控制策略