弹性力学映射的电力系统能量结构及其在低频振荡分析中的应用

低频振荡是威胁电力系统稳定的重要问题之一。电网互联及新能源大规模接入导致系统规模庞大、运行方式多变、系统模型复杂,低频振荡问题分析难度随之增大,此外,电网运行人员也亟需更全面的决策信息以应对系统中出现的复杂低频振荡现象。同时,广域量测技术的不断发展为实现全网低频振荡的在线监控和分析创造了有利的条件。面对上述并存的挑战和机遇,论文将弹性力学中振荡分析的能量原理引入电力系统低频振荡研究中,从能量特性解析角度揭示低频振荡阻尼产生机理,研究基于电力系统能量结构的低频振荡定量分析方法,并探索该方法在同步发电机阻尼精细化评估,主振荡路径在线识别以及含风电电力系统阻尼溯源中的应用,为有效识别阻尼贡献关键环节、实现从局部量测窥探系统全局阻尼特性、丰富低频振荡紧急控制决策信息提供了切实可行的新思路。本论文的主要工作如下:(1)在电力网络和弹性网络相似性分析的基础上,提出了电力系统弹性力学拓扑映射模型,并根据映射弹性模型受扰后“功-能”转化特点,推导了多机电力系统中发电机、电力网络和负荷的能量函数,上述能量函数满足能量守恒定律,为从能量角度研究电力系统低频振荡创造了条件。(2)分析了映射所得的电力系统各部分能量函数的组成特性,揭示了系统各部分耗散能量的物理意义,重塑了对电力系统能量函数概念的认识;构建了满足能量守恒定律的电力系统能量结构,并在能量结构的框架下,引入力学中阻尼损耗因子概念分析耗散能量与阻尼比之间的联系,进而从能量角度深入认识阻尼机理,实现电力系统阻尼的分散化表征;运用耗散能量与阻尼的关系,从耗散能量产生的角度解释了发电机励磁和调速系统可能在低频振荡中产生负阻尼的机理,为基于耗散能量评估发电机在低频振荡过程中的阻尼贡献提供了理论基础。(3)定义了量化评估低频振荡过程中发电机阻尼贡献的发电机阻尼损耗因子指标,在系统仅依赖发电机提供阻尼的情况下,分析了发电机阻尼损耗因子与特征值分析所得阻尼比之间的定量关系;为实现多振荡模式下发电机阻尼损耗因子的计算,研究了发电机耗散能量的模式成分,提出了基于多尺度线调频基稀疏信号分解的振荡信号特征提取方法;以发电机阻尼损耗因子计算为基础,提出了发电机阻尼精细化评估方法,并分析了其在线应用的潜力。(4)研究了能量结构中耗散能量的时域特征,在可利用信号时域特征提取耗散能量的驱动下,推导了两种不同形式的电力系统能量结构——支路型能量结构和计及并网风电的端口型能量结构;考虑弱阻尼振荡情况下,主导振荡路径识别是低频振荡管控措施实施的基础,在推导的支路型能量结构框架下,提出了基于支路耗散能量指标的低频振荡主导振荡路径在线识别方法;针对实际系统中风电场建模复杂的特点,定义了基于发电机出口量量测的端口型阻尼损耗因子,提出了基于端口型能量结构的含风电电力系统阻尼在线溯源方法。