摘要
电力系统低频振荡一直是电力系统安全稳定运行的严重隐患，是一个始终未得到有效解决的复杂理论及工程科学问题，其频率振荡范围一般为0.1Hz~2.5Hz。但近年来，我国水电机组占比较大的电网在运行过程中，出现了一些频率低于上述范围的振荡事件，称之为超低频振荡。超低频振荡在很多连锁型电力系统故障导致的大停电中扮演着重要角色，给电力系统的稳定运行造成了很大的威胁。分析超低频振荡本身存在的机理及其控制策略的研究，对维护电网安全与稳定运行及其今后的长远发展都有重要的理论价值及工程实践意义。 首先，针对近些年来我国水电机组占比较大电网在运行过程中多次出现的长时间、超低频振荡现象，相关研究表明水轮机模型对水电机组超低频振荡行为有重要影响。本文根据广义水轮机基本方程式，在保证水轮机模型简便的前提下，充分考虑水轮机的动态过程，将水轮机输出转矩的暂态分量进行建模简化处理，定义了一个与水轮机固有参数及发电流量变化密切关联的流量因子Tpq，建立了充分考虑流量因子作用下的广义水轮机模型。将所搭建的广义水轮机模型和理想水轮机模型进行对比分析，说明广义水轮机模型能有效提高“水锤”效应等暂态过程模拟的精度。 其次，基于广义水轮机模型从系统的阻尼特性和劳斯判据稳定性两个角度分析了流量因子对水电机组超低频振荡行为的影响，分析结果表明相对于理想水轮机模型，广义水轮机模型中的流量因子能给系统提供更大的阻尼转矩，且当其大于临界稳定值时，系统才能维持稳定状态。并通过在Simulink中搭建单机单负荷模型和在PSCAD中搭建四机两区域系统模型进行仿真验证，仿真结果表明广义水轮机模型下的流量因子有利于抑制水电机组超低频行为，且随着流量因子的增大，系统超低频振荡的抑制效果就越明显。 最后，根据水电机组占比较大电网对超低频振荡的抑制需求，提出一种既能满足水轮机组在受扰动后发电机转速能在最短时间内恢复稳定，又能提升系统在超低频段阻尼水平，使系统在不同扰动情况下具有更强的抗干扰能力的水轮机调速器PID参数优化方法。建立了综合反映系统超低频段阻尼水平和水轮机转速偏差指标(ITAE)的综合优化目标函数。并基于天牛须搜索算法的快速高效寻优策略，构建了改进天牛须粒子群算法，将其应用于水轮机调速系统PID参数优化。通过Schaffer测试函数和在单机及多机系统中对本文所提出来的改进算法的优化效果进行仿真验证，结果表明改进的天牛须粒子群算法能有效提高水轮机调速系统在超低频段的阻尼水平，相对于单独的天牛须搜索算法和粒子群算法更具有效性和优越性，为通过调速系统参数优化抑制超低频振荡问题提供了新的思路及技术手段。
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