電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制

電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制組員：劉方李洪福李沐錕楊智超劉耀遠(yuǎn)李家任韋宇平電力系統(tǒng)低頻振蕩2低頻振蕩的抑制措施4低頻振蕩基本原理33引言31一，引言隨著西電東送和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)工程的實(shí)施，我國(guó)即將形成世界上屈指可數(shù)的超大規(guī)模復(fù)雜電網(wǎng)。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的日趨龐大,局部地區(qū)的擾動(dòng)可能會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行,甚至出現(xiàn)國(guó)內(nèi)外均未見報(bào)道的一些異常動(dòng)態(tài)行為。如由于電網(wǎng)規(guī)模龐大和復(fù)雜,導(dǎo)致各子網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定水平下降,輸電線路傳輸功率極限較聯(lián)網(wǎng)前更低于熱穩(wěn)極限,我國(guó)已于2003年九月聯(lián)網(wǎng)后觀察到全系統(tǒng)出現(xiàn)頻率低至0.13Hz的超低頻振蕩,暫態(tài)不平衡功率跨區(qū)域傳播,及由于聯(lián)絡(luò)線的功率振蕩幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)期的計(jì)算結(jié)果,致使整個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)的阻尼明顯下降等現(xiàn)象。二，電力系統(tǒng)低頻振蕩

1，電力系統(tǒng)低頻振蕩的定義：發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角、轉(zhuǎn)速，以及相關(guān)電氣量，如線路功率、母線電壓等發(fā)生近似等幅或增幅的振蕩，因振蕩頻率較低，一般在0.1－2.5Hz，故稱為低頻振蕩。2，電力系統(tǒng)低頻振蕩的分類電力系統(tǒng)低頻振蕩分為兩種類型

1，局部模態(tài)（LocalModes）

2，區(qū)域間模態(tài)（InterareaModes）

3，電力系統(tǒng)振蕩的結(jié)果

12從發(fā)電機(jī)角度來看：保持同步運(yùn)行；失去同步。從系統(tǒng)的角度來看：穩(wěn)定遭到破壞，系統(tǒng)解列；振蕩的幅值逐步減小，平息振蕩。三，低頻振蕩基本原理1，低頻振蕩的產(chǎn)生：電力系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)通過輸電線路并列運(yùn)行時(shí)，在擾動(dòng)下某些發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)擺動(dòng)，若阻尼不足則會(huì)發(fā)生持續(xù)的振蕩。2，低頻振蕩的性質(zhì)：低頻振蕩的性質(zhì)取決于系統(tǒng)阻尼。（1）當(dāng)系統(tǒng)阻尼足夠大時(shí)（2）當(dāng)系統(tǒng)阻尼大于零，但阻尼很小時(shí)，稱為弱阻尼（3）當(dāng)系統(tǒng)阻尼小于零時(shí)，稱為負(fù)阻尼。3，低頻振蕩產(chǎn)生的機(jī)理——欠阻尼機(jī)理

：低頻振蕩產(chǎn)生的機(jī)理比較復(fù)雜,目前主要運(yùn)用DeMello提出的阻尼轉(zhuǎn)矩的概念對(duì)單機(jī)-無窮大系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析和解釋.低頻振蕩產(chǎn)生的根本原因是由于系統(tǒng)中產(chǎn)生了負(fù)阻尼,抵消了系統(tǒng)固有的正阻尼,使得系統(tǒng)的總阻尼很小或?yàn)樨?fù)值.在欠阻尼的情況下,一旦出現(xiàn)擾動(dòng),將逐漸被放大,從而引發(fā)功率振蕩.對(duì)于多機(jī)系統(tǒng)的振蕩機(jī)理就是對(duì)單機(jī)-無窮大系統(tǒng)概念上的推廣.一個(gè)多機(jī)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)不同頻率的振蕩,每一個(gè)頻率的振蕩稱為一個(gè)低頻振蕩模式,也稱為機(jī)電振蕩模式.一般認(rèn)為在一個(gè)由n臺(tái)發(fā)電機(jī)組成的系統(tǒng)中,對(duì)應(yīng)的機(jī)電振蕩模式會(huì)有n-1個(gè),但通常只關(guān)心負(fù)阻尼和阻尼不足的模式.四，低頻振蕩的抑制措施

對(duì)低頻振蕩機(jī)理的分析表明,抑制它的關(guān)鍵是減小系統(tǒng)的負(fù)阻尼或通過附加控制提供額外的阻尼.因此，抑制低頻振蕩的措施主要可分為以下兩個(gè)方面，即一次系統(tǒng)對(duì)策和二次系統(tǒng)對(duì)策。在長(zhǎng)距離輸電線路上裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償器作電壓支撐采用直流輸電方案，避免功率振蕩

采用串聯(lián)電容，減少送受端的電氣距離

增強(qiáng)網(wǎng)架，減少重負(fù)荷輸電線

1，低頻振蕩的抑制措施一次系統(tǒng)對(duì)策采用非線性最優(yōu)勵(lì)磁裝置改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能直流輸電的附加控制或直流功率提供附加阻尼

利用靜止無功補(bǔ)償器的附加控制

采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS作為勵(lì)磁附加控制

二次系統(tǒng)對(duì)策采用線性勵(lì)磁控制裝置改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能但一次系統(tǒng)的對(duì)策受經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等因素的制約較大，難以無限制地使用。利用二次系統(tǒng)來抑制低頻振蕩，具有價(jià)格低、易實(shí)現(xiàn)、性能良好，以及經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，是抑制低頻振蕩的主要方法。2，利用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS抑制電力系統(tǒng)的低頻振蕩

PSS最早是由美國(guó)學(xué)者FPdemello和CConco2dri提出的。其基本原理是在自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)AEF的基礎(chǔ)上,輔以轉(zhuǎn)速偏差(Δω)、功率偏差(ΔPe

或ΔPd

)、頻率偏差(Δf)中的一種或兩種信號(hào)作為附加控制,產(chǎn)生與Δω同軸的附加力矩,增加對(duì)低頻振蕩的阻尼,以增強(qiáng)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。這里只分析以發(fā)電機(jī)電功率為輸入信號(hào)的工作原理。在Δδ—Δω矢量圖上（圖1）,與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω正方向同相的力矩為正阻尼力矩,與發(fā)電機(jī)功角δ正方向同相的力矩為正同步力矩,由于勵(lì)磁系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)等均有一定慣性,造成發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)ΔEq及電磁力矩ΔTe1滯后Δδ一角度?1,因此,勵(lì)磁系統(tǒng)的滯后特性,使其電磁力矩在ω軸上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)阻尼力矩。由于勵(lì)磁系統(tǒng)的負(fù)阻尼是產(chǎn)生低頻振蕩的主要因素,為了改善系統(tǒng)的阻尼狀況,PSS取一ΔPe為輸人量,該電功率經(jīng)PSS的超前一滯后環(huán)節(jié)后輸出一滯后于-ΔPe的電壓量ΔUpss,將此電壓量加人勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,其產(chǎn)生的電磁力矩ΔT將滯后于ΔUpss一角度?2。由矢量圖圖1可知,勵(lì)磁系統(tǒng)總的電磁力矩ΔTe,在PSS加入一ΔPe信號(hào)時(shí),將產(chǎn)生正的阻尼力矩和正的同步力矩,從而達(dá)到抑制系統(tǒng)低頻振蕩,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的目的是通過發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)振蕩的阻尼來擴(kuò)大電力輸送的穩(wěn)定極限。它能提供正阻尼的附加勵(lì)磁控制,常見鎮(zhèn)定參量有角速度、功率和頻率,主要由放大、復(fù)位和超前滯后等校正環(huán)節(jié)等組成,輸出則和機(jī)端電壓一起作為勵(lì)磁系統(tǒng)的入。

PSS基于系統(tǒng)在某一平衡點(diǎn)處的近似線性化模型設(shè)計(jì),針對(duì)性強(qiáng),易于實(shí)現(xiàn),抑制低頻振蕩的效果顯著,獲得了廣泛應(yīng)用。常規(guī)PSS消除負(fù)阻尼作用是通過勵(lì)磁控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

PSS對(duì)轉(zhuǎn)速或其他信號(hào)的變化響應(yīng)使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)與速度同相位的電功率輸出的變化。這種電功率輸出的變化一部分是通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)直接調(diào)制有功功率的輸出;另一部分是通過調(diào)制無功功率輸出,改變系統(tǒng)電壓,引起電壓靈敏的負(fù)荷發(fā)生變化,從而間接地調(diào)制了有功功率的輸出。PSS調(diào)制無功功率的有效性與負(fù)荷的位置和類型(特性)、電壓控制的相關(guān)程度及振蕩模式有很大關(guān)系。常規(guī)PSS仍然是抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩,改善小干擾穩(wěn)定性的主要手段。新型PSS也不斷涌現(xiàn),主要涉及PSS在多機(jī)系統(tǒng)中的配置、參數(shù)整定以及提高魯棒性和適應(yīng)性等問題研究。在控制規(guī)律方面,開展了從經(jīng)典的PID控制到最優(yōu)控制、非線性控制以及各種智能控制的研究。3，高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC）調(diào)制

當(dāng)交直流輸電線路聯(lián)合運(yùn)行時(shí),由于直流輸電的功率能快速控制,因此將交流輸電線路的控制回路的低頻功率振蕩信號(hào)引入到直流輸電線路的控制回路,能有效抑制低頻振蕩。將直流調(diào)制的機(jī)理直觀地理解為:如果dδ/dt

>0或者Δf

>0,表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子趨向于加速并積聚動(dòng)能,而通過直流系統(tǒng)的功率調(diào)制功能可以緩解動(dòng)能的積聚,即在這段時(shí)間內(nèi)增大直流系統(tǒng)的輸送功率,使發(fā)電機(jī)的輸出功率增加,從而使系統(tǒng)穩(wěn)定;反之亦然。在高壓直流輸電上采用各種調(diào)制技術(shù),例如雙側(cè)頻率調(diào)制,也是提高互聯(lián)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的有效措施。直流調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高“區(qū)域間振蕩模式”阻尼的效果尤為明顯。美國(guó)WSCC的交直流輸電系統(tǒng)就采用了這一控制技術(shù)。但是,運(yùn)行實(shí)踐表明,直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極或雙極閉鎖的幾率比較高,故還不能僅僅依靠這一措施來解決“區(qū)域間振蕩模式”的負(fù)阻尼或弱阻尼問題,它應(yīng)該是PSS的一個(gè)重要而有效的補(bǔ)充。總的來說，電力弱互聯(lián)系統(tǒng)中的區(qū)域聯(lián)絡(luò)線阻抗將大幅度降低系統(tǒng)的電磁阻尼