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聯(lián)網(wǎng)工程的實施，我國即將形成世界上屈指可數(shù)的超大規(guī)模復雜電網(wǎng)。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的日趨龐大,局部地區(qū)的擾動可能會影響整個電網(wǎng)的正常運行,甚至出現(xiàn)國內(nèi)外均未見報道的一些異常動態(tài)行為。如由于電網(wǎng)規(guī)模龐大和復雜,導致各子網(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遠大于預期的計算結(jié)果,致使整個互聯(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)電機角度來看：保持同步運行；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)電機通過輸電線路并列運行時，在擾動下某些發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間會出現(xiàn)相對擺動，若阻尼不足則會發(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）當系統(tǒng)阻尼足夠大時（2）當系統(tǒng)阻尼大于零，但阻尼很小時，稱為弱阻尼（3）當系統(tǒng)阻尼小于零時，稱為負阻尼。3，低頻振蕩產(chǎn)生的機理——欠阻尼機理

：低頻振蕩產(chǎn)生的機理比較復雜,目前主要運用DeMello提出的阻尼轉(zhuǎn)矩的概念對單機-無窮大系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩現(xiàn)象的原因進行分析和解釋.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)的總阻尼很小或為負值.在欠阻尼的情況下,一旦出現(xiàn)擾動,將逐漸被放大,從而引發(fā)功率振蕩.對于多機系統(tǒng)的振蕩機理就是對單機-無窮大系統(tǒng)概念上的推廣.一個多機系統(tǒng)會出現(xiàn)多個不同頻率的振蕩,每一個頻率的振蕩稱為一個低頻振蕩模式,也稱為機電振蕩模式.一般認為在一個由n臺發(fā)電機組成的系統(tǒng)中,對應(yīng)的機電振蕩模式會有n-1個,但通常只關(guān)心負阻尼和阻尼不足的模式.四，低頻振蕩的抑制措施

對低頻振蕩機理的分析表明,抑制它的關(guān)鍵是減小系統(tǒng)的負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方面，即一次系統(tǒng)對策和二次系統(tǒng)對策。在長距離輸電線路上裝設(shè)靜止無功補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

增強網(wǎng)架，減少重負荷輸電線

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

利用靜止無功補償器的附加控制

采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS作為勵磁附加控制

二次系統(tǒng)對策采用線性勵磁控制裝置改善系統(tǒng)動態(tài)性能但一次系統(tǒng)的對策受經(jīng)濟、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，具有價格低、易實現(xiàn)、性能良好，以及經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，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最早是由美國學者FPdemello和CConco2dri提出的。其基本原理是在自動電壓調(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作為附加控制,產(chǎn)生與Δω同軸的附加力矩,增加對低頻振蕩的阻尼,以增強電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。這里只分析以發(fā)電機電功率為輸入信號的工作原理。在Δδ—Δω矢量圖上（圖1）,與發(fā)電機轉(zhuǎn)速ω正方向同相的力矩為正阻尼力矩,與發(fā)電機功角δ正方向同相的力矩為正同步力矩,由于勵磁系統(tǒng)中發(fā)電機的勵磁機等均有一定慣性,造成發(fā)電機內(nèi)電勢ΔEq及電磁力矩ΔTe1滯后Δδ一角度?1,因此,勵磁系統(tǒng)的滯后特性,使其電磁力矩在ω軸上產(chǎn)生一個負阻尼力矩。由于勵磁系統(tǒng)的負阻尼是產(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,勵磁系統(tǒng)總的電磁力矩ΔTe,在PSS加入一ΔPe信號時,將產(chǎn)生正的阻尼力矩和正的同步力矩,從而達到抑制系統(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)電機勵磁控制增強對系統(tǒng)振蕩的阻尼來擴大電力輸送的穩(wěn)定極限。它能提供正阻尼的附加勵磁控制,常見鎮(zhèn)定參量有角速度、功率和頻率,主要由放大、復位和超前滯后等校正環(huán)節(jié)等組成,輸出則和機端電壓一起作為勵磁系統(tǒng)的入。

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

PSS對轉(zhuǎn)速或其他信號的變化響應(yīng)使發(fā)電機產(chǎn)生一個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

當交直流輸電線路聯(lián)合運行時,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)制的機理直觀地理解為:如果dδ/dt

>0或者Δf

>0,表示發(fā)電機轉(zhuǎn)子趨向于加速并積聚動能,而通過直流系統(tǒng)的功率調(diào)制功能可以緩解動能的積聚,即在這段時間內(nèi)增大直流系統(tǒng)的輸送功率,使發(fā)電機的輸出功率增加,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)動態(tài)穩(wěn)定性的有效措施。直流調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用對提高“區(qū)域間振蕩模式”阻尼的效果尤為明顯。美國WSCC的交直流輸電系統(tǒng)就采用了這一控制技術(shù)。但是,運行實踐表明,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”的負阻尼或弱阻尼問題,它應(yīng)該是PSS的一個重要而有效的補充。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