電力系統強迫振蕩的機理研究

摘 要:電力系統自發或大干擾消失后產生電流、電壓、功率在頻率為0.1~2Hz之間長時間持續振蕩，稱為低頻振蕩。有的持續振蕩一段時間會自行消失;有的會使振蕩進一步加劇，導致系統瓦解。本文從對強迫低頻振蕩機理的詳細分析入手，敘述了目前電力系統強迫振蕩的防控措施，以期能夠對業界同事日后的工作提供一定的借鑒和參考。

關鍵詞:電力系統;強迫振蕩;低頻振蕩;機理;防控措施

中圖分類號:TM712 文獻標識碼:A 文章編號:1674-7712 (2012) 12-0030-01

一、概述

近年來云南電網多次發生低頻振蕩事件，如2006年的8.29振蕩，2008年的4.21振蕩和2008年的8.25振蕩等，振蕩頻率主要集中在0.4Hz、0.6Hz、0.7Hz，功率振蕩在主網聯絡線上表現明顯，幅度接近幾十萬千瓦。進一步的分析表明，大容量、遠距離送電使得系統阻尼特性減弱，同時發生機組、線路的小規模擾動是造成該地區電網發生低頻振蕩的主要原因。另外，發電機組的不正當操作，導致機組輸出功率出現固定頻率的波動現象，若該頻率與主網振蕩頻率匹配，也會造成主網的低頻振蕩。簡言之，前者是由于弱阻尼情況下小擾動發生，后者是由于系統存在強迫振蕩源，若頻率與區域間振蕩頻率匹配，功率振蕩就會放大，波及主網聯絡線，造成主網振蕩。持續不斷的大幅度功率振蕩產生的后果將會非常嚴重，振蕩地區電網機組對主網的同步振蕩將發展為失步振蕩，與系統失去穩定運行，從而導致地區電網大面積停電，并可能造成機組損壞。區域互聯的主網也將會產生更大的功率波動，甚至會因低頻振蕩而造成電網穩定破壞。因而在工程實踐中，不斷加強對電力系統強迫振蕩的機理研究具有非常重要的現實意義。

二、強迫低頻振蕩機理分析

研究電力系統低頻振蕩問題的文獻很多，一般認為快速響應、高放大倍數的勵磁調節系統是導致低頻振蕩發生的主要原因。另外研究領域基本達成共識的其他原因有:

(1)系統在負阻尼時產生的自發功率振蕩。

(2)系統在受到擾動時，由于阻尼弱其功率振蕩長久不能平息。

(3)系統振蕩模與系統中某種功率波動的頻率相同，而且由于弱阻尼，使聯絡線上該功率波動得到放大，產生了強烈的功率振蕩。

(4)由發電機轉速變化引起的電磁力矩變化和電氣回路耦合產生的機電振蕩，其頻率為0.2-2.5Hz。對于低頻振蕩產生的機理，從研究至今主要集中在以下幾方面:

(一)負阻尼機理

根據線性系統理論分析，由于系統的調節措施的作用，產生了附加的負阻尼，抵消了系統電機、勵磁繞組和機械等方面的正阻尼，使系統總阻尼很小或者為負，系統在負阻尼工況下受到擾動時擾動逐漸被放大，進而引起功率的低頻振蕩，而重負荷線路、現代快速勵磁和高頂值倍數的勵磁系統是造成系統出現負阻尼的主要原因。

(二)共振或諧振機理

當輸入信號或擾動信號與系統固有頻率存在某種特定的關系時，系統會產生較大幅度的共振或諧振，其頻率有時處于低頻區域，導致系統產生低頻振蕩。這種機理只是限于理論分析，其證明依賴于實測數據的觀測，依賴于機組的軸系、調速系統及勵磁調節系統加裝的同步測量記錄裝置，才能得到系統的實際參數和擾動記錄，對低頻振蕩進行更全面的分析，所以此種機理有賴于進一步的探討。

(三)非線性理論機理

由于系統的非線性的影響，其穩定結構發生變化。當參數或擾動在一定范圍內變化時，會使得穩定結構發生變化，從而產生系統的振蕩。這一分析有別于線性系統，因為線性系統的穩定是全局性的，而非線性系統的穩定是局部的。電力系統低頻振蕩的非線性奇異現象以及表現為一種非周期的、似乎是無規則的突發性的機電振蕩混沌現象，都屬于該范疇。

在所有低頻振蕩機理中，負阻尼機理研究得最早也最成熟，這主要得益于線性系統理論的成熟，目前已經形成了一套比較完整的理論體系，并且在工程上得到實際應用。一般認為，低頻振蕩的機理是負阻尼。

三、強迫低頻振蕩的研究方法

工程實踐中，我們通常將低頻振蕩定性為靜態穩定或小擾動穩定的問題，而對于上述兩類問題的分析及理論研究方法諸多，依據判定的數學模型的不同，可將這種方法分為特征值分析法、數值解法及頻域分析法三種，下面對這三種研究方法做一簡要敘述。

(1)特征值分析法，這一方法是最基本的低頻振蕩問題的研究方法，全部及部分特征值法是這類方法最為基本的構成。

(2)數值解法，這一研究方法是實踐過程中應用的最為廣泛的一種暫態穩定分析法，其具體解法是針對特定擾動計算出系統方程中系統變量的完整響應時間。

(3)頻域分析法，AESOPS法是頻域分析法的代表算法，也是目前廣為應用的一類分析法。

四、電力系統強迫振蕩的防控

目前改善電網阻尼特性以抑制低頻振蕩的最經濟有效的辦法是在發電機組上加裝電力系統穩定器(PSS)裝置，但在多機大電力系統中，PSS的參數整定和協調，以及全局最優勵磁系統的實現，是一個相當復雜的問題。對于低頻振蕩而言，振蕩是不是由于快速勵磁調節產生負阻尼引起的，有沒有系統的內在規律性，如何看待負荷控制系統和振蕩的關系等，都是很值得研究的問題。對低頻振蕩問題的認識與研究經歷了一個過程，早在20世紀50年代，蘇聯在發展快速勵磁系統的同時，就研制了具有發電機定子電流偏差及微分或頻率偏差及微分附加反饋的強勵式勵磁調節器。它有效地抑制大干擾暫態過程中輸電線路的低頻振蕩。當時還沒有發現在小干擾時系統發生等幅振蕩或增幅振蕩的事故，因此低頻振蕩問題未引起其他國家的重視。近年來，由于大型發電機普遍采用由集成電路和可控硅組成的快速勵磁調節器，使勵磁系統時間常數大為減小，從而降低了系統阻尼，對聯系較弱的系統影響較大，使系統中不斷出現弱阻尼，甚至負阻尼。60年代以來，美國、西歐、日本等，多次發生輸電線功率低頻振蕩的事例，于是才逐步引起各國對低頻振蕩問題的重視。

五、結束語

本文通過對電力系統強迫低頻振蕩機理詳盡的分析和研究，為日后電網中低頻振蕩事故的防控提供了一定的解決思路，對日后工程實踐具有一定的借鑒及實用價值。

參考文獻:

[1]云南省電機工程學會，云南電網公司編.2007云南電力技術論壇論文集[R].云南科技出版社，2007，9

[2]楊耿杰，郭謀發.電力系統分析[M].中國電力出版社，2009，7