電力系統(tǒng)低頻振蕩研究綜述

韓 軍，田俊生

（1.長治供電公司調(diào)控中心，山西 長治 046000；2.長治供電公司大用戶所，山西 長治 046000）

0 引言

20世紀(jì)60年代北美的西北、西南聯(lián)合系統(tǒng)由于低頻振蕩造成的聯(lián)絡(luò)線過流跳閘事故引起了各界人士的廣泛關(guān)注，此后研究者在低頻振蕩的產(chǎn)生機(jī)理、分析方法以及抑制措施等方面做了大量的研究。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大容量機(jī)組不斷投運(yùn)，快速、高放大倍數(shù)勵(lì)磁系統(tǒng)的廣泛使用，以及受經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保等因素的影響，電力系統(tǒng)的運(yùn)行越來越接近穩(wěn)定極限，在世界各國的電網(wǎng)中都觀察到低頻振蕩的現(xiàn)象，這為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。因此，研究電力系統(tǒng)低頻振蕩的方法以及抑制措施顯得十分重要。

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，機(jī)組間功角相對擺動(dòng)，造成功率在電網(wǎng)上來回傳輸，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行甚至使系統(tǒng)失步。文章從電力系統(tǒng)低頻振蕩的產(chǎn)生機(jī)理著手，綜述了目前廣泛應(yīng)用的抑制低頻振蕩方法，主要包括采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、靈活交流輸電系統(tǒng)附加穩(wěn)定器以及飛輪儲能系統(tǒng)穩(wěn)定器。闡述了采用各種穩(wěn)定器抑制低頻振蕩的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)，最后對該領(lǐng)域的發(fā)展方向做出了展望。

1 電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理

在低頻振蕩研究領(lǐng)域，世界各國的專家和學(xué)者們都提出了不同的低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理，主要包括：負(fù)阻尼機(jī)理[1-2]、諧振機(jī)理[3]、強(qiáng)制性共振機(jī)理[4]、混沌現(xiàn)象[5]以及分岔理論[5]等。

1.1 負(fù)阻尼機(jī)理

在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中，勵(lì)磁控制系統(tǒng)會由于自身具有的慣性以及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器按電壓偏差比例調(diào)節(jié)的特性而減弱系統(tǒng)的阻尼能力，從而引起低頻振蕩。當(dāng)輸電線路負(fù)荷較重、轉(zhuǎn)子相位角發(fā)生震蕩時(shí)，勵(lì)磁控制系統(tǒng)提供的附加勵(lì)磁電流的相位具有使震蕩角度加大的趨勢。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為：現(xiàn)代電力系統(tǒng)中存在的低頻振蕩現(xiàn)象是增幅性低頻振蕩小干擾系統(tǒng)失穩(wěn)的主要原因之一，而弱阻尼低頻振蕩模式是增幅性低頻振蕩發(fā)生的內(nèi)在因素。

1.2 諧振機(jī)理

諧振機(jī)理是指系統(tǒng)的輸入或者擾動(dòng)信號與系統(tǒng)的固有頻率之間存在某種特性關(guān)系時(shí)，會誘發(fā)諧振，當(dāng)其處在低頻區(qū)域時(shí)就表現(xiàn)為低頻振蕩。

1.3 強(qiáng)制性共振機(jī)理

強(qiáng)制性共振機(jī)理是指當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)或者機(jī)組機(jī)械軸系出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，如果系統(tǒng)固有振蕩頻率與擾動(dòng)頻率一致或者相近，則可能出現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)共振的現(xiàn)象。其中，系統(tǒng)固有振蕩頻率與發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)、系統(tǒng)綜合阻抗以及電壓、功角這些運(yùn)行工況有關(guān)。共振機(jī)理的低頻振蕩現(xiàn)象具有起振快、平息快、阻尼充足的特點(diǎn)，它與傳統(tǒng)的負(fù)阻尼型低頻振蕩在起振時(shí)間、振蕩幅值、所包含的低頻分量等方面具有顯著不同的特征。

1.4 混沌現(xiàn)象

由于電力系統(tǒng)是非線性的大型系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)行為及其復(fù)雜，因此存在發(fā)生混沌現(xiàn)象的可能性，混沌振蕩即系統(tǒng)表現(xiàn)出來的一種非周期的、無規(guī)則的、突發(fā)式或陣發(fā)性的機(jī)電振蕩。這種現(xiàn)象為系統(tǒng)的穩(wěn)定分析和控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)，近年來許多研究者致力于研究這種現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素和控制措施等，但研究的對象一般為小規(guī)模系統(tǒng)，許多問題需進(jìn)一步進(jìn)行研究。

1.5 分岔理論

分岔理論是利用特征值結(jié)合高階多項(xiàng)式從數(shù)學(xué)空間結(jié)構(gòu)上來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，分析系統(tǒng)因本身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變造成系統(tǒng)穩(wěn)定特性的改變情況。電力系統(tǒng)中通常發(fā)生的分岔是由于系統(tǒng)的非線性奇異現(xiàn)象而導(dǎo)致的增幅性的低頻振蕩，主要包括鞍結(jié)點(diǎn)分岔（SNB）、Hopf分岔（HB）、倍周期分岔（PDB）、環(huán)面折疊分岔（CFB）以及環(huán)面分岔（TB）等。

2 抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的措施

在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中會出現(xiàn)各種振蕩。低頻振蕩會限制系統(tǒng)的傳輸功率，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)解列或失穩(wěn)，因此采取相關(guān)的措施抑制低頻振蕩顯得尤為重要。目前抑制低頻振蕩的措施主要是增大正阻尼或減小負(fù)阻尼，具體措施主要包括：采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer，PPS）、靈活交流輸電系統(tǒng)（flexible AC transmission systems，F(xiàn)ACTS）附加穩(wěn)定器以及飛輪儲能系統(tǒng)（flywheel energy storage system，F(xiàn)ESS）穩(wěn)定器。

2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器去產(chǎn)生正阻尼轉(zhuǎn)矩以抵消勵(lì)磁控制系統(tǒng)引起的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，是抑制低頻振蕩的最常用的手段[6-8]。用于無刷勵(lì)磁系統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器原理框圖如圖1所示。它是采用轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行校正的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。

圖1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器原理框圖

由裝在機(jī)組軸上的磁阻變換器產(chǎn)生比例于軸轉(zhuǎn)速的電壓信號，額定轉(zhuǎn)速時(shí)該電壓信號為3000 Hz、20 V。它經(jīng)轉(zhuǎn)速檢測器及頻率-電壓變換器轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速偏差的穩(wěn)定信號。其中轉(zhuǎn)速檢測器是一個(gè)分頻器，它將3000 Hz正弦波輸入信號轉(zhuǎn)換成50 Hz方波信號。頻率-電壓變換器將此信號轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速偏差成比例的穩(wěn)定信號；陷波器是濾波器，其作用是將機(jī)組轉(zhuǎn)軸扭振頻率的干擾信號濾除，通常由二級濾波器組成。超前/滯后網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有兩個(gè)可獨(dú)立整定時(shí)間常數(shù)的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，其作用是補(bǔ)償勵(lì)磁控制系統(tǒng)慣性時(shí)滯，使穩(wěn)定信號在整個(gè)規(guī)定的頻率范圍內(nèi)獲得所需要的輸出-輸入相位，其中超前時(shí)間常數(shù)用于補(bǔ)償勵(lì)磁系統(tǒng)的相位滯后，而滯后時(shí)間常數(shù)有降低噪聲的作用，使其達(dá)到允許水平。綜合限制器的一個(gè)功能是再放大信號的同時(shí)對輸出信號進(jìn)行限幅，其限幅值可有限幅電位器整定。另一個(gè)功能是當(dāng)輔助輸入信號超過整定值時(shí)，切斷輸出信號使PSS裝置自動(dòng)退出運(yùn)行。輔助延時(shí)是一套監(jiān)視保護(hù)裝置，其功能是監(jiān)視穩(wěn)定器的輸出。當(dāng)穩(wěn)定器輸出超過預(yù)定值，并且時(shí)間超過輔助延時(shí)器設(shè)定時(shí)間時(shí)，將穩(wěn)定器輸出信號切除，防止由于穩(wěn)定器內(nèi)部元件故障而造成不必要的長時(shí)間誤強(qiáng)勵(lì)。

PSS是通過增加正阻尼來抑制低頻振蕩的，其根本原理是進(jìn)行相位補(bǔ)償，即采用發(fā)電機(jī)角速度偏差Δω、機(jī)端電壓頻率偏差Δf、電功率偏差ΔPe、過剩功率ΔPm或它們的組合等作為附加反饋控制，增加正阻尼，提高勵(lì)磁系統(tǒng)電壓環(huán)節(jié)的增益和暫態(tài)性能，由于這些信號相對于軸角速度的相位不同，為使PSS的輸出信號具有產(chǎn)生正阻尼的合適的相位，一般PSS都要求配備相位為超前/滯后網(wǎng)絡(luò)。

2.2 FACTS附加穩(wěn)定器

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，區(qū)域間低頻振蕩正成為限制電網(wǎng)傳輸能力的瓶頸。對少數(shù)發(fā)電機(jī)組安裝PSS來抑制區(qū)域間低頻振蕩很難有好的效果。但FACTS因其安裝地點(diǎn)的靈活性及良好的動(dòng)態(tài)性能而給抑制區(qū)域間振蕩提供了新的手段[9-12]。為此，利用相角補(bǔ)償原理，設(shè)計(jì)控制器持續(xù)減小區(qū)域間的振蕩能量，以此來實(shí)現(xiàn)區(qū)域間阻尼控制。

基于零阻尼下區(qū)域能量守恒的概念，協(xié)調(diào)FACTS穩(wěn)定器的參數(shù)，若能持續(xù)減小動(dòng)能和勢能，則說明穩(wěn)定器逐漸平息區(qū)域振蕩，亦即等效增加了區(qū)域間振蕩的阻尼。

晶閘管控制串聯(lián)電容器（Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC）作為柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）中的一員，被公認(rèn)為能夠經(jīng)濟(jì)有效地提高輸電線路的穩(wěn)定極限[13]。近年來，對TCSC在阻尼線路功率振蕩、提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和抑制次同步諧振等方面的研究受到人們極大關(guān)注，并取得了大量豐富的成果[14-16]。但是基于FACTS技術(shù)的控制策略是在某一運(yùn)行狀態(tài)的，不同運(yùn)行方式下系統(tǒng)區(qū)域間的振蕩模式可能會變化，因此控制器參數(shù)的控制效果可能會變差，魯棒性不高。

2.3 飛輪儲能系統(tǒng)

隨著智能電網(wǎng)的提出和電力電子、材料等技術(shù)的發(fā)展，飛輪儲能系統(tǒng)（FESS）用于抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的方法越來越受到重視。FESS[17-21]是一種以儲能原理為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置，文獻(xiàn)[21]采用特征值分析方法研究了儲能裝置改善阻尼的作用，得出了儲能裝置能增加系統(tǒng)的總阻尼資源并優(yōu)化阻尼分配的結(jié)論，但沒有給出控制器參數(shù)整定方法。文獻(xiàn)[22]采用線性化等面積法則和小干擾分析法，闡述了儲能系統(tǒng)用于抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的理論基礎(chǔ)，指出控制儲能系統(tǒng)與電力系統(tǒng)間有功功率交換能夠獲得比控制無功功率交換更好的效果，但只是對單機(jī)無窮大系統(tǒng)應(yīng)用儲能系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析。

應(yīng)用FESS阻尼系統(tǒng)的低頻振蕩，包括安裝地點(diǎn)、阻尼控制回路、反饋信號的選擇以及附加阻尼控制器參數(shù)的整定。它不僅有電壓和無功控制能力，還具備動(dòng)態(tài)有功調(diào)節(jié)能力，可以視為電力系統(tǒng)額外的、可靈活安裝的、快速調(diào)節(jié)的有功源。此外，儲能型穩(wěn)控裝置只是在儲能原理上存在區(qū)別，而在同電力系統(tǒng)的接口上是基本相同的，它能夠優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，使得清潔能源發(fā)電及其并網(wǎng)運(yùn)行控制能力顯著提升。增加電力系統(tǒng)的總阻尼資源并優(yōu)化阻尼分配，特別是動(dòng)態(tài)有功功率調(diào)節(jié)能顯著改善系統(tǒng)的阻尼特性，并提高系統(tǒng)抑制低頻振蕩的能力。

由于聯(lián)絡(luò)線上的振蕩模式很難找到與之強(qiáng)相關(guān)的發(fā)電機(jī)組[23]，因此許多研究者提出將PSS技術(shù)和柔性FACTS技術(shù)如晶閘管控制串聯(lián)電容器綜合利用[24-27]，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中分散的阻尼控制器，可顯著提高系統(tǒng)的阻尼比，對嚴(yán)重故障下產(chǎn)生的持續(xù)振蕩具有很好的抑制作用。

3 低頻振蕩研究的發(fā)展方向

（1）對于現(xiàn)有的低頻振蕩分析方法，基于數(shù)學(xué)模型類方法可準(zhǔn)確計(jì)算出電網(wǎng)在某種運(yùn)行狀態(tài)下各振蕩模式參數(shù)，但由于計(jì)算量較大，因此目前此類方法僅應(yīng)用于離線領(lǐng)域。

（2）廣域測量系統(tǒng)由于能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和記錄電網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)低頻振蕩，可應(yīng)用于電網(wǎng)日常在線安全分析，成為分析和抑制低頻振蕩的新的研究熱點(diǎn)。

（3）RTDS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、FACTS技術(shù)以及現(xiàn)代信號處理等技術(shù)的飛速發(fā)展為電力系統(tǒng)低頻振蕩的分析及抑制提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前和未來的相關(guān)研究熱點(diǎn)包括：基于WAMS、EMS及故障數(shù)據(jù)記錄等數(shù)據(jù)庫構(gòu)建統(tǒng)一的廣域信息平臺；研究有效實(shí)用的低頻振蕩在線預(yù)警算法；構(gòu)建實(shí)時(shí)廣域阻尼控制系統(tǒng)，包括PSS、FACTS、直流等。

結(jié)語

文章主要分析了抑制低頻振蕩的三種措施。PSS這種傳統(tǒng)附加控制手段對系統(tǒng)機(jī)電振蕩阻尼特性的改善主要體現(xiàn)在阻尼協(xié)調(diào)上，即優(yōu)化了原系統(tǒng)的極點(diǎn)配置；而FACTS控制器對于抑制區(qū)域間振蕩具有很好的效果；FESS具有靈活安裝、快速調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。然而多種穩(wěn)定器在電力系統(tǒng)中同時(shí)安裝，可能產(chǎn)生負(fù)影響，如參數(shù)不協(xié)調(diào)的問題。因此，如何協(xié)調(diào)優(yōu)化穩(wěn)定器參數(shù)成為研究抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的重點(diǎn)。

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