淺析電力系統低頻振蕩的控制策略

張 卓

(神華廣東國華粵電臺山發電有限公司，廣東 江門 529200)

淺析電力系統低頻振蕩的控制策略

張 卓

(神華廣東國華粵電臺山發電有限公司，廣東 江門 529200)

電力系統低頻振蕩現象在跨區域供電電網的構建過程中很容易出現，這種現象一旦出現，就會造成嚴重的供電故障，給人們的生產生活帶來不便，還會導致巨大的經濟損失。我國正處于跨區域供電系統建設的高峰期，如何避免電力系統的低頻振蕩就成為必須解決的問題之一。現主要對電力系統低頻振蕩產生的原因及機理進行了分析，并提出了抑制的有效措施，希望能對提高電力系統的穩定性有所幫助。

電力系統；低頻振蕩；原因；機理；控制策略

0 引言

目前我國電網建設正處于大力發展的過程當中，隨著“西電東送、南北互供、全國聯網”戰略的實施，電網的運行能力已經越來越接近飽和臨界點，這就導致了我國低頻振蕩現象愈來愈嚴重，所以，研究低頻振蕩現象的成因與如何抑制低頻振蕩現象的發生對保障供電質量具有重要的意義。

電網聯絡線上易發生頻率在0.1～2.5 Hz之間的功率自發波動的現象，這種現象被稱為電力系統低頻振蕩。電力系統頻現低頻振蕩現象將會導致電網供電故障，發生大面積的停電事故。在電力系統的遠距離輸電過程中，這種現象很難避免，而在現代高速、高倍數勵磁系統等新技術運用于電力傳輸系統后，低頻振蕩現象發生頻率更高。在這種情況下，PSS電力系統穩定器能在一定程度上抑制低頻振蕩的發生，但要從根本上解決此問題，還要從電力系統發生低頻振蕩的原因和機理入手。

1 電力系統低頻振蕩產生的原因

負阻尼效應是電力系統低頻振蕩的根本原因。在一些弱聯系、遠距離、重負荷的輸電線路上，由于線路中阻尼為0甚至為負，發電機轉子之間就會相對擺動，導致輸電線路上出現功率的變化，這種變化頻率通常在0.1～2.5 Hz之間，屬于低頻范疇，故稱之為低頻振蕩。在電網構建初期，由于各機組之間聯系緊密，通過阻尼繞組產生的阻尼就能避免低頻振蕩的發生。但在跨區域大電網構建的過程中，受經濟性和環保因素影響，電網運行多處于穩定的邊緣狀態，這就導致了世界多地陸續出現電力系統低頻振蕩現象。

2 電力系統低頻振蕩產生的機理

電力系統低頻振蕩產生的機理多被總結為負阻尼機理、共振或諧振機理、非線性機理等。對低頻振蕩產生機理的分析有助于尋找合適的控制低頻振蕩的方法。

2.1 負阻尼機理

現在電網的構建過程中往往比較注重電量傳輸的快速性和經濟性，這就在無形中加重了電網的負荷，并有可能導致系統對低頻率的振蕩表現出負阻尼特性，從而發生長時間的低頻振蕩故障。該機理在與系統的線性模型結合使用時能很好地解釋單機—無窮大系統中低頻振蕩的發生，但對于其他多級系統的低頻振蕩研究效果不好。

2.2 強迫振蕩機理

在負阻尼機理不能很好地解釋發電機組受外界擾動而發生的低頻振蕩現象時，強迫振蕩機理應運而生。這種機理強調的是外力擾動源的頻率與系統頻率接近時，系統就會被誘發低頻振蕩，這種振蕩發生快，能與擾動源同步振蕩，但振源消失后系統也就停止振蕩。

2.3 分叉和混沌機理

電力系統有較強的非線性特征，分叉理論在充分考慮電力系統的這一特征后，運用高階多項式，從空間結構上對系統的穩定性進行分析。電力系統的低頻振蕩某些情況下要綜合考慮非線性系統中各參數的相互作用，這就造成低頻振蕩的無規則、無周期等特點，這就是混沌振蕩機理。

2.4 發電機電磁慣性引起的低頻振蕩

目前，由發電機電磁慣性引起的低頻振蕩我們稱為誘發低頻振蕩，但學術界對誘發振蕩的條件仍無明確的定論。我們日常生活中的絕大多數電源均為來自發電廠發電機產生的交流電，但是發電機的勵磁繞組在勵磁電壓的作用下會產生一個相位滯后的勵磁電流強迫分量，這個勵磁電流強迫分量由于相位滯后所以在一定的條件下會誘發低頻振蕩。我們把這種情況所引起的低頻振蕩情況稱為發電機電磁慣性引起的低頻振蕩。

3 低頻振蕩的控制策略

在電力系統安全運行的過程中，低頻振蕩的存在對其構成了巨大威脅，甚至會造成嚴重的大面積停電事故，因而必須對電力系統的低頻振蕩進行有效控制。目前，有選用PSS加裝在發電機勵磁系統上進行低頻振蕩控制的，有選用線性最優勵磁控制器OEC增強電力系統遭遇擾動時的阻尼來控制低頻振蕩的，還有采用基于系統阻尼比的最優勵磁控制器DOEC的。

3.1 電力系統穩定器

采用電力系統穩定器(PSS)是美國學者F. D. Demello和C. Concordia共同提出的。PSS的工作原理就是給電力系統提供附加正阻尼，以抵抗引起電力系統低頻振蕩的負阻尼。PSS具有增益、測量、隔直、相位補償和限幅等功能，可以根據電磁功率、加速功率、頻率偏差等信號的輸入自動進行阻尼補償，而且僅在系統受外部干擾源擾動時才工作。

PSS對電力系統低頻振蕩的抑制簡單而有效，且經濟性較好，但無法在設定參數外的環境中很好地運行，并且在多系統中無法實現參數的協調，在應對復雜狀況時適用性受到限制。

3.2 柔性交流輸電裝置附加阻尼控制

在電網的安全穩定及故障自動處理方面，柔性交流輸電技術(FACTS)都有很好的表現，它能很好地提高電網的性能。FACTS裝置在輸電系統中分布廣、容量大、響應快速，能夠從系統結構、負載特性及運行方式等方面改善系統阻尼特性，對抑制區間振蕩有獨特效果。當前已有對PSS裝置與FACTS裝置協調控制技術的研究，該技術在抑制低頻振蕩方面取得了很好的效果。提升FACTS裝置的控制帶寬和控制精度是提高電網運行穩定性的一大發展趨勢。

3.3 OEC以及DOEC

對于線性最優勵磁控制器OEC，在電力系統遭遇擾動時可以相應地提高系統阻尼，從而很好地應對大規模聯網后易出現的低頻振蕩問題。但OEC控制器設計過程中權矩陣Q和R的確定比較麻煩，因而就有了基于系統阻尼比的最優勵磁控制器DOEC。DOEC控制器能有效地提高系統的阻尼特性，在抑制低頻振蕩方面更好地發揮作用，使電力系統的運行更加穩定。

3.4 儲能法

電力系統低頻振蕩發生的最根本原因其實是能量的不均衡。在維持電力系統穩定運行，抑制低頻振蕩的研究中，能量儲存法是最近的研究成果。當過多的外部能量涌入電網時，通過相關技術可將多余的能量儲存下來，并在系統能量不足時再予以釋放。這種方法實際運用后對于系統的高效運行以及低頻振蕩的抑制都起到了良好的作用，但對快速有效地存儲和釋放能量的控制問題還有待解決。

4 結語

隨著跨區域電網的逐步建立，我國電力系統的規模不斷擴大，在長距離、重負荷的電力傳輸過程中發生低頻振蕩的概率也在逐漸增大。在以后的發展過程中，為保證電力系統的穩定性，必須盡早解決低頻振蕩問題。本文提出的幾種方法在抑制電力系統低頻振蕩方面都有各自的功用，但面對越來越復雜的電力系統，低頻振蕩控制技術也要不斷發展才能適應系統的需求。

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[4]宋墩文，楊學濤，丁巧林，等.大規模互聯電網低頻振蕩分析與控制方法綜述[J].電網技術，2011(10)

2014-07-10

張卓(1982—)，男，遼寧人，助理工程師，主要從事電力工程自動化設計工作。