淺析電力系統(tǒng)低頻振蕩的控制策略

張 卓

(神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 江門 529200)

淺析電力系統(tǒng)低頻振蕩的控制策略

張 卓

(神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 江門 529200)

電力系統(tǒng)低頻振蕩現(xiàn)象在跨區(qū)域供電電網(wǎng)的構(gòu)建過(guò)程中很容易出現(xiàn)，這種現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，就會(huì)造成嚴(yán)重的供電故障，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)不便，還會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)正處于跨區(qū)域供電系統(tǒng)建設(shè)的高峰期，如何避免電力系統(tǒng)的低頻振蕩就成為必須解決的問(wèn)題之一。現(xiàn)主要對(duì)電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生的原因及機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了抑制的有效措施，希望能對(duì)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所幫助。

電力系統(tǒng)；低頻振蕩；原因；機(jī)理；控制策略

0 引言

目前我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)正處于大力發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，隨著“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的實(shí)施，電網(wǎng)的運(yùn)行能力已經(jīng)越來(lái)越接近飽和臨界點(diǎn)，這就導(dǎo)致了我國(guó)低頻振蕩現(xiàn)象愈來(lái)愈嚴(yán)重，所以，研究低頻振蕩現(xiàn)象的成因與如何抑制低頻振蕩現(xiàn)象的發(fā)生對(duì)保障供電質(zhì)量具有重要的意義。

電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上易發(fā)生頻率在0.1～2.5 Hz之間的功率自發(fā)波動(dòng)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為電力系統(tǒng)低頻振蕩。電力系統(tǒng)頻現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)供電故障，發(fā)生大面積的停電事故。在電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離輸電過(guò)程中，這種現(xiàn)象很難避免，而在現(xiàn)代高速、高倍數(shù)勵(lì)磁系統(tǒng)等新技術(shù)運(yùn)用于電力傳輸系統(tǒng)后，低頻振蕩現(xiàn)象發(fā)生頻率更高。在這種情況下，PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器能在一定程度上抑制低頻振蕩的發(fā)生，但要從根本上解決此問(wèn)題，還要從電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩的原因和機(jī)理入手。

1 電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生的原因

負(fù)阻尼效應(yīng)是電力系統(tǒng)低頻振蕩的根本原因。在一些弱聯(lián)系、遠(yuǎn)距離、重負(fù)荷的輸電線路上，由于線路中阻尼為0甚至為負(fù)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間就會(huì)相對(duì)擺動(dòng)，導(dǎo)致輸電線路上出現(xiàn)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(wǎng)構(gòu)建初期，由于各機(jī)組之間聯(lián)系緊密，通過(guò)阻尼繞組產(chǎn)生的阻尼就能避免低頻振蕩的發(fā)生。但在跨區(qū)域大電網(wǎng)構(gòu)建的過(guò)程中，受經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保因素影響，電網(wǎng)運(yùn)行多處于穩(wěn)定的邊緣狀態(tài)，這就導(dǎo)致了世界多地陸續(xù)出現(xiàn)電力系統(tǒng)低頻振蕩現(xiàn)象。

2 電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生的機(jī)理

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生的機(jī)理多被總結(jié)為負(fù)阻尼機(jī)理、共振或諧振機(jī)理、非線性機(jī)理等。對(duì)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理的分析有助于尋找合適的控制低頻振蕩的方法。

2.1 負(fù)阻尼機(jī)理

現(xiàn)在電網(wǎng)的構(gòu)建過(guò)程中往往比較注重電量傳輸?shù)目焖傩院徒?jīng)濟(jì)性，這就在無(wú)形中加重了電網(wǎng)的負(fù)荷，并有可能導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)低頻率的振蕩表現(xiàn)出負(fù)阻尼特性，從而發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的低頻振蕩故障。該機(jī)理在與系統(tǒng)的線性模型結(jié)合使用時(shí)能很好地解釋單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)中低頻振蕩的發(fā)生，但對(duì)于其他多級(jí)系統(tǒng)的低頻振蕩研究效果不好。

2.2 強(qiáng)迫振蕩機(jī)理

在負(fù)阻尼機(jī)理不能很好地解釋發(fā)電機(jī)組受外界擾動(dòng)而發(fā)生的低頻振蕩現(xiàn)象時(shí)，強(qiáng)迫振蕩機(jī)理應(yīng)運(yùn)而生。這種機(jī)理強(qiáng)調(diào)的是外力擾動(dòng)源的頻率與系統(tǒng)頻率接近時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)被誘發(fā)低頻振蕩，這種振蕩發(fā)生快，能與擾動(dòng)源同步振蕩，但振源消失后系統(tǒng)也就停止振蕩。

2.3 分叉和混沌機(jī)理

電力系統(tǒng)有較強(qiáng)的非線性特征，分叉理論在充分考慮電力系統(tǒng)的這一特征后，運(yùn)用高階多項(xiàng)式，從空間結(jié)構(gòu)上對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。電力系統(tǒng)的低頻振蕩某些情況下要綜合考慮非線性系統(tǒng)中各參數(shù)的相互作用，這就造成低頻振蕩的無(wú)規(guī)則、無(wú)周期等特點(diǎn)，這就是混沌振蕩機(jī)理。

2.4 發(fā)電機(jī)電磁慣性引起的低頻振蕩

目前，由發(fā)電機(jī)電磁慣性引起的低頻振蕩我們稱為誘發(fā)低頻振蕩，但學(xué)術(shù)界對(duì)誘發(fā)振蕩的條件仍無(wú)明確的定論。我們?nèi)粘Ｉ钪械慕^大多數(shù)電源均為來(lái)自發(fā)電廠發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電，但是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組在勵(lì)磁電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相位滯后的勵(lì)磁電流強(qiáng)迫分量，這個(gè)勵(lì)磁電流強(qiáng)迫分量由于相位滯后所以在一定的條件下會(huì)誘發(fā)低頻振蕩。我們把這種情況所引起的低頻振蕩情況稱為發(fā)電機(jī)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(tǒng)安全運(yùn)行的過(guò)程中，低頻振蕩的存在對(duì)其構(gòu)成了巨大威脅，甚至?xí)斐蓢?yán)重的大面積停電事故，因而必須對(duì)電力系統(tǒng)的低頻振蕩進(jìn)行有效控制。目前，有選用PSS加裝在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)上進(jìn)行低頻振蕩控制的，有選用線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器OEC增強(qiáng)電力系統(tǒng)遭遇擾動(dòng)時(shí)的阻尼來(lái)控制低頻振蕩的，還有采用基于系統(tǒng)阻尼比的最優(yōu)勵(lì)磁控制器DOEC的。

3.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)是美國(guó)學(xué)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(tǒng)提供附加正阻尼，以抵抗引起電力系統(tǒng)低頻振蕩的負(fù)阻尼。PSS具有增益、測(cè)量、隔直、相位補(bǔ)償和限幅等功能，可以根據(jù)電磁功率、加速功率、頻率偏差等信號(hào)的輸入自動(dòng)進(jìn)行阻尼補(bǔ)償，而且僅在系統(tǒng)受外部干擾源擾動(dòng)時(shí)才工作。

PSS對(duì)電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制簡(jiǎn)單而有效，且經(jīng)濟(jì)性較好，但無(wú)法在設(shè)定參數(shù)外的環(huán)境中很好地運(yùn)行，并且在多系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)參數(shù)的協(xié)調(diào)，在應(yīng)對(duì)復(fù)雜狀況時(shí)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(wǎng)的安全穩(wěn)定及故障自動(dòng)處理方面，柔性交流輸電技術(shù)(FACTS)都有很好的表現(xiàn)，它能很好地提高電網(wǎng)的性能。FACTS裝置在輸電系統(tǒng)中分布廣、容量大、響應(yīng)快速，能夠從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、負(fù)載特性及運(yùn)行方式等方面改善系統(tǒng)阻尼特性，對(duì)抑制區(qū)間振蕩有獨(dú)特效果。當(dāng)前已有對(duì)PSS裝置與FACTS裝置協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究，該技術(shù)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(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的一大發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 OEC以及DOEC

對(duì)于線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器OEC，在電力系統(tǒng)遭遇擾動(dòng)時(shí)可以相應(yīng)地提高系統(tǒng)阻尼，從而很好地應(yīng)對(duì)大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)后易出現(xiàn)的低頻振蕩問(wèn)題。但OEC控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中權(quán)矩陣Q和R的確定比較麻煩，因而就有了基于系統(tǒng)阻尼比的最優(yōu)勵(lì)磁控制器DOEC。DOEC控制器能有效地提高系統(tǒng)的阻尼特性，在抑制低頻振蕩方面更好地發(fā)揮作用，使電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定。

3.4 儲(chǔ)能法

電力系統(tǒng)低頻振蕩發(fā)生的最根本原因其實(shí)是能量的不均衡。在維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，抑制低頻振蕩的研究中，能量?jī)?chǔ)存法是最近的研究成果。當(dāng)過(guò)多的外部能量涌入電網(wǎng)時(shí)，通過(guò)相關(guān)技術(shù)可將多余的能量?jī)?chǔ)存下來(lái)，并在系統(tǒng)能量不足時(shí)再予以釋放。這種方法實(shí)際運(yùn)用后對(duì)于系統(tǒng)的高效運(yùn)行以及低頻振蕩的抑制都起到了良好的作用，但對(duì)快速有效地存儲(chǔ)和釋放能量的控制問(wèn)題還有待解決。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著跨區(qū)域電網(wǎng)的逐步建立，我國(guó)電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，在長(zhǎng)距離、重負(fù)荷的電力傳輸過(guò)程中發(fā)生低頻振蕩的概率也在逐漸增大。在以后的發(fā)展過(guò)程中，為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須盡早解決低頻振蕩問(wèn)題。本文提出的幾種方法在抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩方面都有各自的功用，但面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的電力系統(tǒng)，低頻振蕩控制技術(shù)也要不斷發(fā)展才能適應(yīng)系統(tǒng)的需求。

[1]陳卓.復(fù)雜電力系統(tǒng)分散協(xié)調(diào)控制的改進(jìn)研究[D].貴州大學(xué)，2005

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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(dòng)化設(shè)計(jì)工作。