電力系統低頻振蕩的機理分析及控制方法

摘 要 現階段電網互聯程度越來越高，低頻振蕩成為影響電力系統穩定性的重要因素，必須采取有效抑制措施。文中介紹低頻振蕩產生的機理，分析了低頻振蕩的影響因素，針對不同的振蕩模式，提出了相應的抑制措施。

【關鍵詞】電力系統 低頻振蕩 機理 影響因素 控制方法

隨著我國國民經濟的快速發展，電力系統規模日益增大，電網互聯程度越來越高，提高了發電、輸電的經濟性，同時也引發了電力系統穩定性下降，出現低頻振蕩的情況越來越多，低頻振蕩能夠引發重大停電事故，必須引起重視。因此，厘清電力系統低頻振蕩產生的機理和影響因素，同時針對不同的低頻振蕩模式，制定相應的抑制策略具有重要的意義。

1 電力系統低頻振蕩機理

電力系統在正常運行時功率穩定，不會產生低頻振蕩，當系統出現擾動時，其頻率會出現小范圍的波動，這種波動稱為低頻振蕩。低頻振蕩根據作用范圍和頻率大小差別可以分為局部振蕩和區域振蕩。其中，局部振蕩一般發生在一定范圍內一臺電機或幾臺電機之間，振蕩頻率相對較高，通常在0.7～2.5之間。區域振蕩指的是不同區域機組間發生振蕩，范圍較大頻率相對較低，在0.1～0.7之間。了解低頻振蕩的分類，可以更方便的引起低頻振蕩的原因，為了更好抑制低頻振蕩，還需要了解其產生的機理，低頻振蕩機理有以下幾種。

1.1 負阻尼機理

由于勵磁系統追求快速性、電網負荷加重及系統的連通性，使得系統阻尼下降，電力系統對一定頻率的振蕩表現出負阻尼特性，導致振蕩短時間無法消除，該機理易理解，通常用來解釋線性模型結合較好的系統的振蕩，不適用于大擾動導致的振蕩。

1.2 共振機理

當電力系統原動機功率遭受的周期性振蕩與系統固有的低頻振蕩接近或者相等時，容易誘發共振，這種共振具有起振快、消失快、振蕩頻率與擾動頻率一致的特點，影響共振的因素有阻尼轉機系數、同步力矩系數、擾動幅度等。

1.3 發電機電磁慣性導致的低頻振蕩

電感性的勵磁繞組在勵磁電壓的作用下能夠產生一個相位滯后的勵磁電流強迫分量，在該分量的控制下會導致低頻振蕩的發生。

1.4 分叉和混沌理論

分叉理論揭示了電力系統低頻振蕩的非線性特征，使用高階多項式從空間上系統的穩定性。混沌理論考慮非周期性、無規則性的低頻振蕩參數間的相互作用。

2 影響電力系統低頻振蕩的原因分析

電力系統低頻振蕩可以從三個方面進行分析，首先是根據線性系統分析，由于調節措施的影響，使得系統產生了負阻尼，導致系統擾動后產生振蕩，且振蕩幅度不衰減。其次是從輸入信號或擾動信號方面分析，當系統固有頻率與輸入信號或擾動信號間具有某種特定關系時，系統會產生共振或諧振，振蕩幅度較大，頻率低。最后，由于系統的非線性影響，參數或者擾動發生變化時，系統穩定結構也會發生變化，導致低頻振蕩發生。在上述3種低頻振蕩機理中，共振機理受到系統擾動源頻率的影響，而負阻尼機理、發電機電磁慣性、分叉和混沌機理等受到系統的結構和參數影響，不同模式的低頻振蕩可能會單獨或者同時發生時，需要綜合分析，快速找出發生低頻振蕩的主導模式。

電力系統低頻振蕩的影響因素歸根結底在于系統本身和干擾源，系統原因主要表現在系統結構、運行模式、系統參數、系統負荷等。電力系統的發電機臺數與系統結構影響低頻振蕩的頻率，通過弱連接傳輸互聯的電網間容易出現低頻振蕩；由于勵磁系統追求快速性，致使勵磁系統時間常數減小，使得系統阻尼下降，系統發生低頻振蕩的概率大增；當電力系統受到擾動時，恒電流和恒阻抗負荷的模型更加容易發生低頻振蕩；當電力系統負載較重時，抗干擾能力變弱，更容易發生低頻振蕩。此外，熱力系統和軸系機械系統會影響電力系統工作的穩定性，導致低頻振蕩發生的概率上升。

3 電力系統低頻振蕩的控制方法

電力系統低頻振蕩產生的本質是系統的控制措施帶來的負阻尼，因此對電力系統低頻振蕩的控制策略主要基于負阻尼機理，控制的思路主要有兩種，一種是調整控制措施減小系統負阻尼，另一種方法是附加控制提供額外的阻尼，前一種調整方法在一定程度上能夠提高系統工作的穩定性，但是會帶來其它問題，所以一般不適用調整控制措施，使用附加控制的方法提供額外的系統阻尼，抑制系統低頻振蕩。

電力系統分為發電、輸電和用電這三部分，具體采取控制措施時，用電這部分用戶比較分散，難以管理和控制，因此措施措施主要針對發電和輸電部分。發電部分主要是使用電力系統穩定器、非線性勵磁控制器等穩定控制設備對勵磁系統進行控制；輸電部分主要是在線路上使用FACTS裝置、HVDC等電力設備快速的控制性能提供附加控制。FACTS裝置使采用電子設備和控制器來提高電力系統的功率輸送和穩定性，對輸電系統調節方便靈活，并且安裝方便，但使用成本較高，裝備適應性不夠強，易受到輸入信號和安裝地點的影響。電力系統穩定器在發電系統中應用較多，其結構性簡單，適應性強，但只對特定振蕩頻率抑制效果好，不能有效抑制其它頻率振蕩。以上這些附加抑制裝置在復雜的電力系統中安裝地點和參數協調直接關系影響抑制效果，在實際操作時要認真分析，從系統中提取有用信息，確保達到最佳抑制效果。低頻振蕩最為一個系統問題，在采取控制措施時，還需要綜合考慮發電、輸電和用電三部分，針對不同的振蕩模式，制定相應的控制方法，只有這樣才能產生好的抑制效果。

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作者簡介

楊虓，男，大學本科學歷。研究方向為電力電氣。

作者單位

大慶油田電力集團宏偉熱電廠 黑龍江省大慶市 163000