电力系统低频振荡与拟制

电力系统低频振荡与拟制武汉大学程远楚教授电力系统低频振荡与拟制一.引言跨区域联网运行是现代电力系统的主要发展方向，这使得电力系统规模越来越庞大。80年代以来，由于省网互联我国已逐步形成东北、华北、华东、华中、西北、华南等六个统一管理的跨省电网。随着三峡电站的建设，西电东送工程的实施和全国联网工程的推进，预计在2010年一2020年中国将实现除西藏和台湾外全国大联网的态势。互联会使系统的动态行为更为复杂，对电力系统安全稳定运行提出了重大挑战。虽然将各区域电力系统互联可以获得更高的可靠性和经济性，然而大型互联系统之间发生的增幅振荡，会破坏了大型系统间的并联运行。研究发现，各区域电力系统之间大多通过长距离输电线路互联，这种大型的弱藕合系统本身固有的对振荡的弱阻尼是产生这种现象的主要原因，而高放大倍数的快速励磁系统则进一步加重了负阻尼的状况。增幅振荡妨碍了各区域电力系统的互联。一些互联的电力系统，为了避免增幅振荡的发生，不得不输送很少的功率，从而使得互联变得没有多少实际意义;一些互联的电力系统为了避免增幅振荡的发生，不得不采用低放大倍数的励磁调节器。直到异步HVDC互联方案产生，一些系统甚至放弃互联。电力系统低频振荡与拟制一.引言由于电力系统的扩大，快速励磁调节器的应用，不少系统发生了弱阻尼或负阻尼，出现了联络线低频功率振荡。20世纪60年代美国的西北联合系统与西南联合系统进行互联运行时，发生了功率的增幅振荡，造成了联络线过流跳闸，最终破坏了大系统间的并联运行。其后西欧、日本等国也发生了输电线路低频功率振荡的事例，自此之后，低频振荡一直是电力系统稳定运行中备受关注的重要问题之一。由于低频振荡频率较低、周期较长、波及面较广，所以给电力系统带来的危害也较大。于是引起了各国对这一问题的普遍重视并着手研究造成线路功率振荡的原因及防止对策。电力系统低频振荡与拟制一.引言长期以来，就如何保证和提高电力系统的安全稳定性进行了大量的研究，提出了许多有效的控制措施和方法。其中，改善控制系统的性能、提高控制系统的品质是最主要的方法。为提高大型互联系统的稳定性，半个多世纪以来，科学工作者就如何保证和提高电力系统的安全稳定性进行了浩瀚的研究工作，提出了许多有效的控制方法。根据电力系统受扰后的功率平衡情况，这些控制方法主要从两方面入手：一是有功控制，如切机、切负荷、汽轮机快关汽门、电气制动等；另一个是无功功率控制，如串联电容补偿、中间并联补偿、静止或旋转无功补偿，发电机励磁附加稳定控制等。大量的理论研究和长期的运行实践表明：励磁控制是改善和提高电力系统稳定的最行之有效而又经济的手段之一。而励磁控制的方法主要有两类：一类是引入补偿控制信号改善阻尼特性以提高电力系统的动态稳定性；另一类是基于现代控制理论的多变量最优励磁控制。电力系统低频振荡与拟制二.电力系统稳定基本概念1.稳定性的基本概念任何系统在扰动的作用下会偏离原平衡状态，产生初始偏差。所谓稳定性，就是指系统当扰动消失后，由初始偏差状态回复原平衡状态的性能。若系统能够恢复平衡状态，则称系统是稳定和；若扰动消失后不能恢复平衡状态，而偏差越来越大，则称系统是不稳定的。电力系统低频振荡与拟制二.电力系统稳定基本概念BCA0A0'A1电力系统低频振荡与拟制二.电力系统稳定基本概念以最常见的二阶系统为例。其闭环传递函数为：电力系统低频振荡与拟制二.电力系统稳定基本概念在ζ＞＝0时的瞬态响应曲线如下：电力系统低频振荡与拟制二.电力系统稳定基本概念2.电力系统稳定电力系统的稳定性包括频率稳定性、同步运行稳定性（功角稳定）和电压稳定性。(1)频率稳定:频率稳定性与有功功率平衡密切相关，失去频率稳定性是指电力系统在扰动的作用下，有功功率的平衡遭到破坏，依靠常规的调节手段无法使其恢复，致使电力系统的频率持续下降，从而导致电力系统频率崩溃，引起电力系统停电。电力系统低频振荡与拟制二.电力系统稳定基本概念(2)电压稳定:电压稳定性与无功功率平衡密切相关，失去电压稳定性是指电力系统在扰动的作用下，无功功率的平衡遭到破坏，依靠常规的调节手段无法使其恢复，致使电力系统的枢纽点或受电地区电压持续下降。电压失稳容易发展为电压崩溃，会造成大量丢失负荷，甚至电力系统解列。电力系统低频振荡与拟制二.电力系统稳定基本概念(3).功角稳定:同步运行稳定性主要指功角稳定。失去同步运行稳定性，电力系统将发生振荡，引起系统中枢纽点的电压、输电设备中的电压与电流，以及输送功率等的大幅度波动，电力系统因不能向负荷正常供电而无法继续运行，如果处理不当则会造成电力系统长时间大面积停电。电力系统低频振荡与拟制二.电力系统稳定基本概念按扰动的形式划分：通常把电力系统的稳定性问题分为两类，即暂态稳定和静稳定，又称大干扰稳定和小干扰稳定。(1)暂态稳定:暂态稳定是指电力系统在受到大扰动，例如高压输电网络中发生短路，或一台主要发电机被切除，此时系统将发生较强烈的振荡，一些同步发电机也可能失步。这种情况下的稳定问题，即在大干扰作用后系统能否在新的平衡状况下稳定工作，称为暂态稳定问题。(2)静稳定（静态稳定、动态稳定）:扰动的另一种形式是负荷随机地发生小的变化，即所谓小干扰，同步发电机在小干扰下的稳定问题，称为静稳定问题。静稳定问题有两类：一类是指发电机在稳态运行时遭受到某种极其微小的扰动后，在同步力矩作用下恢复稳定问题(静态稳定)；一类是阻尼低频振荡的稳定性问题(动态稳定)。电力系统低频振荡与拟制二.电力系统稳定基本概念由于快速响应励磁控制，静止无功补偿器的控制以及直流输电阀控等自动控制的引入，为电力系统稳定性提供了先进的技术与设备。与此同时，由于它们的存在，电力系统出现了低频振荡、次同步振荡及轴系扭振等问题。(1)低频振荡:电力系统中发电机经输电线并列运行时，在扰动下会发生发电机(或发电机群)间的相对摇摆，并在缺乏阻尼时引起持续振荡。此时，输电线路上也会发生相应振荡。由于其振荡频率很低，一般为0.2-2.5hz，故称为低频振荡。同一电力系统可能会出现多个不同频率的低频振荡，每一种频率的振荡称为一个低频振荡模式;低频振荡出现后，或持续一段时间后消失，或继续加剧以致造成系统解列。电力系统低频振荡与拟制二.电力系统稳定基本概念（2）次同步振荡：小干扰稳定问题主要涉及发电机组之间的机电振荡。这时我们将发电机组看成是集中的刚体质量块。然而，实际的大型汽轮发电机组的转子具有很复杂的机械结构，它是由几个主要的质量块，如各个汽缸的转子、发电机的转子、励磁机转子等，通过有限刚性的轴系连接而成。当发电机受到干扰后，考虑到各质量块之间的弹性，他们在暂态过程中的转速将各不相同，从而导致各质量块之间发生扭(转)振(荡)TorsionalOscillation。由于各质量块的转动惯量小于发电机组总的转动惯量，因此各质量块之间扭振的频率要高于发电机组之间机电振荡的频率，这个频率一般在十几到四十几赫兹之间，因此也常称这种振荡为次同步振荡(SubsynchronousOscillation,SSO)。次同步振荡发生后，在发电机组轴系中各质量块之间将产生扭力矩，轴系反复承受扭力矩会造成疲劳积累，从而降低轴系的使用寿命;当扭力矩超过一定的限度后会造成大轴出现裂纹甚至断裂。系统出现的次同步振荡主要与励磁控制、调速器、HVDC控制及串联电容器补偿的输电线路的相互作用有关。电力系统低频振荡与拟制三．电力系统的低频振荡1.低频振荡基本概念在电力系统中，发电机经输电线路并列运行时，在扰动的作用下，会发生发电机转子间的相对摇摆，表现在输电线路上就会出现功率波动。如果扰动是暂时性的，在扰动消失后，可能出现两种情况:一种情况是发电机转子间的摇摆很快平息，另一种情况是发电机转子间的摇摆平息得很慢甚至持续增大，若振荡幅值持续增长，以致破坏了互联系统之间的静态稳定，最终将使互联系统解列。产生第二种情况的原因是系统缺乏阻尼或者系统阻尼为负,这时电力系统如果缺乏必要的阻尼就会失去动态稳定。由于电力系统的非线性特性，动态失稳表现为发电机转子之间的持续的振荡，同时输电线路上功率也发生相应的振荡，影响了功率的正常输送。由于这种持续振荡的频率很低，一般在0.1～2.5Hz之间，故称为低频振荡。电力系统低频振荡与拟制三．电力系统的低频振荡按振荡所涉及的范围及振荡频率的大小，低频振荡可以分为两种形式：（1）.局部振荡模式(LocalModes)，它涉及同一电厂内的发电机(或电气距离很近的儿个发电厂的发电机)与系统内的其余发电机之间的振荡，其振荡的频率约为0.7―2.5Hz。或称厂内型低频振荡。（2）区域间振荡模式({Inter-areaModes}，它涉及系统的一部分机群相对于另一部分机群的振荡，由于各区域的等值发电机具有很大的惯性常数，因此这种模式的振荡频率要比局部模式低，其频率范围约为0.1－0.7Hz，或称互联型低频振荡。此外，也有将在同一地区的不同电厂之间的振荡频率在1Hz左右的低频振荡简称为地区型低频振荡。电力系统低频振荡与拟制三．电力系统的低频振荡2.低频振荡产生的原因由扰动引发的低频振荡受许多因素的影响，大规模多机电力系统是一个非线性动力系统。通常认为，低频振荡的频率与网络结构、运行方式、发电机参数和发电机励磁调节器特性关系密切。当今电力系统发生低频振荡问题大多是由阻尼不足引起的，关于系统产生负阻尼的原因，比较确定性的结论是.(1).发电机的励磁系统，尤其是快速励磁系统会引起系统负阻尼;(2).电网负荷过重会使系统阻尼降低;(3).电网互联也会使系统阻尼降低。电力系统低频振荡与拟制三．电力系统的低频振荡3.国内外低频振荡现象（1）欧洲UCPTE/CENTREL系统的低频振荡特性电力系统低频振荡与拟制三．电力系统的低频振荡（1）欧洲UCPTE/CENTREL系统的低频振荡特性涉及四个低频振荡模式:(a)东西方向的振荡模式:频率为0.23Hz，涉及两个同调机群的振荡，第一个同调机群包括UCPTE的西部系统(葡萄牙、西班牙、法国南部)，第二个同调机群包括CENTREL国家(原东欧的一些国家)，而UCPTE系统的中部和南部机组对此振荡模式的参与较小;(b)0.31Hz的振荡模式:涉及三个大的同调机群，UCPTE西部的机组与CENTREL的机组同调相对于UCPTE中部(德国、法国和意大利)的机组而振荡;(c)0.52Hz的振荡模式:只涉及CENTREL国家和奥地利和意大利北部的部分地区;(d)0.78Hz的振荡模式:只涉及波兰和捷克的机组。电力系统低频振荡与拟制三．电力系统的低频振荡（2）中国南方电网的低频振荡特性电力系统低频振荡与拟制三．电力系统的低频振荡（2）中国南方电网的低频振荡特性在没有安装PSS的情况下，南方电网有两个区域间振荡模式:0.53Hz和0.66Hz。其中0.53Hz的振荡模式是南方电网的全局振荡模式，此模式的界面在由天生桥一平果、天生桥一百色和惠水一河池三条线路组成的交流通道上，在此界面一侧的机组相对于界面另一侧的机组振荡，主要是云南的机组逆反于广东的机组摇摆，而贵州和广西的机组的参与因子都比较小;而对于0.66Hz的振荡模式，振荡界面西面在罗平一天生桥线路上，东面在来宾一梧州及玉林一茂名线路上，主要是贵州的机组逆反于云南的机组摇摆，而广东和广西机组的参与因子都比较小。电力系统低频振荡与拟制三．电力系统的低频振荡4.低频振荡的机理研究从低频振荡发生研究至今，在机理方面的研究主要集中在以下几个方面:(1)负阻尼机理:根据线性系统理论分析，由于系统的调节措施的作用，产生了附加的负阻尼，抵消了系统的正阻尼，导致扰动后振荡不衰减或增幅振荡。(2)共振或谐振机理:该理论认为:当输入信号或扰动信号与系统固有频率存在某种特定的关系时，系统会产生较大幅度的共振或谐振，其频率有时处于低频区域，导致系统产生低频振荡。(3)非线性理论机理:由于系统的非线性的影响，其稳定结构发生变化。当参数或扰动在一定范围内变化时，会使得稳定结构发生变化，从而产生系统的