搜索
电力系统低频振荡的研究现状和展望ProspectandStateofStudyonPowerSystemLowFrequencyOscillationandtheProspect牛朋超1,郭清滔2,康积涛1,李爱武1,李林1,罗智慧1(1.西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;2.福建省电力试验研究院,福建福州350007摘要:围绕电力系统低频振荡的产生机理、分析方法、影响因素和控制策略四个方面,综述了电力系统低频振荡的研究现状,分析了现有研究成果的主要优点和存在的不足,根据实际中电力系统低频振荡出现的新特点,提出了低频振荡的机制问题,即:低频振荡的研究需要解决五个问题,并且结合控制科学、结构动力学和电力电子技术等其它学科或领域的已有研究成果,重点给出了电力系统低频振荡在分析方法和控制策略等研究方面的新思路,比如:模态分析法、同步相角测量法、储能法。关键词:低频振荡;模态分析法;同步相角测量法;电力电子技术;储能法Abstract:Fromthefouraspectsoflowfrequencyoscillationprinciple,analyticalmethods,affectingfactors,andcontrolpolicy,theauthorsummariesthestudystatusoflowfrequencyoscillationandanalysestheprogressresearchinthefield.Accordingtonewcharactersoccurringinactualpowersystemmechanismoflowfrequencyoscillationispresented,inotherwords,studyonlowfrequencyoscillationshouldsolvefivequestions.Inadditiontothis,combiningwiththeaccomplishmentinothersfields,suchas:controlsubject,Structuralpowersubject,electronictechnologyetc,thepaperisconcernedaboutnewthinkingaboutanalyticalmethodsandcontrolpolicyforlowfrequencyoscillation,suchas:modalanalysismethod,synchronizedphasormeasurementtechnique,energystoragetechnique.Keywords:lowfrequencyoscillation;modalanalysismethod;synchronizedphasormeasurementtechnique;electronictechnology;energystoragetechnique中图分类号:TM712文献标识码:B文章编号:1007-9904(200905-31-050引言以提高发电、输电的经济性和可靠性为目的的电力系统互联,引发了系统稳定性下降等动态问题。随着我国电力系统的发展,“西电东送、南北互供、全国联网”战略的实施,电网互联已进入规划和实施阶段,互联电网运行愈接近极限临界点[2],导致振荡失稳问题日渐显著,最常见的就是低频振荡。因此,现阶段对我国而言研究低频振荡具有更加重要意义。对电力系统低频振荡的研究始于上世纪50年代的苏联,当时研制了一种叫做强励式励磁控制器的装置,有效地抑制了大干扰暂态下输电线路的低频振荡。随着世界各地低频振荡造成的重大停电事故相继出现,对低频振荡的研究愈加受到重视,再加上近些年来计算机技术突飞猛进,使得对电力系统低频振荡的产生机理、分析方法、影响因素和控制策略等方面的研究有了长足进步,但是由于现代电力系统的复杂性(主要是高维性和强非线性,这些方面的研究并未达到完整而统一的认识,下面简要概述这些方面的研究现状和点评,最后给出低频振荡研究的新思路。1低频振荡产生机理正常运行时,发电机向负荷输送的电功率保持不变,但在扰动下,有时会在一定范围内发生自发的波动现象,波动频率相对于工频的振荡频率很低(通常为0.2~2.5Hz,所以称为低频振荡,由于直接起因涉及到同步发电机转子间的摇摆,且表现为电气功率的波动,故又称为机电振荡或功率振荡。按振荡波及的范围及频率的大小不同,低频振荡可作如下分类:(1局部振荡:发生在一台发电机和发电站内其他发电机之间,或者发生在一个发电站和系统内其他发电站之间,振荡频率范围是0.8~4.0Hz。(2发电厂间振荡:发生在电气联系紧密的发电厂之间,振荡频率从1~2Hz不等。(3区域间振荡:发生在两个发电厂的主要发电机组之间,振荡频率通常在0.2~0.8Hz之间。(4全局振荡:被隔离的系统内所有机组发生同步振荡,振荡频率通常低于0.2Hz。对低频振荡进行详细的分类,有利于认清低频振荡的发生机理,同时,对采用合适的分析方法和抑制措施也起到了一定的辅助作用。研究低频振荡机理的目的是为了确定引起和影响低频振荡的的因素,进而采取有效的抑制措施。迄今,对低频振荡机理研究体现在以下几个方面:1.1负阻尼机理励磁系统追求快速性、电网负荷加重和系统互联,导致系统阻尼下降,系统对某些固有频率的振荡表现出负阻尼特性,使得某些频率的振荡长时间不能消除。该机理解释概念清晰,物理意义明确。不过,目前仍停留在单机-无穷大系统中,当应用在多机系统中时,物理意义往往变得不明确。且该机理解释常限于与系统的线性模型结合使用,不能很好的用来研究由大扰动引起的低频振荡问题。1.2发电机电磁惯性引起的低频振荡[3]电感性的励磁绕组在励磁电压的作用下将产生一个相位滞后的励磁电流强迫分量,该相位滞后所产生的滞后控制在一定条件下会诱发振荡。目前,学界对诱发该振荡的条件尚无具体而明确的认识,更没有有关的定论。1.3共振机理当电力系统所遭受的周期性振荡的频率与系统固有的低频振荡接近或相等时,描述发电机转子运动的微分方程的解(关于转子角速度的解中将会包含一个等幅不衰减的特解,当与阻尼有关的解随时间而衰减时,该特解则表现为等幅振荡。共振机理下的电力系统低频振荡起振快(过渡过程为2到3个周期,共振幅值与与周期振动源、系统固有频率二者的接近程度成正比,扰动源消失后,功率振荡会极度衰减。1.4分叉和混沌机理分叉理论充分考虑了电力系统的强非线性特性,结合高阶多项式,从解空间结构上分析系统稳定性。另外,电力系统是一个非常庞大而复杂的系统,有的低频振荡不仅要考虑到其非线性特性,还要考虑系统中各参数的相互作用,这就是混沌振荡,它具有非周期性、无规则性和偶然性特点。总之,负阻尼机理、发电机电磁惯性、分叉和混沌机理三种机理下的低频振荡都与系统结构和参数有关,共振机理的低频振荡主要与扰动源频率有关,值得一提的是,不同机理的低频振荡可能在系统中同时发生,不同模式的振荡彼此之间有时候会相互作用,使低频振荡研究变得更加复杂,这时就需要能更快更准确的辨识出低频振荡的主导模式。2低频振荡分析方法根据所用数学模型不同,低频振荡分析方法有两类,即:线性模式分析法和非线性模式分析法[4]。线性模式分析法的数学模型为:X=f(X,UY=g(X,U!(1式(1为电力系统稳定分析中常用的非线性方程组,式中:X为状态变量,U为输入量,Y为输出量,假设系统初始工作点为(X0,Y0,将上式局部线性化,得ΔX=AΔX+BΔUΔY=CΔX+DΔ!U(2上式即线性化方程,式中:状态矩阵A=坠f坠x,输入矩阵B=坠f坠u,输出矩阵C=坠f坠x,传递函数矩阵D=坠f坠u,后面的计算主要是围绕状态矩阵A进行的。由上观之,线形模式分析法(本质上属于静态稳定分析范畴,以线性化模型为基础,其方程的解是系统振荡模式的线性组合。并且该方法使用到线性参与因子的概念,其优点是物理概念明确,缺点是当系统规模较大时计算量会很大,不适合在现代大电力系统中应用。非线性模式分析法较之于线性模式分析法的最大不同是它能在一定程度上描述系统在运行点处遭受大扰动后系统的动态过渡过程。其常见的分析形式是在时间域内进行的,数学模型为[4]:Mkδk=Pmk(δ,ω,Z,Y,τ,t-Pek(δ,ω,Z,Y,τ,tZ·=f(δ,ω,Z,Y,τ,tY=φ(δ,ω,Z,Y,τ,t$$$$#$$$$%(3式中:M是转动惯量;Pmk为第k个发电机的机械输入功率;Pek为第k个发电机的电气输出功率;δ为发电机转子角;ω为转子角速度;k为发电机标号;τ为扰动源(包含扰动发生的形式和地点;Z为非运动状态矢量;Y代数量。由上观之,非线性模式分析法适用于复杂电力系统非线性动态特性,计及系统状态方程高阶项的影响,便于分析系统模式的非线性相关信息。其优点是能体现出系统的非线性本质特性,统一大小两种扰动,对多机系统也适用,不足是计算量大,无法保证得到足够可用的关键模式信息。总之,低频振荡分析首要是模型问题,模型的建立应当统一大扰动和小扰动,实现现场数据(如节点电压、电流等的共享,减小计算量和计算误差,然而,考虑到现代电力系统是一个具有发生混沌现象可能性的非线性系统,低频振荡常常体现为无规则性,其描述模型具有不确定性,可以预见:未来,随着控制科学、数学和信息技术的发展,非线性模式分析法的应用会更广泛。结合实际中低频振荡分析方法的应用,会发现低频振荡的研究归根到底要解决以下五个问题:第一,电力系统的阻尼状况如何;第二,电力系统是否发生低频振荡;第三,低频振荡发生的位置和模式;第四,系统元件或干扰源的参与程度如何;第五,低频振荡的振幅、衰减因子、振荡频率和相位对系统造成的影响。利用从系统中得到的信号直接获得系统信息(如系统特征值等的PRONY分析法是目前普遍被接受的低频振荡分析方法[2]。PRONY分析法实际上是一种信号处理方法,它可以对信号快速拟合,得到各分量的振幅、阻尼比、频率相角等信息,但系统中的噪声污染影响了它的拟合准确性。它虽然较好的解决了第二和第五个问题,在大、小干扰下效果都不错,但是,该方法却不能解决低频振荡的其它机制问题(第一、三、四个问题,所以未来关于低频振荡的研究方法应该以解决低频振荡的机制问题作为首先要解决的问题。3低频振荡的影响因素低频振荡的影响因素主要来自两个方面:电力系统本身和干扰源。具体说来,前者主要包括:系统结构、系统参数、负荷成分、负荷模型和系统运行方式。电力系统低频振荡的频率和出现振荡的发电机的台数与系统的结构直接相关,最常见的就是通过弱连接传输线实现互联的电网间的传输功率出现振荡;为实现发电机励磁系统的快速性,使用大量的可控硅装置,导致励磁系统的时间常数减小,系统阻尼降低,从而大大增加了发生低频振荡的可能性;文献[10]论证了当电力系统中多个节点的有功负荷增加时,会在电力系统中引起低频振荡;文献[10]通过仿真还得出:遭受扰动后,恒电流、恒阻抗负荷模型比恒功率模型更容易引起不稳定的振荡模式;当电力系统运行于重载方式下时,系统阻尼外界干扰的能力下降,在干扰作用下,系统易发生低频振荡,而且振荡对系统造成的危害较之于系统轻载下也更大。另外,热力系统、轴系机械系统对电力系统动态稳定性的影响也不能忽略。文献[14]采用一定的汽轮机压力功率模型通过仿真证明汽轮机压力脉冲会引起汽轮机输出机械功率的波动,当波动的频率与电力系统的固有机械频率相等或接近时,就会诱发共振机理的低频振荡。文献[2]认为当系统中某两个振荡频率和振幅接近时,还会衍生一种新的振荡—超低频振荡,此时影响该种振荡的因素就是两个振荡频率的接近程度和振幅。文献[9]提出了一种研究系统载荷和负荷特性对低频振荡影响的方法。文献[10]研究了负荷类型和负荷模型对低频振荡的影响,认为增加节点有功功率可能导致系统产生低频振荡,而且使用恒电流和恒阻抗模型比使用恒功率模型更能识别出不稳定的模态。4控制策略目前,对低频振荡控制策略的研究主要是基于其负阻尼机理的,通常从两方面入手:一次系统(输电侧和二次系