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1、华中科技大学硕士学位论文电力系统低频振荡分析方法探讨姓名：熊甜申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：李银红20090527华中科技大学硕士学位论文 I摘 要 电力系统低频振荡分析方法是研究低频振荡产生机理和控制策略的基础。随着现代电力系统逐步复杂及动态设备和非线性理论等新技术与理论的迅速发展，常规分析方法都突显出很多不足之处。因此，有必要研究新的振荡分析方法，从而更加有效地揭示互联系统的振荡机理。 本文从分析的角度对低频振荡问题进行探讨，首先系统阐述用于低频振荡的主要分析方法，并指出各种方法的优缺点及适用范围。接着分析 Prony算法在低频振荡中的应用，对其基本原理、常用指标以及
2、参数选择进行了详细阐述，指出 Prony算法在电力系统低频振荡非线性分析中的局限性。然后探讨希尔伯特黄（HHT）算法在低频振荡非线性分析中的应用，用 HHT 提取故障暂态信息和模式参数，分析低频振荡中的动态振荡特性，并研究各模式之间的非线性相互作用。接着，在此基础上提出一种基于经验模态分解（EMD） 的 Prony低频振荡分析新方法。 将 EMD作为数据预处理手段，不仅克服了 Prony算法难以处理非平稳信号的缺点，还使其能有效处理非轴对称信号，从而大大减少了分析误差，为电力系统稳定分析提供了新的工具。最后通过 EPRI- 36 节点仿真分析，比较各种分析方法的优缺点，分析每种方法的适用范围以
3、及在线辨识的应用。 关键词：电力系统；低频振荡；分析方法；Prony 算法；HHT；经验模态分解； 在线辨识。 华中科技大学硕士学位论文 IIAbstract Research on the analysis method for low frequency oscillation of power system is the basis to study the mechanism for low frequency oscillationsWith modern power networks complicated gradually，dynamic non- linear theory
4、grown rapidly，and new equipment and technologies used widespread，the conventional analysis methods have many shortcomings Therefore， it is necessary to study new methods of vibration analysis in order to more effectively reveal the mechanism of oscillation of the interconnected system This paper fro
5、m the perspective of the analysis explored the issue about low frequency oscillationsFirstly，system for low frequency oscillations of the main analytical methods are summarized， and pointed out the advantages and disadvantages of various methods and the scope of applicationSecondly，Prony algorithm i
6、s Proposed in the analysis of low- frequency oscillations，including the application of its basic principles，common indicators and setting parameters in detail，pointed out that Prony algorithm for low- frequency oscillations in power system analysis have the limitations of non- linear systems researc
7、hThirdly，the HilbertHuang （HHT） algorithm for low- frequency oscillations in nonlinear is introducedThe fault transient information from HHT and extract parameters of models were analyzed the dynamics of low- frequency oscillations and the oscillation characteristics，also between the various models
8、with nonlinear interactionOn this basis，then based on empirical mode decomposition （EMD） of the Prony analysis method of low- frequency oscillations is developedThe EMD used as a pre- processing data method，it means that the Prony algorithm could overcome not only difficulty to deal with the shortco
9、mings of non- stationary signals，as well as the problem difficult to select wavelet of small and medium- sized wavelet algorithm，but also to enable them to effectively deal with 华中科技大学硕士学位论文 IIInon- axis symmetric signals，greatly reducing the analysis errorsIt provides a new tool for power system st
10、ability analysisFinally，EPRI- 36 node simulation is analyzed of the three algorithms，compare the advantages and disadvantages of various analytical methods and analyze the scope of application and the utilization in on- line identification area of each method Keywords：Power system Low Frequency Osci
11、llation Analysis Method Prony HHT EMD On- line identification 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，
12、 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华中科技大学硕士学位论文 11 绪论 1.1 本课题研究背景 电力系统联网初期， 同步发电机之间联系紧密， 阻尼绕组可以产生足够的阻尼，低频振荡少有发生。随着电网互联规模的扩大，世界各地许多电网中都观察到了低频振荡，低频振荡问题逐渐受到关注1。如 1976 年美国西部联合系统发
13、生了 0.20.3Hz的区间低频振荡；1996 年美国大停电事故的直接原因是低频振荡；日本、欧洲等发生过低频振荡23。在我国，随着快速励磁装置的增加，也出现了低频振荡现象2，如：1983 年湖南电网的凤常线、湖北电网的葛凤线；1994 年南方的互联系统；1998 年、2000 年川渝电网的二滩电站的电力送出系统；2003 年 2、3 月南方香港的交直流输电系统；2005 年 10 月华中电网等。以上电网都曾发生全网性功率振荡4。电力系统低频振荡一旦发生，将严重威胁电网的安全稳定运行，甚至可能诱发连锁反应事故，造成严重的后果5。因此，对低频振荡进行深入研究并分析其控制策略具有十分重要的意义。 低
14、频振荡作为电力系统的一种复杂动态行为，分析与控制的难度都较大。目前对电力系统低频振荡的研究主要包括三个方面：研究其产生机理，讨论其与各种相关因素的关系以及研究各种有效的抑制控制方法手段。本文对低频振荡的分析方法进行探讨，着重分析目前讨论较多的 Prony算法和希尔伯特黄（HHT）算法，提出一种结合经验模态分解（EMD）和 Prony的新型算法，最后通过仿真结果比较分析以上各种算法的优缺点和适用范围，指出在低频振荡研究中存在的局限性和需要进一步研究的问题。 1.2 低频振荡的分类和产生机理 低频振荡属于电力系统小扰动稳定范围，由于发电机转子间由于阻尼不足而引起的功率振荡，其振荡频率较低，一般在
15、0.12.5Hz之间，因此命名为低频振荡5。华中科技大学硕士学位论文 2按振荡频率的大小和振荡涉及的范围来看，电力系统低频振荡大致分为两类1,5： 1.局部振荡模式（Local modals） ，是指厂站内的机组之间或电气距离较近的厂站机组之间的振荡，这种振荡局限于区域内，其影响范围较小且易于消除。这种振荡频率较高，一般在 0.72.5Hz之间6。 2.区域振荡模式（Inter- area modals） ，是指一部分机群相对于另一部分机群的振荡，在联系较薄弱的互联系统中，耦合的两个或多个发电机群间常发生这种振荡。由于电气距离较大，同时发电机群的等值发电机的惯性时间常数较大，其振荡频率较低，一
16、般在 0.10.7Hz之间6。 低频振荡的产生机理主要有 3 方面4： （1）负阻尼产生机理。基于系统调节器的作用，系统的特征根发生变化且产生附加的负阻尼，导致增幅振荡。 （2）共振或谐振机理。当系统的自然频率和系统的扰动信号或输入信号存在某种特定关系时会诱发谐振，当其处于低频区域时表现为低频振荡。 （3）非线性理论机理。系统非线性特性的影响使系统在某些运行范围内稳定结构发生变化，引发低频振荡。 1.3 低频振荡的分析方法 低频振荡是小扰动稳定中的一种，主要有线性理论分析方法和非线性理论分析方法。线性理论方面有线性模式分析法，非线性理论方面有数值仿真法、信号分析法、正规形法、模态级数法、分叉混沌理论、广域测量信息辨识等。各种方法都有优缺点及适用范围，下面将逐一讨论。 1.3.1 线性理论分析方法 线性模式分析法的本质为李雅普诺夫线性化方法7，也称为
