《电力系统低频振荡分析与抑制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力系统低频振荡分析与抑制（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电力系统低频振荡分析与抑制文 献 综 述一 引言“西电东送、南北互供、全国联网、厂网分开”己成为21世纪前半叶我国电力工业发展的方向。大型电力系统互联能够提高发电和输电的经济可靠性，但是多个地区之间的多重互联又引发了许多新的动态问题，使系统失去稳定性的可能性增大。随着快速励磁系统的引入和电网规模的不断扩大，在提高系统静态稳定性和电压质量的同时，电力系统振荡失稳问题也变得越来越突出。电力系统稳定可分为三类，即静态稳定、暂态稳定、动态稳定。电力系统发展初期，静态稳定问题多表现为发电机与系统间的非周期失步。电力系统受到扰动时，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
2、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一般被认为是系统缺乏阻尼或者系统阻尼为负。由系统缺乏阻尼或者系统阻尼为负引起的功率波动的振荡频率的范围一般为0.22.5Hz，故称为低频振荡。随着电网的不断扩大，静态稳定问题越来越表现为发电机或发电机群之间的等幅或增幅性振荡，在互联系统的弱联络线上表现的尤为突出。由于主要涉及转子轴系的摆动和电气功率的波动，因此也称为机电振荡。低频振荡严重影响了电力系统的稳定性和机组的
3、运行安全。如果系统稳定遭到破坏，就可能造成一个或几个区域停电，对人民的生活和国民经济造成严重的损失。最早报道的互联电力系统低频振荡是20世纪60年代在北美WSCC成立前的西北联合系统和西南联合系统试行互联时观察到的，由于低频振荡，造成联络线过流跳闸，形成了西北联合系统0.05Hz左右、西南联合系统0.18Hz的振荡。随着电网的日益扩大，大容量机组在网中的不断投运，快速、高放大倍数励磁系统的普遍使用，低频振荡现象在大型互联电网中时有发生，普遍出现在各国电力系统中,已经成为威胁电网安全的重要问题。我国处于全国联网的初期，联网要经过从弱联系到强联系的发展过程。交流弱联系统存在十分突出的安全稳定问题，
4、在某些运行方式下存在诱发低频振荡的可能性。开发西部水、火电能源、实施西电东送，是国家能源工业建设的基本战略。随着三峡水利工程的建设投运和西部水电的进一步开发，中国的电力系统将朝着“全国联网，西电东送”的格局稳步发展。超高压远距离供电和全国联网的实施，使我国的互联电力系统成为世界上少有的超大规模同步交流系统之一。随着电力网络互联程度的不但提高，系统越来越庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使电网的安全稳定问题越来越突出。在这种格局下，电力交换更加频繁，会出现更多长距离、重负荷输电线路，出现长距离输电走廊、出现长条形的扁平系统结构，特别容易引发低频振荡，从而引起更加突出
5、的系统稳定性问题。在现代大电网中，各区域、各部分互相联系、密切相关、在运行过程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全措施，一个局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大面积的系统瓦解，对人民生活及国民经济造成灾难性损失。由于低频振荡严重威胁到互联电力系统的安全稳定运行，所以对该问题的研究，包括机理、数学模型、分析方法、影响因素及控制器设计等方面备受关注。因此，研究研究低频振荡现象的发生机理，更全面的认识低频振荡过程，进而提出有针对性的抑制策略，提高电力系统的稳定性，具有重大的社会经济意义。二.低频振荡机理的研究现状对低频振荡的物理本质的研究，一直是国内外专家学者研究的
6、热点。关于它的发生机理，主要有以下几个方面:1、欠阻尼机理由于在特定情况下系统提供的负阻尼作用抵消了系统电机、励磁绕组和机械等所产生的正阻尼，在欠阻尼的情况下扰动将逐渐被放大，从而引起系统功率的振荡。还有一种比较特殊的欠阻尼情况，若系统阻尼为零或者较小，则由于扰动的影响，出现不平衡转矩，使得系统的解为一等幅振荡形式，当扰动的频率和系统固有频率相等或接近时，这一响应就会因共振而被放大，从而引起共振型的低频振荡。这种低频振荡具有起振快、起振后保持同步的等幅振荡和失去振荡源后振荡很快衰减等特点，是一种值得注意的振荡产生机理。2、模态谐振机理电力系统的线性与模态性质随系统参数的变化而变化，当两个或多个
7、阻尼振荡模态变化至接近或相同状态，以至相互影响，导致其中一个模态变得不稳定，若此时系统线性化模型是非对角化的，就称之为强谐振状态;反之为弱谐振状态。强谐振状态是导致发生低频振荡的先导因素。当出现或接近强谐振状态时，系统模态变得非常敏感，反应在复平面上，随着参数变化，特征值迅速移动，变化接近，这样，对于频率接近的系统特征值在强谐振之后，阻尼很快变得不同，其中一个特征值穿过虚轴，从而引起振荡。3、发电机的电磁惯性引起的低频振荡由于发电机励磁绕组具有电感，则由励磁电压在励磁绕组中产生的励磁电流将是一个比它滞后的励磁电流强迫分量，这种滞后将产生一个滞后的控制，而这种滞后的控制在一定条件下将引起振荡。而
8、且由于发电机的转速变化，引起了电磁力矩变化与电气回路藕合产生机电振荡，其频率为0.2-2 Hz。4、过于灵敏的励磁调节引起低频振荡为了提高系统稳定，在电力系统中广泛采用了数字式、高增益、强励磁倍数的快速励磁系统，使励磁系统的时间常数大大减小。这些快速励磁系统可以对系统运行变化快速作出反应，从而对其进行灵敏快速的调节控制，从控制方面来看，过于灵敏的调节，会对较小的扰动做出过大的反应，这些过大的反应将对系统进行超出要求的调节，这种调节又对系统产生进一步的扰动，如此循环，必将导致系统的振荡。5、电力系统非线性奇异现象引起低频振荡根据电力系统小扰动稳定性理论，系统的特征值实部为负，则系统是稳定的;若特
9、征值出现零值或是实部为零的一对虚根，则为稳定的临界状态；若特征值为正实数或是有正实部的复数，则都是不稳定的。但实际上，由于系统的非线性特性，系统在虚轴附近将出现奇异现象。即使系统的特征值全为负或是有负的实部的复数，在小扰动下，非线性造成的分歧也可能使系统的特性和状态发生突变，产生增幅振荡。6、不适当的控制方式导致低频振荡抑制低频振荡的过程，就是调节励磁电流，使它产生的电磁转矩减缓转子在速度变化中的动能和未能的转换。但在一些扰动中，机端电源和电磁转矩对励磁电流的要求会产生矛盾，使励磁调节不能同时满足二者的要求，甚至起了相反的作用，破坏了系统的稳定7、混沌振荡机理混沌现象是在完全确定的模型下产生的
10、不确定现象，它是由非线性系统中各参数相互作用而导致的一种非常复杂的现象。针对低频振荡的参数进行分析得出了如下结论: 仅有阻尼而无周期性负荷扰动时，系统不会出现混沌振荡； 在周期性扰动负荷的作用下且当扰动负荷的值超过一定范围的时候，系统出现混沌振荡； 在周期性负荷扰动下，当阻尼系数接近某一数值时，系统发生混沌振荡。以上是从内部因素考虑的低频振荡发生的机理，还有一些具体的外部因素也是导致低频振荡发生的原因，内部原因和外部原因互为因果关系，可以相互解释。三低频振荡的分析方法1、小扰动分析法小扰动分析法又称为特征值分析法，是采用线性化系统分析的方法，可以提供有价值的线性化系统频域信息。对于简单的电力系
11、统或者是机组不多的系统，采用罗斯(Routh)判据；对于机组较多的电力系统，采用状态空间法。具体的过程如图1所示。根据判断A矩阵特征值方法的不同，小扰动法又分为全部特征值法和部分特征值法。（1）全部特征值法最初是采用Q-R算法，算出系统全部的特征值，找出系统全部振荡模态。但此法占用内存空间大，计算速度慢，且容易产生“维数灾”。因此适用于中等规模的电力系统。目前对于互联电网而言，采用在原来Q-R算法的基础上，利用分解算法对全部特征值进行并行计算，从而降低计算过程中的阶数。在电力系统综合程序(PSASP6.l)小干扰稳定计算模块还提供了逆迭代转Rayleigh商迭代法，采用稀疏矩阵技术，使之不受系
12、统规模的限制，可以求解出所需系统的特征值和特征向量，此法是目前比较常用的算法之一。计算给定运行情况下各变量的稳态值对描述系统的数学模型在稳态值附近线性化形成状态矩阵A，根据其特征值的性质判断稳定性 图1 小扰动分析方法的过程（2）部分特征值法又称降阶特征值法(SMA)，是只计算一部分对稳定性判别起关键作用的特征值，利用矩阵稀疏技术及其他技巧来分析，PSASP中的同时迭代法就是采用这种原理，可满足互联电网的速度和精度的要求，但容易产生漏掉某些负阻尼或弱阻尼模式。之后提出了再改进的SMA法，这一方法是依据低频振荡失稳振荡模式的特征，巧妙避开了改进SMA算法中对迭代初值的求解，运用反幂法在右半平面上
13、搜索失稳的机电振荡模式，从而有效避免了丢根和收敛到非机电模式的情形。AESOPS(Analysis of Essentially Spontaneous Oscillations in Power System)算法仅计算与转子角模式相关的特征值，而且一次只算一对共扼特征值。是通过在所选电机的转子上施加一个外部转矩来计算的。系统的复频率响应是通过求解一组适当的复合代数方程来计算的。线性系统响应决定了特征值修正估计值，这个过程一直重复到对所选发电机的影响特别大时结束。如果发电机的主振荡模态有几个，那么所计算的特征值取决于初始估计值。此法的限制之一是需要大量的搜索计算以便找到所有的临界模式，除非临
14、界模式的一般特性事先已知。Amoldi法也是一种降阶方法，但算法本身数值特性不好，对于出现几个主振荡模态的情况，将失去正交性并且收敛很慢。随后提出的改进的Amoldi方法(MAM)解决了正交性和迭代过程中的一些问题，基于降阶技术把要计算特征值的矩阵简化成一个上三角的海森博格(Hessenberg)矩阵，当m等于n时，的特征值就是的特征值；当mn时，的特征值就是特征值的一个子集。而且，的特征值总可以收敛到的最大(和最小)模的特征值，因此可计算任何系统模式对应的特征值，也解决了AESOPS算法局限性的问题。后面两种方法是国际上通用的大型电力系统特征值计算方法，是美国EPRI的SSSP软件包的标准模
15、块。2、基于非线性动态方程的分歧理论分析法上述小扰动分析法是平衡点局部线性化方法，能有效地反应线性化系统的局部稳定特性。但整个电力系统是非线性的，这种方法必然会产生一些纸漏。基于非线性动态方程的分歧理论分析法，是用分叉理论将特征值和高阶多项式结合起来，从数学空间结构上来考虑系统的稳定性。基于此，可知电力系统低频振荡稳定极限是与系统微分方程发生Hopf分叉的情况相联系的，因此可用局部分叉理论的Hopf分叉来分析。但目前此法对系统的规模及方程的阶数有所限制，故还需要进一步研究。3、模态级数分析法向量场的正则型技术将线性分析技术扩展到可以包含电力系统动态中的非线性相互作用，并成功地应用于研究非线性系
16、统性能的各个方面。模态级数方法是属于非线性动态理论中的另一种分析方法，它在电力系统中的应用是崭新的，可用来表示非线性响应和获得非线性系统零输入响应的近似闭式解表达式，而不需要非线性变换。此法能提供比正则型技术更准确的非线性近似，因为二次模态级数近似比二次正则型近似可捕获更多的非线性作用。非线性法正好可以和小干扰分析法对应，小干扰分析法可以理解为将系统模型一阶展开，即得到线性化模型，从而进行一系列计算，却没有考虑二阶或是更高阶的模态交互作用现象，而正则型技术与模态级数正是从这个角度出发来解决问题的，把电力系统的非线性充分考虑进来，分析低频振荡的发生机理，但两方法在此方面还有待于我们进一步的研究。4、时域仿真时域仿真是借助计算机并以数值分析为基础，得出系统在一定扰动下的时域运行变化情况。这一方法
