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1、2013年春季学期学习总结汇报年春季学期学习总结汇报主讲人：贺主讲人：贺 兴兴 安安时时 间：间：2013年年07月月23日日1 低频振荡低频振荡2 汽轮机调节原理汽轮机调节原理3 风力发电风力发电4 电力系统调频电力系统调频5 风电参与调频的研究现状风电参与调频的研究现状6 下一步规划下一步规划讲座内容讲座内容1 低频振荡低频振荡 基本定义基本定义: 在在电电力力互互联联系系统统中中，发发电电机机经经输输电电线线路路并并列列运运行行时时，在在扰扰动动的的作作用用下下，会会发发生生发发电电机机转转子子间间的的相相对对摇摇摆摆，表表现现在在输输电电线线路路上上就就会会出出现现功功率率波波动动。当
2、当暂暂态态扰扰动动消消失失后后，发发电电机机转转子子间间的的摇摇摆摆平平息息得得很很慢慢甚甚至至持持续续增增大大，以以致致破破坏坏了了互互联联系系统统之之间间的的静静态态稳稳定定，最最终终将将使使互互联联系系统统解解列列。同同时时由由于于这这种种持持续续振振荡荡的的频频率率很很低低，一一般般在在0.0.1 12.52.5HzHz之间，故称为之间，故称为低频振荡低频振荡 1 低频振荡低频振荡图2-3 500kv丰万一线有功功率第一次振荡PMU 录波图2 电力系统低频振荡基本概念电力系统低频振荡基本概念电力系统低频振荡分类：电力系统低频振荡分类：局部振荡模式(Local Modes)，它涉及同一电
3、厂内的发电机(或电气距离很近的几个发电厂的发电机)与系统内的其余发电机之间的振荡，振荡频率约为0.82.5Hz。或称厂内型低频振荡。区域间振荡模式(Inter-area Modes），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，频率范围约为0.10.8Hz，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。 n n发电机电磁转矩的动态线性化方程：发电机电磁转矩的动态线性化方程：发电机电磁转矩的动态线性化方程：发电机电磁转矩的动态线性化方程：3.1单机
4、无穷大系统的单机无穷大系统的K1K6K1K6小扰动模型小扰动模型小扰动模型小扰动模型可知：系数可知：系数可知：系数可知：系数K1K1、K2K2与发电机的参数、初始运行、系统联系的强弱与发电机的参数、初始运行、系统联系的强弱与发电机的参数、初始运行、系统联系的强弱与发电机的参数、初始运行、系统联系的强弱（X X的大小）等有关。一般运行条件下的大小）等有关。一般运行条件下的大小）等有关。一般运行条件下的大小）等有关。一般运行条件下 K1K1、K2K2为正。为正。为正。为正。3 低频振荡数学模型的建立低频振荡数学模型的建立n n发电机电磁转矩的动态线性化方程：发电机电磁转矩的动态线性化方程：发电机电
5、磁转矩的动态线性化方程：发电机电磁转矩的动态线性化方程：3 低频振荡数学模型的建立低频振荡数学模型的建立可知：可知：可知：可知： K3K3总为正；总为正；总为正；总为正；K4K4与运行工况有关，一般条件下与运行工况有关，一般条件下与运行工况有关，一般条件下与运行工况有关，一般条件下K4K4为正。为正。为正。为正。n n发电机端电压的动态线性化方程：发电机端电压的动态线性化方程：发电机端电压的动态线性化方程：发电机端电压的动态线性化方程：3 低频振荡数学模型的建立低频振荡数学模型的建立可知：可知：可知：可知：K5K5、K6K6与运行工况有关与运行工况有关与运行工况有关与运行工况有关 。 K6 K
6、6总为正总为正总为正总为正 。 在发电机负荷较小时，在发电机负荷较小时，在发电机负荷较小时，在发电机负荷较小时， K5 K5 为正；在负荷较大时，因为正；在负荷较大时，因为正；在负荷较大时，因为正；在负荷较大时，因 增增增增大，大，大，大，K5K5为负为负。n n由此构建的由此构建的由此构建的由此构建的K1K6K1K6模型：模型：模型：模型：3 低频振荡数学模型的建立低频振荡数学模型的建立n n考虑阻尼转矩由此构建的考虑阻尼转矩由此构建的考虑阻尼转矩由此构建的考虑阻尼转矩由此构建的K1K6K1K6模型：模型：模型：模型：3 低频振荡数学模型的建立低频振荡数学模型的建立+PSS或P=PmPe1+
7、K3Td0 sK3TJ s1s0K1K5K4励磁系统K6K2+MmMEqEdeUGUREFD不计励磁调节时，无此部分4 电力系统低频振荡产生机理电力系统低频振荡产生机理(1)负阻尼机理负阻尼机理: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: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
8、产生系统的振荡。其中，应用最多的是负阻尼机理其中，应用最多的是负阻尼机理。4 电力系统低频振荡产生机理电力系统低频振荡产生机理负阻尼负阻尼Growing oscillations正阻尼正阻尼Oscillations damp out12431234 电力系统低频振荡产生机理电力系统低频振荡产生机理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，而系统阻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，而系统阻尼与系统本身结构有关系。进一步研究尼与系统本身结构有关系。进一步研究 对发电机总阻尼转矩的具对发电机总阻尼转矩的具体影响体影响同步转矩同步转矩同步转矩同步转矩维持发电机同步运行维持发
9、电机同步运行维持发电机同步运行维持发电机同步运行阻尼转矩阻尼转矩阻尼转矩阻尼转矩总是阻止发电机转子偏离同步速总是阻止发电机转子偏离同步速总是阻止发电机转子偏离同步速总是阻止发电机转子偏离同步速度。度。度。度。阻尼转矩包括：发电机的机械阻尼转矩、电气阻尼转矩包括：发电机的机械阻尼转矩、电气阻尼转矩、阻尼绕组的阻尼转矩、阻尼转矩、阻尼绕组的阻尼转矩、PSS的阻尼转的阻尼转矩。矩。（1 1）机械阻尼转矩：）机械阻尼转矩：）机械阻尼转矩：）机械阻尼转矩：4 电力系统低频振荡产生机理（2 2）阻尼绕组的阻尼转矩）阻尼绕组的阻尼转矩）阻尼绕组的阻尼转矩）阻尼绕组的阻尼转矩 阻尼绕组的阻尼可以考虑在阻尼绕组
10、的阻尼可以考虑在阻尼绕组的阻尼可以考虑在阻尼绕组的阻尼可以考虑在D D中，或考虑在发电中，或考虑在发电中，或考虑在发电中，或考虑在发电机模型中。机模型中。机模型中。机模型中。（3 3）发电机的电气阻尼转矩）发电机的电气阻尼转矩）发电机的电气阻尼转矩）发电机的电气阻尼转矩近似计算近似计算近似计算近似计算 假设励磁系统是一个高放大倍数、快速控制系统，假设励磁系统是一个高放大倍数、快速控制系统，假设励磁系统是一个高放大倍数、快速控制系统，假设励磁系统是一个高放大倍数、快速控制系统，其传递函数为：其传递函数为：其传递函数为：其传递函数为： 4 电力系统低频振荡产生机理其中：其中：为振荡角频率为振荡角频
11、率发电机的电气阻尼系数发电机的电气阻尼系数发电机的电气阻尼系数发电机的电气阻尼系数发电机的电磁转矩：发电机的电磁转矩：（4 4-1-1）（4 4-2-2）4 电力系统低频振荡产生机理图图图图3-6 K503-6 K50的电气阻尼转矩的电气阻尼转矩的电气阻尼转矩的电气阻尼转矩n 当当当当K5 0K5 0时时时时 将将将将s=js=j代入，代入，代入，代入， TTe2e2超前超前超前超前的的的的角度为角度为角度为角度为在第二象限，如图所示。可见：在第二象限，如图所示。可见：在第二象限，如图所示。可见：在第二象限，如图所示。可见：K50K50时，电磁转矩时，电磁转矩时，电磁转矩时，电磁转矩TeTe在
12、在在在轴轴轴轴上的分量（阻尼转矩）为正。当它上的分量（阻尼转矩）为正。当它上的分量（阻尼转矩）为正。当它上的分量（阻尼转矩）为正。当它足够大时，系统不会发生低频振荡。足够大时，系统不会发生低频振荡。足够大时，系统不会发生低频振荡。足够大时，系统不会发生低频振荡。电磁转矩在电磁转矩在电磁转矩在电磁转矩在轴上的分量为系统轴上的分量为系统轴上的分量为系统轴上的分量为系统的同步转矩，是维持发电机同步运的同步转矩，是维持发电机同步运的同步转矩，是维持发电机同步运的同步转矩，是维持发电机同步运行的转矩。行的转矩。行的转矩。行的转矩。4 电力系统低频振荡产生机理n n当当当当K5 0K5 0时时时时 将将s
13、=j代入，代入， Te2滞后滞后的角度为的角度为在第四象限，如图所示。在第四象限，如图所示。 可见：可见：K50 K50 电气阻尼转矩电气阻尼转矩电气阻尼转矩电气阻尼转矩00K50 K50 电气阻尼转矩电气阻尼转矩电气阻尼转矩电气阻尼转矩004 电力系统低频振荡产生机理由之前所建电力系统模型可得出由之前所建电力系统模型可得出 表达式如下：表达式如下：由该表达式易得出：由该表达式易得出： 的大小与功角的大小与功角 有关，有关，那么通过实际研究找到影响那么通过实际研究找到影响 的因素，便可以找的因素，便可以找到影响到影响 的因素，进一步找到影响系统阻尼的因的因素，进一步找到影响系统阻尼的因素，最终
14、找出低频振荡的原因。素，最终找出低频振荡的原因。4 电力系统低频振荡产生机理从系统接线、运行方式、负载、发电机及原动机的从系统接线、运行方式、负载、发电机及原动机的调节系统等几个角度出发总结出影响系统阻尼的五调节系统等几个角度出发总结出影响系统阻尼的五个因素如下：个因素如下：n电网结构电网结构：根据根据 可知，可知，系系统等值电抗统等值电抗 越大，功角越大，功角 增大，致使增大，致使 负值负值增大，导致负阻尼更严重。增大，导致负阻尼更严重。4 电力系统低频振荡产生机理n联络线负载：联络线负载：联络线负载增大，发电机的输出功率联络线负载增大，发电机的输出功率增大，功角增大，功角增大，增大，K5
15、负值增大，阻尼减弱，所以低负值增大，阻尼减弱，所以低频振荡会在联络线功率较大时发生。频振荡会在联络线功率较大时发生。n运行方式：运行方式：低谷时系统电压较高，部分机组进相低谷时系统电压较高，部分机组进相运行，送出同样有功时，功角运行，送出同样有功时，功角增大，致使增大，致使K5负值增负值增大，阻尼减弱。因此，低频振荡往往在夜间或节假日大，阻尼减弱。因此，低频振荡往往在夜间或节假日轻负荷时也发生，这点尤其值得注意。轻负荷时也发生，这点尤其值得注意。4 电力系统低频振荡产生机理n负荷性质：负荷性质：电压变化时，负荷功率随电压变化越电压变化时，负荷功率随电压变化越大，负荷对阻尼的影响也越大。因此，邻
16、近发电机大大，负荷对阻尼的影响也越大。因此，邻近发电机大负荷的特性也是影响阻尼的重要因素。负荷的特性也是影响阻尼的重要因素。n自动励磁电压调节器自动励磁电压调节器(AVR)：当当大时，大时，K5 负，负，AVR 提供负阻尼，其增益在一定范，围内增高时提供负阻尼，其增益在一定范，围内增高时负阻尼增大，时间常数越小，负阻尼越大。负阻尼增大，时间常数越小，负阻尼越大。5 电力系统低频振荡抑制措施 由于低频振荡产生的原因就其本质而言，是系统的控制由于低频振荡产生的原因就其本质而言，是系统的控制措施带来的负阻尼，所以抑制思路有两类：措施带来的负阻尼，所以抑制思路有两类：（1）调整控制措施，减少其带来的负
17、阻尼。）调整控制措施，减少其带来的负阻尼。（2）通过附加的反馈控制，提供额外的阻尼。）通过附加的反馈控制，提供额外的阻尼。 由于前者的控制措施都是为了提高系统的稳定性、经性由于前者的控制措施都是为了提高系统的稳定性、经性和和供供电电质质量量，调调整整其其控控制制会会带带来来其其它它损损失失，一一般般避避免免使使用用这这类方法，故一般采用类方法，故一般采用第二种思路第二种思路消除低频振荡的总思路分析：消除低频振荡的总思路分析：5 电力系统低频振荡抑制措施 由由于于系系统统一一般般分分为为发发电电、输输电电和和用用电电三三个个环环节节，而而对对用用户户实实施施管管理理和和控控制制比比较较困困难难，
18、所所以以目目前前抑抑制制低低频频振振荡的措施主要在发电和输电环节实施：荡的措施主要在发电和输电环节实施： 1）发电侧主要是对）发电侧主要是对励磁系统和调速系统励磁系统和调速系统增加附加控制增加附加控制 2）输输电电侧侧主主要要利利用用FACTs设设备备快快速速的的控控制制系系统统提提供供附附加控制加控制5 电力系统低频振荡抑制措施具体到实际低频振荡的抑制策略可以分为具体到实际低频振荡的抑制策略可以分为一次一次系统系统方面的策略和方面的策略和二次系统二次系统方面的策略两类：方面的策略两类： 一次系统的对策主要有以下四方面一次系统的对策主要有以下四方面: a)增增强强网网架架结结构构，减减少少重重
19、负负荷荷输输电电线线，并并减减少少送送、受受端端间的电气距离，从而减少送、受电端之间的转子角差。间的电气距离，从而减少送、受电端之间的转子角差。b)采用串联电容补偿，减少送、受电端的电气距离。采用串联电容补偿，减少送、受电端的电气距离。c)采用直流输电方案，使送、受端间不发生功率振荡。采用直流输电方案，使送、受端间不发生功率振荡。d)在在长长距距离离输输电电线线中中部部装装设设静静止止无无功功补补偿偿器器SVS作作电电压压支支撑，并通过其控制系统改善系统动态性能。撑，并通过其控制系统改善系统动态性能。5 电力系统低频振荡抑制措施二次系统的对策主要有以下三方面二次系统的对策主要有以下三方面:a)
20、采用电力系统稳定器采用电力系统稳定器PSS作励磁附加控制作励磁附加控制 目前世界上通用的做法是在励磁系统中加装目前世界上通用的做法是在励磁系统中加装PSS来提来提高发电机的阻尼。高发电机的阻尼。PSS投入后，既可以阻尼区域间的振荡投入后，既可以阻尼区域间的振荡模式，也可以阻尼局部振荡模式。模式，也可以阻尼局部振荡模式。PSS的输入信号可以是的输入信号可以是发电机转子角度偏差，转速偏差，功率偏差，频率偏差或发电机转子角度偏差，转速偏差，功率偏差，频率偏差或者前几者的组合。者前几者的组合。5 电力系统低频振荡抑制措施b)加装直流小信号调制加装直流小信号调制 在交直流并联运行的系统里面，可以用直流小
21、信号在交直流并联运行的系统里面，可以用直流小信号调制增加对系统低频振荡的阻尼。最成功的例子是美国调制增加对系统低频振荡的阻尼。最成功的例子是美国太平洋联络线，不但起到了抑制低频振荡的作用，还使太平洋联络线，不但起到了抑制低频振荡的作用，还使原来的交流联络线的输送容量从原来的交流联络线的输送容量从2100MW提高到了提高到了2500MW 。5 电力系统低频振荡抑制措施c)加装加装FACTS装置装置 FACTS装置如装置如SVC，STATCOM,TCSC等具有调节等具有调节迅速灵活的特点，对改善系统稳定性能具有良好的作用。迅速灵活的特点，对改善系统稳定性能具有良好的作用。 以以TCSC为例，利用为
22、例，利用TCSC能快速调节其补偿电抗的能快速调节其补偿电抗的能力，可以有效地阻尼互联电网的区域间低频振荡，比如能力，可以有效地阻尼互联电网的区域间低频振荡，比如巴西的南北联络线，就是采用巴西的南北联络线，就是采用TCSC来抑制南北之间的区来抑制南北之间的区域间低频功率振荡。域间低频功率振荡。6 PSS基本介绍 在第五章所述电力系统低频振荡抑制在第五章所述电力系统低频振荡抑制措施中，通过给励磁系统中加装措施中，通过给励磁系统中加装PSS（电（电力系统稳定器）是最通用的一种方式。力系统稳定器）是最通用的一种方式。 本章就通过对本章就通过对PSS的基本介绍来具体的基本介绍来具体阐述消除电力系统低频振
23、荡的具体过程。阐述消除电力系统低频振荡的具体过程。6 PSS基本介绍6.1 基本原理基本原理 本质本质：产生一个正阻尼以抵消励磁控制系产生一个正阻尼以抵消励磁控制系统的负阻尼统的负阻尼 。 6 PSS基本介绍6.2 设计思路设计思路具体到传递函数具体到传递函数6 PSS基本介绍转速信号经过G（s）后引至励磁系统的电压参考点6.3 传递函数传递函数6 PSS基本介绍6.4 基本构成环节基本构成环节a)相位校正环节：相位校正环节：用以抵消励磁系统用以抵消励磁系统惯性环节的滞后角惯性环节的滞后角b)信号复归环节信号复归环节：在稳态时在稳态时PSS不影不影 响发电机的稳态运行电压响发电机的稳态运行电压
24、c)PSS的信号单元的传递函数的信号单元的传递函数:6 PSS基本介绍分频器，将3000Hz正弦波转换为50Hz方波频率电压变换是将50 HZ波转换为与转速偏差成正比的电压信号陷波器是将机组的扭振频率信号滤除，由二级滤波器构成放大器是满足信号对增益选择的要求转速测量频率电压变换陷波器超前/滞后放大信号复归综合限制辅助延时3000Hz20V7 GPSS简单介绍 第第六六、七七章章所所讲讲的的PSS主主要要是是用用在在励励磁磁系系统统上上，也也称称为为EPSS,而本章将简单介绍应用于而本章将简单介绍应用于调速系统调速系统的的PSS,即即GPSS图 8-1 电力系统机网耦合模型7 GPSS简单介绍
25、相比于相比于EPSS,GPSS有以下几方面可取之处有以下几方面可取之处:鲁棒性好鲁棒性好多机具有解耦性和恒正阻尼特性多机具有解耦性和恒正阻尼特性调速系统与发电机组和电网联系弱，使得在增加机组自身调速系统与发电机组和电网联系弱，使得在增加机组自身阻尼的同时而不给别的机组带来负阻尼，从而有效避免了阻尼的同时而不给别的机组带来负阻尼，从而有效避免了参数的协调和安装地点的选择参数的协调和安装地点的选择7 GPSS简单介绍 GPSS基本原理基本原理:同EPSS一样，GPSS也是通过控制产生一个纯正阻尼力矩。7 GPSS简单介绍 GPSS基本原理基本原理:同同EPSS一样，一样，GPSS也是通过控制产生一
26、个纯正阻尼力矩。也是通过控制产生一个纯正阻尼力矩。其具体传递函数为：其具体传递函数为：7 GPSS简单介绍 汽轮机调速系统实现汽轮机调速系统实现GPSS的可行性：的可行性： 之之前前所所研研究究的的GPSS是是在在水水轮轮机机调调速速系系统统上上应应用用，虽虽然然调调速速控控制制效效果果有有效效，但但因因为为调调速速油油泵泵工工作作频频繁繁而而引引起起过过热热，提提法受阻。法受阻。 而而与与水水轮轮机机相相比比，大大型型汽汽轮轮机机广广泛泛采采用用电电液液调调速速器器，调调速系统时间常数远比水轮机小，为使用速系统时间常数远比水轮机小，为使用PSS提供了可能。提供了可能。 而而具具体体到到实实际
27、际中中，GPSS能能否否应应用用于于调调速速系系统统的的关关键键是是解解决决调调速速系系统统时时间间常常数数大大和和存存在在间间隙隙死死区区。这这一一点点在在理理论论已已证证明不会影响明不会影响GPSS的应用。的应用。8 未来研究方向展望随随着着互互联联电电网网规规模模越越来来越越大大，越越来来越越复复杂杂，为为了了保保障障整整个个电电网网的的安安全全可可靠靠运运行行，必必须须要要做做到到能能够够实实时时监监控控电电网网的的运运行行状状况况，并并能能及及时时采采集集到到所所需需信信息息。为此，我们应该从以下个方面将进行重点研究：为此，我们应该从以下个方面将进行重点研究：n结合我国实际的电力系统
28、分析，当电网具有长链形结结合我国实际的电力系统分析，当电网具有长链形结构和弱联络线，及区域功率不平衡、主电站备用功率裕构和弱联络线，及区域功率不平衡、主电站备用功率裕度不充分等不利条件时，系统的同步转矩系数尤其是阻度不充分等不利条件时，系统的同步转矩系数尤其是阻尼转矩系数将受何影响，进而可以找出引发系统尼转矩系数将受何影响，进而可以找出引发系统“超低超低频振荡频振荡”的可能机理。的可能机理。8 未来研究方向展望n发展基于发展基于广域测量系统广域测量系统WAMS的电力系统稳定控制置，的电力系统稳定控制置，使用同步相量测量单元，并将频域的各种方法结合起来对使用同步相量测量单元，并将频域的各种方法结
29、合起来对提取的实时信号进行在线的低频振荡分析。提取的实时信号进行在线的低频振荡分析。n采用采用模态级数法模态级数法研究互联电网遭受扰动后的动态行研究互联电网遭受扰动后的动态行为，分析系统的振荡模态以及非线性模态的相互作用，为，分析系统的振荡模态以及非线性模态的相互作用，以期能找到引发低频振荡的物理本质。以期能找到引发低频振荡的物理本质。9 未来研究方向展望n发展新的分析方法，如可将发展新的分析方法，如可将在线辨识法与频谱分析法结在线辨识法与频谱分析法结合起合起来，实现低频振荡的在线甚至实时分析，并与来，实现低频振荡的在线甚至实时分析，并与EMS互联，使全网运行状态尽在运行管理人员的掌握之中，便互联，使全网运行状态尽在运行管理人员的掌握之中，便于紧急情况下实施控制。于紧急情况下实施控制。 n引入引入FACTS元件元件,通过选择其合适的参数以整定协调系通过选择其合适的参数以整定协调系统元件参数统元件参数,从而抑制低频振荡从而抑制低频振荡
