电力系统周期振荡的失稳分析

电力系统周期振荡的失稳分析

发表时间：2018-09-18T15:14:39.473Z 来源：《电力设备》2018年第14期作者：陶维峰[导读] 摘要：随着国民经济的发展和电网规模的不断扩大，电力系统的动态稳定性越来越受到广泛关注。电力系统的整体控制性和系统互联性在一定程度上加剧了电网低频振荡对电力系统安全稳定运行的威胁。因此，分析影响电力系统低频振荡的诱发因素，并在此基础上分析低频振荡控制的方法，是有效改善当前电力系统安全稳定状况的有效措施。

（江苏阚山发电有限公司江苏徐州 221000）摘要：随着国民经济的发展和电网规模的不断扩大，电力系统的动态稳定性越来越受到广泛关注。电力系统的整体控制性和系统互联性在一定程度上加剧了电网低频振荡对电力系统安全稳定运行的威胁。因此，分析影响电力系统低频振荡的诱发因素，并在此基础上分析低频振荡控制的方法，是有效改善当前电力系统安全稳定状况的有效措施。

关键词：电力系统、低频振荡 0引言

低频振荡是由于电力系统在运行中不断受到外界和内部的干扰，使发电机转子间的阻力不足引起的。从低频振荡发生至今，研究较多的是负阻尼机理，由于系统的调节措施作用，产生附加的负阻尼，抵消系统的正阻尼，导致扰动后振荡不衰减或增幅振荡。因此，研究电力系统低频振荡就是要确定系统中是否存在弱阻尼的振荡模式，并采取有效措施增强这些模式的阻尼，减少发生振荡的可能。为了抑制低频振荡，本文针对现有各种低频振荡的分析方法和抑制措施进行分析研究。

1 电力系统低频振荡概述 1.1 电力系统稳定的定义及分类

所谓定系统的稳定性，是指表征电力系统在受到物理扰动之后，系统自行恢复到运行平衡点的一种综合能力。当系统在给定的初始运行下运行时，由于受到明显的物理扰动，所以系统需要充分发挥自身的性能重新回到原平衡点。这种运行的完整性和平衡性能力被称为电力系统的稳定性。当电力系统受到外界和内部干扰时，依然能够实现发电机组输出的电磁转矩和原动机输入的机械转矩的平衡，使得所有发电机转子速度保持恒定，从而使在电气上连接在一起的各个同步发电机机械输入转矩和电磁转矩平衡，最终保证了电力系统的安全稳定运行。电力系统的稳定性可以分为功角稳定、电压稳定、频率稳定三大类。根据扰动的强度大小，功角稳定又分为小信号稳定和暂态稳定，功角稳定是影响电力系统稳定性的最主要分类。

1.2 电力系统低频振荡的必要性

我国地域辽阔，电力能源需求大，电力能源结构还不够完善。当前的电力负荷中心主要集中在东部和南部地区，为了促进我国电力事业的发展，我们提出了“西电东送、南北互供，全国联网”的电力发展战略。这样，电网互联会有助于实现“电网错峰、水火电互补、功率紧急支援”，提升发电和输电的经济性和可靠性。因此，强化对电力系统低频振荡问题的研究可以有效发挥这些优势，促进国家电力事业的发展。

为了促进西部电力资源的大力开发，西电东送工程是其中的重要一环。借助于西电东送工程，把西部丰富的水电资源输送到华东和广东等负荷中心，从而实现资源的平衡配置。但是需要解决的一个技术难题是超距离负荷中心超容量输电的问题。在负荷高峰期，容易因为联络线路之间的低频自发振荡而降低电力系统的稳定性，所以解决系统的低频振荡问题是实现跨区域交流联网、保证电网安全稳定运行、提升电网传输能力的关键途径。

2 电力系统低频振荡控制的方法分析 2.1 线性模式分析法

这种分析方法是解决小扰动稳定性的系统优化方法。这种方法的设计初衷是从非线性系统的线性逼近稳定性出发，找到非线性系统在平衡点附近的小范围稳定区域。这个方法的关键是用线性模式分析法，在系统初始工作点附近把系统动态元件的方程线性化，从而得出一个系统状态方程。通过分析这个状态方程的特征矩阵的复特征，找到它的特征向量。根据特征向量找到振荡模式在整个系统中的行为信息，从而找出振荡模式和状态变量间的线性相关性。据此来提升电力系统的小扰动稳定性。

2.2 时域仿真法

这种方法是对电力系统的暂态稳定性展开分析的一种常用方法。这种方法可以充分考虑到电力系统非线性因素的影响，通过建模和检验分析结果以及控制器的控制效果来分析系统的暂态稳定性。它是以数值分析为基础，通过计算机仿真系统来测得电力系统在扰动状态下的时间响应，从而得出系统振荡模式频率和阻尼特性。这种方法只适合运用在小型的电力系统扰动性分析中。因为它受地域限制明显。

2.3 信号分析法

信号分析法是指通过对实测数据或仿真数据的分析得出系统的震荡模式信息的一种方法。目前常用的信号分析法是Prony法。这种方法的原理是借助于指数函数的线性组合，通过模拟组合的方式来采集数据的方法。优点是能够从暂态仿真数据或现场实测数据中找到各个分量的频率阻尼比和相位等信息，得出高度准确性的仿真分析结果。多次试验表明该方法在提取系统的振荡特性方面具有显著的优势和可靠性。

2.4 非线性模式分析法

该方法是把电力系统看作一个复杂的非线性系统，认为该系统在受扰动情况下会表现出动态特性。这些动态特性是反映电力系统的结构负荷特性、故障类型、故障地点的重要信息载体。因此通过在运行点附近求出系统状态方程，就可以获得系统的稳定性信息。该方法的局限是必须要在系统稳定工作点附近进行测量，分为正矩形方法和模态级数法两种。正矩形方法的数学实质是非线性微分方程所展开的二阶以及二阶以上的高阶解析解，它可以有效分析模式之间的非线性相关作用对控制性能、控制器设计的影响，从而得出控制模式和低频振荡模式的强相关作用。模态计数法是研究电力系统动态特性的新方法，不需要状态空间的线性变换，可以用于交直流互联电力系统的模式非线性分析。

3低频振荡抑制措施 3.1一次系统抑制方法

通过增强网架，减少重负荷输电线路，减少送受端间的电气距离，以减少送受端间的转子角差；采用串联补偿电容，减少送受电端的电气距离；采用直流输电方案，使送、受端不发生功率振荡；在长距离输电线中部装设静止无功补偿器做电压支撑，并通过其控制系统改善系统动态性能。

3.2二次系统抑制方法

3.2.1电力系统稳定器PSS。PSS在国内外应用都较广泛，其基本原理是通过对发电机励磁进行调节，形成一个与转子速度偏差同相位的电扭矩分量，从而增加发电机转子振荡时的阻尼，它采用或中的一个或两个信号作为附加反馈控制，增加正阻尼，不降低励磁系统电压环的增益，不影响励磁系统的暂态性能，电路简单，效果良好。

3.2.2加装FACTS装置。FACTS技术是基于电力电子技术改造交流输电的系列技术，它对交流电的无功（电压）、电抗和相角可以进行控制，从而能有效提高交流系统的安全稳定性。FACTS技术在低频振荡中取得重要应用的是SVC，SVC投资小，附加的阻尼控制环节能有效增加系统的阻尼。STATCOM性能优于SVC，能提供电压支撑从而极大提高长距离输电系统的稳定性。SSSC本身具有阻尼作用。TCSC能快速调节容抗值以实现潮流控制，可有效抑制区域性功率振荡和次同步振荡，提高系统的静态和暂态稳定性。FACTS装置比PSS 安装地点更灵活，可有针对性地安装在发生低频振荡的联络线上来抑制低频振荡，但是它的成本太高。

3.2.3直流功率调制技术。目前直流功率调制技术已被广泛用于提高交直流混联系统的功率传输能力和所联交流系统的暂态稳定性，实践证明直流功率调制技术是抑制区域振荡模式的有效手段，并且在复杂系统中也得到了成功应用。

4结束语

目前低频振荡危害已经成为影响电力系统安全稳定运行的首要因素，对日益普遍的电力联网状况提出了更加严峻的挑战。为了更好地推进西电东送、南北互供、全国联网的电力发展战略，强化对电力系统低频振荡的控制方法的分析，是促进国家电力事业稳定健康发展的关键途径。为此，本文主要论述了上述两大方面的内容，以期能够完善当前的低频振荡控制的分析方法，有效提升电网传输的能力，保证电网的安全稳定运行。

参考文献：

[1]宋墩文，杨学涛，丁巧林等.大规模互联电网低频振荡分析与控制方法综述[J].电网技术，2011，35（10）：22-28.

[2]李建设，苏寅生，周剑.地区电网低频振荡问题及其治理措施[J].广东电力，2010，23（01）：5-9.