“电力系统低频振荡与次同步振荡”专题

2017年3月电工技术学报Vol.32 No. 6 第32卷第6期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2017

“电力系统低频振荡与次同步振荡”专题

特约主编寄语

低频振荡与次同步振荡是电力系统的经典问题之一，随着同步电网规模的扩大、固定串联电容补偿输电技术和柔性交流输电技术的大范围应用以及大规模新能源接入电网，目前低频振荡与次同步振荡问题仍然是迫切需要解决的重大工程问题，而且这两方面的问题又呈现出新的特征。

总体上看，对于低频振荡与次同步振荡问题，不管是在理论上还是在工程实践上，都还没有完全解决。主要表现在四个方面：①物理机理上的挑战；②分析方法上的挑战；③实时监测上的挑战；④阻尼控制上的挑战。

物理机理上的挑战：电力系统将包含越来越多的采用电力电子换流器接口的新能源电源，加上早已存在的直流输电和柔性交流输电装置，使得电力系统除了传统的电磁元件外还包含了相当数量的电力电子装置。传统上，低频振荡问题特指同步电网中同步发电机转子的功角小扰动稳定问题，它与电力系统小扰动稳定问题不是完全对等的。电力系统小扰动稳定问题考虑的状态变量包括系统中所有动态元件的状态变量，而低频振荡问题考虑的状态变量仅仅包括系统中所有同步发电机转子的功角和转速。低频振荡问题分为局部振荡问题和区域间振荡问题，一般关注的是区域间振荡问题。次同步振荡主要关注的是大型同步发电机组的轴系扭振问题，且次同步振荡问题主要局限于单个电厂。而在大量新能源电源接入后，低频振荡和次同步振荡问题的定义开始存在歧义。电力电子装置实际上可以存在很宽频率范围的电压和电流量，包括次同步频段和高次谐波频段。由于电力电子装置控制器设计不合理以及多电力电子装置的相互作用，可能引起频率范围很宽的电压和电流振荡，其中落在低频振荡和次同步振荡的频率范围也是完全可能的。包含大量新能源电源的电力系统其电源构成包括同步发电机电源、异步发电机电源和换流器电源等，经典的功角稳定理论只关注同步发电机电源之间的功角稳定，且认为同步发电机电源之间的功角稳定是电力系统能够稳定运行的必要条件。那么，对于包含大量新能源电源的电力系统，经典的功角稳定理论是否仍然成立呢？显然，同步发电机电源之间的功角稳定仍然是此类电力系统能够稳定运行的必要条件。然而，如何考虑非同步机电源对同步机功角稳定的影响呢？非同步机电源在低频振荡分析中应采用什么样的模型呢？非同步机电源的局部振荡会导致系统功角失稳吗？若整个系统不包含同步机电源，还有低频振荡问题吗？对于包含同步机电源和非同步机电源的电力系统，通过建立统一的小扰动状态空间模型进行小扰动稳定性分析，能得到有用的信息吗？

分析方法上的挑战：经典的小扰动分析方法可以分为两类，一类是特征值分析法，另一类是模态辨识法。特征值分析法发展较早，需要建立整个系统的状态空间模型。特征值计算的方法主要为两类，一类是求系统全部特征值的方法，另一类是求系统部分特征值的方法。求全部特征值方法的主要代表是QR法，其局限性是不能计算特大型矩阵的特征值，通常要求矩阵阶数小于1 000阶。求系统部分特征值的方法有多种，其中基于Krylov子空间投影的Arnoldi法比较受青睐。Arnoldi法可以计算特大型矩阵的部分特征值，但也存在遗漏指定区域特征值的可能。模态辨识法基于物理量的时域波形辨识系统的振荡模态信息，近二三十年来得到了快速发展和广泛应用，其

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典型代表有Prony法、矩阵束法和Levenberg-Marquardt法等。笔者团队开发了小扰动稳定性分析的两阶段法，第一阶段用QR法求出等值系统的全部特征值，第二阶段用模态辨识法求出原型系统主导振荡模式的所有信息。而随着非同步机电源的大量接入电力系统，原来用于电力电子装置小扰动稳定性分析的一些方法也被借用过来，其典型代表是基于阻抗频率特性分析含电力电子装置的电力系统的小扰动稳定性问题，这方面的应用效果还有待实践检验。

实时监测上的挑战：随着同步相量测量技术的发展，实时监测低频振荡和次同步振荡越来越受到重视并已得到初步的应用。在低频振荡实时监测中，基于模态辨识法对实时波形进行模态辨识，获取振荡模式的频率和阻尼信息还是比较容易的，而获取振荡模式的振型（mode shape）信息就比较困难。如果通过离线计算先验地获取了整个系统低频振荡的结构性信息，那么通过实时监测辨识区域间低频振荡模式的相关信息还是比较有效的。对次同步振荡的实时监测通常安装在相关电厂的发电机端，并实现扭振保护的功能，其困难是扭振保护相关定值的确定。

阻尼控制上的挑战：抑制低频振荡和次同步振荡的手段包括励磁控制、直流输电控制、柔性交流输电控制等；控制器的设计方法也有很多种，这方面的研究仍然是电力系统的热点问题；但经典的相位补偿法，在实际工程应用中仍然占据主导地位。

本专题刊出的15篇论文主要涉及低频振荡和次同步振荡的模态辨识问题和阻尼控制问题。希望本专题的刊出，能够对低频振荡和次同步振荡领域的技术进步有所促进，有所贡献。

2017年3月

于浙江大学求是园