電力系統(tǒng)低頻振蕩分析與抑制

由于在特定情況下系統(tǒng)提供的負(fù)阻尼作用抵消了系統(tǒng)電機(jī)、勵磁繞組和機(jī)械等所產(chǎn)生的正阻尼，在欠阻尼的情況下擾動將逐漸被放大，從而引起系統(tǒng)功率的振蕩。還有一種比擬特殊的欠阻尼情況，假設(shè)系統(tǒng)阻尼為零或者較小，那么由于擾動的影響，出現(xiàn)不平衡轉(zhuǎn)矩，使得系統(tǒng)的解為一等幅振蕩形式，當(dāng)擾動的頻率和系統(tǒng)固有頻率相等或接近時，這一響應(yīng)就會因共振而被放大，從而引起共振型的低頻振蕩。這種低頻振蕩具有起振快、起振后保持同步的等幅振蕩和失去振蕩源后振蕩很快衰減等特點(diǎn)，是一種值得注意的振蕩產(chǎn)生機(jī)理。2、模態(tài)諧振機(jī)理電力系統(tǒng)的線性與模態(tài)性質(zhì)隨系統(tǒng)參數(shù)的變化而變化，當(dāng)兩個或多個阻尼振蕩模態(tài)變化至接近或相同狀態(tài)，以至相互影響，導(dǎo)致其中一個模態(tài)變得不穩(wěn)定，假設(shè)此時系統(tǒng)線性化模型是非對角化的，就稱之為強(qiáng)諧振狀態(tài);反之為弱諧振狀態(tài)。強(qiáng)諧振狀態(tài)是導(dǎo)致發(fā)生低頻振蕩的先導(dǎo)因素。當(dāng)出現(xiàn)或接近強(qiáng)諧振狀態(tài)時，系統(tǒng)模態(tài)變得非常敏感，反響在復(fù)平面上，隨著參數(shù)變化，特征值迅速移動，變化接近，這樣，對于頻率接近的系統(tǒng)特征值在強(qiáng)諧振之后，阻尼很快變得不同，其中一個特征值穿過虛軸，從而引起振蕩。3、發(fā)電機(jī)的電磁慣性引起的低頻振蕩由于發(fā)電機(jī)勵磁繞組具有電感，那么由勵磁電壓在勵磁繞組中產(chǎn)生的勵磁電流將是一個比它滯后的勵磁電流強(qiáng)迫分量，這種滯后將產(chǎn)生一個滯后的控制，而這種滯后的控制在一定條件下將引起振蕩。而且由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，引起了電磁力矩變化與電氣回路藕合產(chǎn)生機(jī)電振蕩，其頻率為0.2-2Hz。4、過于靈敏的勵磁調(diào)節(jié)引起低頻振蕩為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定，在電力系統(tǒng)中廣泛采用了數(shù)字式、高增益、強(qiáng)勵磁倍數(shù)的快速勵磁系統(tǒng)，使勵磁系統(tǒng)的時間常數(shù)大大減小。這些快速勵磁系統(tǒng)可以對系統(tǒng)運(yùn)行變化快速作出反響，從而對其進(jìn)行靈敏快速的調(diào)節(jié)控制，從控制方面來看，過于靈敏的調(diào)節(jié)，會對較小的擾動做出過大的反響，這些過大的反響將對系統(tǒng)進(jìn)行超出要求的調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)又對系統(tǒng)產(chǎn)生進(jìn)一步的擾動，如此循環(huán)，必將導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩。5、電力系統(tǒng)非線性奇異現(xiàn)象引起低頻振蕩根據(jù)電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性理論，系統(tǒng)的特征值實(shí)部為負(fù)，那么系統(tǒng)是穩(wěn)定的;假設(shè)特征值出現(xiàn)零值或是實(shí)部為零的一對虛根，那么為穩(wěn)定的臨界狀態(tài)；假設(shè)特征值為正實(shí)數(shù)或是有正實(shí)部的復(fù)數(shù)，那么都是不穩(wěn)定的。但實(shí)際上，由于系統(tǒng)的非線性特性，系統(tǒng)在虛軸附近將出現(xiàn)奇異現(xiàn)象。即使系統(tǒng)的特征值全為負(fù)或是有負(fù)的實(shí)部的復(fù)數(shù)，在小擾動下，非線性造成的分歧也可能使系統(tǒng)的特性和狀態(tài)發(fā)生突變，產(chǎn)生增幅振蕩。6、不適當(dāng)?shù)目刂品绞綄?dǎo)致低頻振蕩抑制低頻振蕩的過程，就是調(diào)節(jié)勵磁電流，使它產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩減緩轉(zhuǎn)子在速度變化中的動能和未能的轉(zhuǎn)換。但在一些擾動中，機(jī)端電源和電磁轉(zhuǎn)矩對勵磁電流的要求會產(chǎn)生矛盾，使勵磁調(diào)節(jié)不能同時滿足二者的要求，甚至起了相反的作用，破壞了系統(tǒng)的穩(wěn)定7、混沌振蕩機(jī)理混沌現(xiàn)象是在完全確定的模型下產(chǎn)生的不確定現(xiàn)象，它是由非線性系統(tǒng)中各參數(shù)相互作用而導(dǎo)致的一種非常復(fù)雜的現(xiàn)象。針對低頻振蕩的參數(shù)進(jìn)行分析得出了如下結(jié)論:①僅有阻尼而無周期性負(fù)荷擾動時，系統(tǒng)不會出現(xiàn)混沌振蕩;②在周期性擾動負(fù)荷的作用下且當(dāng)擾動負(fù)荷的值超過一定范圍的時候，系統(tǒng)出現(xiàn)混沌振蕩；③在周期性負(fù)荷擾動下，當(dāng)阻尼系數(shù)接近某一數(shù)值時，系統(tǒng)發(fā)生混沌振蕩。．1、小擾動分析法；對于機(jī)組較多的電力系統(tǒng)，采用狀態(tài)空間法。具體的過程如圖1所示?！?〕全部特征值法最初是采用Q-R算法，算出系統(tǒng)全部的特征值，找出系統(tǒng)全部振蕩模態(tài)。但此法占用內(nèi)存空間大，計(jì)算速度慢，且容易產(chǎn)生“維數(shù)災(zāi)〞。因此適用于中等規(guī)模的電力系統(tǒng)。目前對于互聯(lián)電網(wǎng)而言，采用在原來Q-R算法的根底上，利用分解算法對全部特征值進(jìn)行并行計(jì)算，從而降低計(jì)算過程中的階數(shù)。在電力系統(tǒng)綜合程序(PSASP6.l)小干擾穩(wěn)定計(jì)算模塊還提供了逆迭代轉(zhuǎn)Rayleigh商迭代法，采用稀疏矩陣技術(shù)，使之不受系統(tǒng)規(guī)模的限制，可以求解出所需系統(tǒng)的特征值和特征向量，此法用的算計(jì)算給定運(yùn)行情況下各變量的穩(wěn)態(tài)值量，此法用的算計(jì)算給定運(yùn)行情況下各變量的穩(wěn)態(tài)值是目前比擬常法之一。對描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在穩(wěn)態(tài)值附近線性化形成狀態(tài)矩陣A,根據(jù)其特征值的性質(zhì)判斷穩(wěn)定性圖1〔2〕局部特征值法又稱降階特征值法(SMA)，是只計(jì)算一局部對穩(wěn)定性判別起關(guān)鍵作用的特征值，利用矩陣稀疏技術(shù)及其他技巧來分析，PSASP中的同時迭代法就是采用這種原理，可滿足互聯(lián)電網(wǎng)的速度和精度的要求，但容易產(chǎn)生漏掉某些負(fù)阻尼或弱阻尼模式。之后AESOPS(AnalysisofEssentiallySpontaneousOscillationsinPowerSystem)rg)矩陣，當(dāng)m等于n時，的特征值就是的特征值；當(dāng)m<n時，的特征值就是特征值的一個子集。而且，的特征值總可以收斂到的最大(和最小)模的特征值，因此可計(jì)算任何系統(tǒng)模式對應(yīng)的特征值，也解決了AESOPS算法局限性的問題。2、基于非線性動態(tài)方程的分歧理論分析法Hopf分叉的情況相聯(lián)系的，因此可用局局部叉理論的Hopf分叉來分析。但目前此法對系統(tǒng)的規(guī)模及方程的階數(shù)有所限制，故還需要進(jìn)一步研究。3、模態(tài)級數(shù)分析法4、時域仿真；5、頻域分析法〔1〕pro①不能反響動態(tài)過程的非平穩(wěn)性；②擬合的結(jié)果對噪聲敏感。當(dāng)信噪比小于40dB時，難以得到正確的結(jié)果。〔2〕非參數(shù)法包括傅立葉算法、快速傅立葉算法(FFT)、z變換法和小波算法等。但各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。①②FFT用了時-③④6、在線辨識法Prony是(S7、低頻振蕩的自激分析法“二階〞“二階〞系統(tǒng)的特征根。自激法可以有效地解決電力系統(tǒng)的“維數(shù)災(zāi)〃問題，但其收斂性相對5忖A法要差，而且在多機(jī)系統(tǒng)中的一個模式同時和幾臺機(jī)強(qiáng)相關(guān)時，并在這幾臺機(jī)作為自激機(jī)時，會由于都收斂于這一模式而產(chǎn)生丟根現(xiàn)象；另外，假設(shè)多機(jī)系統(tǒng)的一臺機(jī)和幾個機(jī)電模式相關(guān)，那么用此機(jī)做自激機(jī)時，只能收斂到其中一個強(qiáng)相關(guān)模式，此時也會導(dǎo)致結(jié)果失去完整性。8、能量分析法此法是通過對發(fā)電機(jī)能量模態(tài)的分析，從而確定振蕩過程中相互交換能量的機(jī)群，從而進(jìn)行低頻振蕩分析。這根本上也是種等值的思想，但對于互聯(lián)大電網(wǎng)，這種等值還存在一定困難。9、模糊辨識法此法是識別給定對象和那一類模糊樣本相同或接近，也就是把模糊樣本分為假設(shè)干類，判別給定的對象應(yīng)該屬于那一類。針對低頻振蕩分析，即是識別系統(tǒng)的狀態(tài)是否歸屬于低頻振蕩一類。四．低頻振蕩的抑制措施1、加裝PSS2、3、加裝FACTS裝置FACTS裝置的投入同樣可以增加對系統(tǒng)低頻振蕩的阻尼，如SVC、STATCOM、TCSC等。FACTS裝置具有調(diào)節(jié)迅速靈活的特點(diǎn)，對改善系統(tǒng)穩(wěn)定性能具有良好的作用。以TCSC為例利用TCSC能快速調(diào)節(jié)其補(bǔ)償電抗的能力，可以有效地阻尼互聯(lián)電網(wǎng)的區(qū)域間低頻振蕩，比方巴西的南北聯(lián)絡(luò)線，就是采用TCSC來抑制南北之間的區(qū)域間低頻功率振蕩。目前，F(xiàn)ACTS裝置在國外電網(wǎng)中得到了越來越多的應(yīng)用，但是FACTS裝置帶來的可靠性、次同步諧振等問題還需要進(jìn)一步研究。五．低頻振蕩研究中存在的主要問題及研究趨勢隨著互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模越來越大，越來越復(fù)雜，為了保障整個電網(wǎng)的平安可靠運(yùn)行，必須要做到能夠?qū)崟r監(jiān)控電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，并能及時采集到所需信息。為此，以下幾個方面將是我們研究的重點(diǎn):〔1〕結(jié)合我國實(shí)際的電力系統(tǒng)分析，當(dāng)電網(wǎng)具有長鏈形結(jié)構(gòu)和弱聯(lián)絡(luò)線，及區(qū)域功率不平衡、主電站備用功率裕度不充分等不利條件時，系統(tǒng)的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)尤其是阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)將受何影響，進(jìn)而可以找出引發(fā)系統(tǒng)“超低頻振蕩〞的可能機(jī)理?！?〕采用模態(tài)級數(shù)法研究互聯(lián)電網(wǎng)遭受擾動后的動態(tài)行為，分析系統(tǒng)的振蕩模態(tài)以及非線性模態(tài)的相互作用，以期能找到引發(fā)“超低頻振蕩〞的物理本質(zhì)?！?〕gyManagement〔4〕引人FACTS元件，通過選擇其適宜的參數(shù)以整定協(xié)調(diào)系統(tǒng)元件參數(shù)，從而抑制低頻振蕩?！?〕在分析和時域仿真中，要考慮負(fù)荷模型對系統(tǒng)阻尼的影響。應(yīng)該綜合考慮負(fù)荷的靜態(tài)特性和動態(tài)特性?！?〕隨著我國超大規(guī)模互聯(lián)電網(wǎng)的形成，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，發(fā)生的“超低頻振蕩現(xiàn)象〞的機(jī)理也越來越引起人們的重視，所以研究過程中要充分考慮系統(tǒng)本身的特性，即其具有的非線性性，因此在建立在線低頻振蕩監(jiān)控系統(tǒng)的同時，要結(jié)合采用基于動“超低頻振蕩〞的機(jī)理并采取相應(yīng)的抑制措施應(yīng)該是完全可能的。參考文獻(xiàn)[1]王鐵強(qiáng)，賀仁睦等.電力系統(tǒng)低頻振蕩機(jī)理的研究仃].2002,22(2):21-25.[2]王敏.電力系統(tǒng)低頻振蕩的原因與對策J].廣東水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，2(l):25-27.[3]余浩，劉瑞葉，陳學(xué)允.利用適應(yīng)型勵磁控制抑制局部小電力系統(tǒng)低頻振蕩J].電力系統(tǒng)自動化，1998，22(9):65-67.[4]鄧集祥，劉洪波，邊二曼.低頻振蕩中的Hopf分歧研究仃].-394.[5]川徐賢，萬秋蘭.低頻振蕩模式選擇法的再改良J].電力系統(tǒng)自動化，2003,27(17):23-25.[6]何奔騰，金華鋒.電力系統(tǒng)振蕩頻率的實(shí)時估算J].電力系統(tǒng)自動化，2002,24(15):32-36.[7]許慶強(qiáng)，索南加樂，宋國兵等.振蕩時電力系統(tǒng)瞬時頻率的實(shí)時測量J]2003,23(l):51-54.[8]陳朝暉，黃少鋒，楊奇遜?；诰C合相量的電力系統(tǒng)振蕩頻率實(shí)時測量J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(4):32-35.[9.[10]鄒江峰，劉滌塵，潘曉杰等.電力系統(tǒng)低頻振蕩故障模式的研究與分析.高電壓技術(shù)，2005，31(7):45-47.[11]，C.Taylor，elstadt.ModelvalidationfortheAugust101996WSCCsystemoutage[J].IEEETransactionsonPowerSystems，1999,14(3):967-979.[12]I.A.Hiskens,J.V.Milanovic.Locatingdynamicloadswhichsignificantlyinfluencedamping[J].IEEETransactionsonPowerSystems，1997,12(l):255-261.[13]Wen-ShiowKao.Theeffectofloadmodelsonunstablelow-frequencyoscillationdampingintaipowersystemexperiencew/wopowersystemstabilizers[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2001，16(3):463-472.[14]FredericHowell,V.Venkatasubramanian.Transientstabilityassessmentwithunstablelimitcycleapproximation[J].IEEETransactionsonPowerSystems,