低頻振蕩基本介紹

低頻振蕩基本介紹第一頁，共四十二頁，2022年，8月28日1低頻振蕩

2汽輪機(jī)調(diào)節(jié)原理

3風(fēng)力發(fā)電

4

電力系統(tǒng)調(diào)頻

5

風(fēng)電參與調(diào)頻的研究現(xiàn)狀

6下一步規(guī)劃

講座內(nèi)容第二頁，共四十二頁，2022年，8月28日1低頻振蕩

基本定義:

在電力互聯(lián)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)經(jīng)輸電線路并列運(yùn)行時，在擾動的作用下，會發(fā)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對搖擺，表現(xiàn)在輸電線路上就會出現(xiàn)功率波動。當(dāng)暫態(tài)擾動消失后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的搖擺平息得很慢甚至持續(xù)增大，以致破壞了互聯(lián)系統(tǒng)之間的靜態(tài)穩(wěn)定，最終將使互聯(lián)系統(tǒng)解列。同時由于這種持續(xù)振蕩的頻率很低，一般在0.1～2.5Hz之間，故稱為低頻振蕩第三頁，共四十二頁，2022年，8月28日1低頻振蕩圖2-3500kv豐萬一線有功功率第一次振蕩PMU錄波圖第四頁，共四十二頁，2022年，8月28日2電力系統(tǒng)低頻振蕩基本概念電力系統(tǒng)低頻振蕩分類：局部振蕩模式(LocalModes)，它涉及同一電廠內(nèi)的發(fā)電機(jī)(或電氣距離很近的幾個發(fā)電廠的發(fā)電機(jī))與系統(tǒng)內(nèi)的其余發(fā)電機(jī)之間的振蕩，振蕩頻率約為0.8―2.5Hz。或稱廠內(nèi)型低頻振蕩。區(qū)域間振蕩模式(Inter-areaModes），它涉及系統(tǒng)的一部分機(jī)群相對于另一部分機(jī)群的振蕩，由于各區(qū)域的等值發(fā)電機(jī)具有很大的慣性常數(shù)，因此這種模式的振蕩頻率要比局部模式低，頻率范圍約為0.1－0.8Hz，或稱互聯(lián)型低頻振蕩。此外，也有將在同一地區(qū)的不同電廠之間的振蕩頻率在1Hz左右的低頻振蕩簡稱為地區(qū)型低頻振蕩。第五頁，共四十二頁，2022年，8月28日發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的動態(tài)線性化方程：3.1單機(jī)無窮大系統(tǒng)的K1~K6小擾動模型可知：系數(shù)K1、K2與發(fā)電機(jī)的參數(shù)、初始運(yùn)行、系統(tǒng)聯(lián)系的強(qiáng)弱（X的大?。┑扔嘘P(guān)。一般運(yùn)行條件下K1、K2為正。3

低頻振蕩數(shù)學(xué)模型的建立第六頁，共四十二頁，2022年，8月28日發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的動態(tài)線性化方程：3

低頻振蕩數(shù)學(xué)模型的建立可知：K3總為正；K4與運(yùn)行工況有關(guān)，一般條件下K4為正。第七頁，共四十二頁，2022年，8月28日發(fā)電機(jī)端電壓的動態(tài)線性化方程：3

低頻振蕩數(shù)學(xué)模型的建立可知：K5、K6與運(yùn)行工況有關(guān)。K6總為正。在發(fā)電機(jī)負(fù)荷較小時，K5為正；在負(fù)荷較大時，因δ增大，K5為負(fù)。第八頁，共四十二頁，2022年，8月28日由此構(gòu)建的K1~K6模型：3

低頻振蕩數(shù)學(xué)模型的建立第九頁，共四十二頁，2022年，8月28日考慮阻尼轉(zhuǎn)矩由此構(gòu)建的K1~K6模型：3

低頻振蕩數(shù)學(xué)模型的建立+PSS或P=PmPe1+K3Td0sK3TJs1s0K1K5K4勵磁系統(tǒng)K6K2++++MmMEqEdeUGUREFD不計(jì)勵磁調(diào)節(jié)時，無此部分第十頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理(1)負(fù)阻尼機(jī)理:根據(jù)線性系統(tǒng)理論分析，由于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)措施的作用，產(chǎn)生了附加的負(fù)阻尼，抵消了系統(tǒng)的正阻尼，導(dǎo)致擾動后振蕩不衰減或增幅振蕩。(2)共振或諧振機(jī)理:當(dāng)輸入信號或擾動信號與系統(tǒng)固有頻率存在某種特定的關(guān)系時，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大幅度的共振或諧振，其頻率有時處于低頻區(qū)域，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩(3)非線性理論機(jī)理:由于系統(tǒng)的非線性的影響，其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。當(dāng)參數(shù)或擾動在一定范圍內(nèi)變化時，會使得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生系統(tǒng)的振蕩。其中，應(yīng)用最多的是負(fù)阻尼機(jī)理。第十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理負(fù)阻尼Growingoscillations正阻尼Oscillationsdampout1243123第十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理當(dāng)今電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩問題大多是由阻尼不足引起的，而系統(tǒng)阻尼與系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)有關(guān)系。進(jìn)一步研究對發(fā)電機(jī)總阻尼轉(zhuǎn)矩的具體影響同步轉(zhuǎn)矩——維持發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行阻尼轉(zhuǎn)矩——總是阻止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離同步速度。阻尼轉(zhuǎn)矩包括：發(fā)電機(jī)的機(jī)械阻尼轉(zhuǎn)矩、電氣阻尼轉(zhuǎn)矩、阻尼繞組的阻尼轉(zhuǎn)矩、PSS的阻尼轉(zhuǎn)矩。（1）機(jī)械阻尼轉(zhuǎn)矩：第十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理（2）阻尼繞組的阻尼轉(zhuǎn)矩

阻尼繞組的阻尼可以考慮在D中，或考慮在發(fā)電機(jī)模型中。（3）發(fā)電機(jī)的電氣阻尼轉(zhuǎn)矩近似計(jì)算

假設(shè)勵磁系統(tǒng)是一個高放大倍數(shù)、快速控制系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：

第十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理其中：ω為振蕩角頻率發(fā)電機(jī)的電氣阻尼系數(shù)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：（4-1）（4-2）第十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理圖3-6K5>0的電氣阻尼轉(zhuǎn)矩當(dāng)K5>0時將s=jω代入，ΔTe2超前Δδ的角度為在第二象限，如圖所示?？梢姡篕5>0時，電磁轉(zhuǎn)矩ΔTe在Δω軸上的分量（阻尼轉(zhuǎn)矩）為正。當(dāng)它足夠大時，系統(tǒng)不會發(fā)生低頻振蕩。電磁轉(zhuǎn)矩在Δδ軸上的分量為系統(tǒng)的同步轉(zhuǎn)矩，是維持發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩。第十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理當(dāng)K5<0時將s=jω代入，ΔTe2滯后Δδ的角度為在第四象限，如圖所示?？梢姡篕5<0時，同步轉(zhuǎn)矩增大；電氣阻尼轉(zhuǎn)矩減少，并變?yōu)樨?fù)值。電氣阻尼轉(zhuǎn)矩ΔTD.e=DeΔω由式（3-2）可知：K5>0電氣阻尼轉(zhuǎn)矩>0K5<0電氣阻尼轉(zhuǎn)矩<0第十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理由之前所建電力系統(tǒng)模型可得出表達(dá)式如下：由該表達(dá)式易得出：的大小與功角有關(guān)，那么通過實(shí)際研究找到影響的因素，便可以找到影響的因素，進(jìn)一步找到影響系統(tǒng)阻尼的因素，最終找出低頻振蕩的原因。第十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理從系統(tǒng)接線、運(yùn)行方式、負(fù)載、發(fā)電機(jī)及原動機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)等幾個角度出發(fā)總結(jié)出影響系統(tǒng)阻尼的五個因素如下：電網(wǎng)結(jié)構(gòu)：根據(jù)可知，系統(tǒng)等值電抗越大，功角增大，致使負(fù)值增大，導(dǎo)致負(fù)阻尼更嚴(yán)重。第十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理聯(lián)絡(luò)線負(fù)載：聯(lián)絡(luò)線負(fù)載增大，發(fā)電機(jī)的輸出功率增大，功角δ增大，K5負(fù)值增大，阻尼減弱，所以低頻振蕩會在聯(lián)絡(luò)線功率較大時發(fā)生。運(yùn)行方式：低谷時系統(tǒng)電壓較高，部分機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行，送出同樣有功時，功角δ增大，致使K5負(fù)值增大，阻尼減弱。因此，低頻振蕩往往在夜間或節(jié)假日輕負(fù)荷時也發(fā)生，這點(diǎn)尤其值得注意。第二十頁，共四十二頁，2022年，8月28日4

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理負(fù)荷性質(zhì)：電壓變化時，負(fù)荷功率隨電壓變化越大，負(fù)荷對阻尼的影響也越大。因此，鄰近發(fā)電機(jī)大負(fù)荷的特性也是影響阻尼的重要因素。自動勵磁電壓調(diào)節(jié)器(AVR)：當(dāng)△δ大時，K5負(fù)，AVR提供負(fù)阻尼，其增益在一定范，圍內(nèi)增高時負(fù)阻尼增大，時間常數(shù)越小，負(fù)阻尼越大。第二十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日5

電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制措施

由于低頻振蕩產(chǎn)生的原因就其本質(zhì)而言，是系統(tǒng)的控制措施帶來的負(fù)阻尼，所以抑制思路有兩類：（1）調(diào)整控制措施，減少其帶來的負(fù)阻尼。（2）通過附加的反饋控制，提供額外的阻尼。

由于前者的控制措施都是為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)性和供電質(zhì)量，調(diào)整其控制會帶來其它損失，一般避免使用這類方法，故一般采用第二種思路消除低頻振蕩的總思路分析：第二十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日5

電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制措施由于系統(tǒng)一般分為發(fā)電、輸電和用電三個環(huán)節(jié)，而對用戶實(shí)施管理和控制比較困難，所以目前抑制低頻振蕩的措施主要在發(fā)電和輸電環(huán)節(jié)實(shí)施：1）發(fā)電側(cè)主要是對勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)增加附加控制2）輸電側(cè)主要利用FACTs設(shè)備快速的控制系統(tǒng)提供附加控制第二十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日5

電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制措施具體到實(shí)際低頻振蕩的抑制策略可以分為一次系統(tǒng)方面的策略和二次系統(tǒng)方面的策略兩類：一次系統(tǒng)的對策主要有以下四方面:增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，減少重負(fù)荷輸電線，并減少送、受端間的電氣距離，從而減少送、受電端之間的轉(zhuǎn)子角差。采用串聯(lián)電容補(bǔ)償，減少送、受電端的電氣距離。采用直流輸電方案，使送、受端間不發(fā)生功率振蕩。在長距離輸電線中部裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償器SVS作電壓支撐，并通過其控制系統(tǒng)改善系統(tǒng)動態(tài)性能。第二十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日5

電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制措施二次系統(tǒng)的對策主要有以下三方面:采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS作勵磁附加控制

目前世界上通用的做法是在勵磁系統(tǒng)中加裝PSS來提高發(fā)電機(jī)的阻尼。PSS投入后，既可以阻尼區(qū)域間的振蕩模式，也可以阻尼局部振蕩模式。PSS的輸入信號可以是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度偏差，轉(zhuǎn)速偏差，功率偏差，頻率偏差或者前幾者的組合。第二十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日5

電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制措施b)加裝直流小信號調(diào)制

在交直流并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)里面，可以用直流小信號調(diào)制增加對系統(tǒng)低頻振蕩的阻尼。最成功的例子是美國太平洋聯(lián)絡(luò)線，不但起到了抑制低頻振蕩的作用，還使原來的交流聯(lián)絡(luò)線的輸送容量從2100MW提高到了2500MW。第二十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日5

電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制措施c)加裝FACTS裝置

FACTS裝置如SVC，STATCOM,TCSC等具有調(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，比如巴西的南北聯(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。第二十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日6

PSS基本介紹

在第五章所述電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制措施中，通過給勵磁系統(tǒng)中加裝PSS（電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）是最通用的一種方式。本章就通過對PSS的基本介紹來具體闡述消除電力系統(tǒng)低頻振蕩的具體過程。第二十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日6

PSS基本介紹6.1基本原理本質(zhì)：產(chǎn)生一個正阻尼以抵消勵磁控制系統(tǒng)的負(fù)阻尼。

第二十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日6

PSS基本介紹6.2設(shè)計(jì)思路具體到傳遞函數(shù)第三十頁，共四十二頁，2022年，8月28日6

PSS基本介紹轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過G（s）后引至勵磁系統(tǒng)的電壓參考點(diǎn)6.3傳遞函數(shù)第三十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日6

PSS基本介紹6.4基本構(gòu)成環(huán)節(jié)相位校正環(huán)節(jié)：用以抵消勵磁系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的滯后角b)信號復(fù)歸環(huán)節(jié)：在穩(wěn)態(tài)時PSS不影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓c)PSS的信號單元的傳遞函數(shù):第三十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日6

PSS基本介紹分頻器，將3000Hz正弦波轉(zhuǎn)換為50Hz方波頻率電壓變換是將50HZ波轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)速偏差成正比的電壓信號陷波器是將機(jī)組的扭振頻率信號濾除，由二級濾波器構(gòu)成放大器是滿足信號對增益選擇的要求轉(zhuǎn)速測量頻率電壓變換陷波器超前/滯后放大信號復(fù)歸綜合限制輔助延時3000Hz20V第三十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日7GPSS簡單介紹

第六、七章所講的PSS主要是用在勵磁系統(tǒng)上，也稱為EPSS,而本章將簡單介紹應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)的PSS,即GPSS圖8-1電力系統(tǒng)機(jī)網(wǎng)耦合模型第三十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日7GPSS簡單介紹

相比于EPSS,GPSS有以下幾方面可取之處:魯棒性好多機(jī)具有解耦性和恒正阻尼特性調(diào)速系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)聯(lián)系弱，使得在增加機(jī)組自身阻尼的同時而不給別的機(jī)組帶來負(fù)阻尼，從而有效避免了參數(shù)的協(xié)調(diào)和安裝地點(diǎn)的選擇第三十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日7GPSS簡單介紹

GPSS基本原理:同EPSS一樣，GPSS也是通過控制產(chǎn)生一個純正阻尼力矩。第三十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日7GPSS簡單介紹

GPSS基本原理:同EPSS一樣，GPSS也是通過控制產(chǎn)生一個純正阻尼力矩。其具體傳遞函數(shù)為：第三十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日7GPSS簡單介紹

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)GPSS的可行性：

之前所研究的GPSS是在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)上應(yīng)用，雖然調(diào)速控制效果有效，但因?yàn)檎{(diào)速油泵工作頻繁而引起過熱，提法受阻。而與水輪機(jī)相比，大型汽輪機(jī)廣泛采用電液調(diào)速器，調(diào)速系統(tǒng)時間常數(shù)遠(yuǎn)比水輪機(jī)小，為使用PSS提供了可能。

而具體到實(shí)際中，GPSS能否應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵是解決調(diào)速系統(tǒng)時間常數(shù)大和存在間隙死區(qū)。這一點(diǎn)在理論已證明不會影響GPSS的應(yīng)用。第三十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日8

未來研究方向展望隨著互聯(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)的安全可靠運(yùn)行