電力系統(tǒng)低頻振蕩

1、電力系統(tǒng)低頻振蕩綜述電力系統(tǒng)低頻振蕩綜述1研究背景和意義：研究背景和意義：隨著互聯(lián)的電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題也越來(lái)越突出。20世紀(jì)60年代美國(guó)的西北聯(lián)合系統(tǒng)與西南聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)運(yùn)行時(shí)，發(fā)生了功率的增幅振蕩，最終破壞了大系統(tǒng)間的并聯(lián)運(yùn)行。自此之后，低頻振蕩一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中備受關(guān)注的重要問(wèn)題之一。除此之外，日本、歐洲等也先后發(fā)生過(guò)低頻振蕩。在我國(guó)，隨著快速勵(lì)磁裝置使用的增加，也出現(xiàn)了低頻振蕩現(xiàn)象[1]，如：198

2、3年湖南電網(wǎng)的鳳常線、湖北電網(wǎng)的葛鳳線；1994年南方的互聯(lián)系統(tǒng)；1998年、2000年川渝電網(wǎng)的二灘電站的電力送出系統(tǒng)；2003年2、3月南方香港的交直流輸電系統(tǒng)；2005年10月華中電網(wǎng)等。以上電網(wǎng)都曾發(fā)生全網(wǎng)性功率振蕩。電力系統(tǒng)低頻振蕩一旦發(fā)生，將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可能誘發(fā)連鎖反應(yīng)事故，造成嚴(yán)重的后果[2]。因此，對(duì)低頻振蕩進(jìn)行深入研究并分析其控制策略具有十分重要的意義。我國(guó)的超大規(guī)模交流同步電網(wǎng)的互聯(lián)以及交直交混合

3、互聯(lián)電網(wǎng)已經(jīng)初具規(guī)模，并且發(fā)展迅速。2011年12月，由我國(guó)自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和建設(shè)的，目前世界上運(yùn)行電壓最高、輸電能力最強(qiáng)、技術(shù)水平最先進(jìn)的交流輸電工程——1000千伏晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程擴(kuò)建工程正式投入運(yùn)行；2012年3月，錦屏－蘇南800千伏特高壓直流輸電線路工程全線貫通。仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表[34]：跨區(qū)交流聯(lián)網(wǎng)特別是弱聯(lián)系交流聯(lián)網(wǎng)將帶來(lái)大擾動(dòng)的暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題和小擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題，其中，大擾動(dòng)后暫態(tài)功率

4、的大范圍傳播和0.1Hz左右的超低頻振蕩對(duì)互聯(lián)電網(wǎng)的安全構(gòu)成威脅，應(yīng)采取有效措施加以解決?？傊?，低頻振蕩現(xiàn)象在大型互聯(lián)電網(wǎng)中時(shí)有發(fā)生，常出現(xiàn)在長(zhǎng)距離、重負(fù)荷輸電線路，并隨著互聯(lián)電力系統(tǒng)規(guī)模日益增大，系統(tǒng)互聯(lián)引發(fā)的區(qū)域低頻振蕩問(wèn)題已成為威脅互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、制約電網(wǎng)傳輸能力的重要因素之一[1]，有必要全面認(rèn)識(shí)電力系統(tǒng)低頻振蕩問(wèn)題。2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：2.1電力系統(tǒng)低頻振蕩電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)經(jīng)輸電線并列運(yùn)行時(shí)，在擾動(dòng)下會(huì)發(fā)生

5、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對(duì)搖擺，并在缺乏阻尼時(shí)引起持續(xù)振蕩。此時(shí)，輸電線上功率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)振蕩。由于其振蕩頻率很低，一般為0.2～2.5Hz，故稱為低頻振蕩[5]。2.2低頻振動(dòng)的分類按振蕩頻率的大小和振蕩涉及的范圍來(lái)看，電力系統(tǒng)低頻振蕩大致分為兩類[5]：1）局部振蕩模式（Localmodals），是指廠站內(nèi)的機(jī)組之間或電氣距離較近的廠站機(jī)組之間的振蕩，這種振蕩局限于區(qū)域內(nèi)，其影響范圍較小且易于消除。這種振蕩頻率較高，一般在0.7～2.5Hz

6、之間[6]。2）區(qū)域振蕩模式（Interareamodals），是指一部分機(jī)群相對(duì)于另一部分機(jī)群的振蕩，在聯(lián)系較薄弱的互聯(lián)系統(tǒng)中，耦合的兩個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)群間常發(fā)生這種振蕩。由于電氣距離較大，同時(shí)發(fā)電機(jī)群的等值發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)較大，其振蕩頻率較低，一般在0.1～0.7Hz之間[6]。2.3低頻振蕩的產(chǎn)生機(jī)理不適用于大型電力系統(tǒng)。1）線性模式分析法線性模式分析法為小擾動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題提供了系統(tǒng)化的分析方法，其實(shí)質(zhì)是李雅普諾夫線性化方法[5]

7、。李雅普諾夫線性化方法的基本思想是，從非線性系統(tǒng)的線性逼近穩(wěn)定性，得出非線性系統(tǒng)在一個(gè)平衡點(diǎn)附近的小范圍穩(wěn)點(diǎn)的結(jié)論。非線性系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近的穩(wěn)定性，是由系統(tǒng)線性化后特征矩陣A的特征根所確定的:當(dāng)特征值的實(shí)部全為負(fù)時(shí)，原始系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的當(dāng)至少存在一個(gè)正實(shí)部的特征根時(shí)，原始系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。用線性模式分析法進(jìn)行電力系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定分析，是在系統(tǒng)初始工作點(diǎn)附近，將系統(tǒng)各動(dòng)態(tài)元件的方程線性化形成系統(tǒng)狀態(tài)方程。系統(tǒng)振蕩模式由狀態(tài)方程中特征矩陣的復(fù)特

8、征值對(duì)決定，每對(duì)復(fù)特征值對(duì)應(yīng)于一個(gè)振蕩模式，特征根的實(shí)部刻畫了系統(tǒng)對(duì)該振蕩模式的阻尼，虛部給出了該振蕩模式的頻率，特征向量反映了振蕩模式在整個(gè)系統(tǒng)中的行為，參與因子則給出了振蕩模式與狀態(tài)變量間的線性相關(guān)性。用線性模式分析法研究電力系統(tǒng)在不同振蕩模式下的動(dòng)態(tài)行為，可以揭示系統(tǒng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)現(xiàn)象背后的內(nèi)在本質(zhì)。借助于線性系統(tǒng)特征分析的豐富成果，線性模式分析法在電力系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定分析中獲得了廣泛的應(yīng)用。線性模式分析法不僅能有效地給出振蕩模式的定量信

9、息，得出的參與因子還可以用來(lái)確定阻尼控制器的最佳安裝地點(diǎn)，特征值對(duì)控制器參數(shù)的靈敏度可用來(lái)設(shè)計(jì)阻尼控制器的參數(shù)。然而，電力系統(tǒng)是強(qiáng)非線形的復(fù)雜系統(tǒng)，在大擾動(dòng)情況下，線性模式分析法存在較大的誤差，同時(shí)特征值分析方法計(jì)算速度慢，不能滿足在線分析的需要。線性模式分析法建立在準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，模型參數(shù)的精度對(duì)分析結(jié)果有很大影響，而關(guān)鍵特征子集法需要先建立全維的狀態(tài)矩陣，且不能保證找到所有的負(fù)阻尼模式和弱阻尼模式。這些都影響了線性模式分析法的

10、實(shí)用性。2）時(shí)域仿真法時(shí)域仿真法以數(shù)值分析為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)一算機(jī)仿真出系統(tǒng)變量在一定擾動(dòng)下的時(shí)間響應(yīng)，然后從仿真曲線推算出系統(tǒng)振蕩模式的頻率和阻尼特性。時(shí)域仿真法能充分考慮電力系統(tǒng)非線性因素的影響，對(duì)建模幾乎沒(méi)有限制，常用來(lái)檢驗(yàn)其它分析方法的結(jié)果以及控制器的控制效果。時(shí)域仿真法在大型電力系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析中的實(shí)用性較差，這是因?yàn)椋?1)時(shí)域仿真結(jié)果與擾動(dòng)的形式和地點(diǎn)有關(guān)，而小擾動(dòng)穩(wěn)定研究的是系統(tǒng)固有的性質(zhì)，與擾動(dòng)無(wú)關(guān)，同時(shí)擾動(dòng)和時(shí)域觀測(cè)

11、量的選擇對(duì)結(jié)果影響非常大，不能保證激發(fā)和分析出所有的關(guān)鍵模式，給出的定量信息有限(2)對(duì)于大型的互聯(lián)系統(tǒng)，其區(qū)域振蕩模式的頻率較低，仿真時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，同時(shí)大量的系統(tǒng)變量要仿真分析，計(jì)算量較大(3)無(wú)法充分揭示出小擾動(dòng)穩(wěn)定性的實(shí)質(zhì)，難以找出引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因。3）信號(hào)分析法信號(hào)分析法的基礎(chǔ)就是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析方法。該方法的主要思想是通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)，辨識(shí)得出系統(tǒng)的振蕩頻率、模式等信息，能夠定量分析系統(tǒng)振蕩的阻尼問(wèn)題。信號(hào)分析中

12、通常用到的方法有傅立葉變換分析法、小波分析法、卡爾曼濾波法、Prony法、HHT等。傅立葉變換分析法以正弦信號(hào)作為分析基礎(chǔ)，將測(cè)得的時(shí)域上的離散信號(hào)轉(zhuǎn)變到頻域上的信號(hào)進(jìn)行分析。但是，傅立葉變換只有當(dāng)信號(hào)滿足絕對(duì)可積的條件時(shí)才能使用。同時(shí)，該方法的分析精度還受到數(shù)據(jù)窗的選擇限制，且無(wú)法反映出系統(tǒng)振蕩的阻尼特性和瞬時(shí)特性。小波分析法是一種把時(shí)域和頻域結(jié)合起來(lái)的分析方法，具有可變的時(shí)域和頻域分析窗口。該方法能構(gòu)成信號(hào)的時(shí)頻譜，描述觀察信號(hào)的時(shí)