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)定性問題也越來越突出。20世紀(jì)60年代美國的西北聯(lián)合系統(tǒng)與西南聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)運行時，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)運行。自此之后，低頻振蕩一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行中備受關(guān)注的重要問題之一。除此之外，日本、歐洲等也先后發(fā)生過低頻振蕩。在我國，隨著快速勵磁裝置使用的增加，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，由我國自主研發(fā)、設(shè)計、制造和建設(shè)的，目前世界上運行電壓最高、輸電能力最強、技術(shù)水平最先進(jìn)的交流輸電工程——1000千伏晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程擴(kuò)建工程正式投入運行；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)場試驗結(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)將帶來大擾動的暫態(tài)穩(wěn)定問題和小擾動的動態(tài)穩(wěn)定問題，其中，大擾動后暫態(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)中時有發(fā)生，常出現(xiàn)在長距離、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)域低頻振蕩問題已成為威脅互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、制約電網(wǎng)傳輸能力的重要因素之一[1]，有必要全面認(rèn)識電力系統(tǒng)低頻振蕩問題。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：國內(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)電機經(jīng)輸電線并列運行時，在擾動下會發(fā)生

5、發(fā)電機轉(zhuǎn)子間的相對搖擺，并在缺乏阻尼時引起持續(xù)振蕩。此時，輸電線上功率也會發(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低頻振動的分類按振蕩頻率的大小和振蕩涉及的范圍來看，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)的機組之間或電氣距離較近的廠站機組之間的振蕩，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），是指一部分機群相對于另一部分機群的振蕩，在聯(lián)系較薄弱的互聯(lián)系統(tǒng)中，耦合的兩個或多個發(fā)電機群間常發(fā)生這種振蕩。由于電氣距離較大，同時發(fā)電機群的等值發(fā)電機的慣性時間常數(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穩(wěn)定性問題提供了系統(tǒng)化的分析方法，其實質(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)在一個平衡點附近的小范圍穩(wěn)點的結(jié)論。非線性系統(tǒng)在平衡點附近的穩(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)特征值的實部全為負(fù)時，原始系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的當(dāng)至少存在一個正實部的特征根時，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)小擾動穩(wěn)定分析，是在系統(tǒng)初始工作點附近，將系統(tǒng)各動態(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、征值對決定，每對復(fù)特征值對應(yīng)于一個振蕩模式，特征根的實部刻畫了系統(tǒng)對該振蕩模式的阻尼，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態(tài)行為，可以揭示系統(tǒng)復(fù)雜動態(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確定阻尼控制器的最佳安裝地點，特征值對控制器參數(shù)的靈敏度可用來設(shè)計阻尼控制器的參數(shù)。然而，電力系統(tǒng)是強非線形的復(fù)雜系統(tǒng)，在大擾動情況下，線性模式分析法存在較大的誤差，同時特征值分析方法計算速度慢，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、實用性。2）時域仿真法時域仿真法以數(shù)值分析為基礎(chǔ)，通過計一算機仿真出系統(tǒng)變量在一定擾動下的時間響應(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。時域仿真法能充分考慮電力系統(tǒng)非線性因素的影響，對建模幾乎沒有限制，常用來檢驗其它分析方法的結(jié)果以及控制器的控制效果。時域仿真法在大型電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性分析中的實用性較差，這是因為：(1)時域仿真結(jié)果與擾動的形式和地點有關(guān)，而小擾動穩(wěn)定研究的是系統(tǒng)固有的性質(zhì)，與擾動無關(guān)，同時擾動和時域觀測

11、量的選擇對結(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，仿真時間必須足夠長，同時大量的系統(tǒng)變量要仿真分析，計算量較大(3)無法充分揭示出小擾動穩(wěn)定性的實質(zhì)，難以找出引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因。3）信號分析法信號分析法的基礎(chǔ)就是基于實測數(shù)據(jù)的分析方法。該方法的主要思想是通過實測數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)，辨識得出系統(tǒng)的振蕩頻率、模式等信息，能夠定量分析系統(tǒng)振蕩的阻尼問題。信號分析中

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作為分析基礎(chǔ)，將測得的時域上的離散信號轉(zhuǎn)變到頻域上的信號進(jìn)行分析。但是，傅立葉變換只有當(dāng)信號滿足絕對可積的條件時才能使用。同時，該方法的分析精度還受到數(shù)據(jù)窗的選擇限制，且無法反映出系統(tǒng)振蕩的阻尼特性和瞬時特性。小波分析法是一種把時域和頻域結(jié)合起來的分析方法，具有可變的時域和頻域分析窗口。該方法能構(gòu)成信號的時頻譜，描述觀察信號的時