摘 要:電力系統(tǒng)自發(fā)或大干擾消失后產(chǎn)生電流、電壓、功率在頻率為0.1~2Hz之間長時(shí)間持續(xù)振蕩，稱為低頻振蕩。有的持續(xù)振蕩一段時(shí)間會(huì)自行消失;有的會(huì)使振蕩進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。本文從對強(qiáng)迫低頻振蕩機(jī)理的詳細(xì)分析入手，敘述了目前電力系統(tǒng)強(qiáng)迫振蕩的防控措施，以期能夠?qū)I(yè)界同事日后的工作提供一定的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng);強(qiáng)迫振蕩;低頻振蕩;機(jī)理;防控措施

中圖分類號:TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-7712 (2012) 12-0030-01

一、概述

近年來云南電網(wǎng)多次發(fā)生低頻振蕩事件，如2006年的8.29振蕩，2008年的4.21振蕩和2008年的8.25振蕩等，振蕩頻率主要集中在0.4Hz、0.6Hz、0.7Hz，功率振蕩在主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上表現(xiàn)明顯，幅度接近幾十萬千瓦。進(jìn)一步的分析表明，大容量、遠(yuǎn)距離送電使得系統(tǒng)阻尼特性減弱，同時(shí)發(fā)生機(jī)組、線路的小規(guī)模擾動(dòng)是造成該地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生低頻振蕩的主要原因。另外，發(fā)電機(jī)組的不正當(dāng)操作，導(dǎo)致機(jī)組輸出功率出現(xiàn)固定頻率的波動(dòng)現(xiàn)象，若該頻率與主網(wǎng)振蕩頻率匹配，也會(huì)造成主網(wǎng)的低頻振蕩。簡言之，前者是由于弱阻尼情況下小擾動(dòng)發(fā)生，后者是由于系統(tǒng)存在強(qiáng)迫振蕩源，若頻率與區(qū)域間振蕩頻率匹配，功率振蕩就會(huì)放大，波及主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線，造成主網(wǎng)振蕩。持續(xù)不斷的大幅度功率振蕩產(chǎn)生的后果將會(huì)非常嚴(yán)重，振蕩地區(qū)電網(wǎng)機(jī)組對主網(wǎng)的同步振蕩將發(fā)展為失步振蕩，與系統(tǒng)失去穩(wěn)定運(yùn)行，從而導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)大面積停電，并可能造成機(jī)組損壞。區(qū)域互聯(lián)的主網(wǎng)也將會(huì)產(chǎn)生更大的功率波動(dòng)，甚至?xí)虻皖l振蕩而造成電網(wǎng)穩(wěn)定破壞。因而在工程實(shí)踐中，不斷加強(qiáng)對電力系統(tǒng)強(qiáng)迫振蕩的機(jī)理研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、強(qiáng)迫低頻振蕩機(jī)理分析

研究電力系統(tǒng)低頻振蕩問題的文獻(xiàn)很多，一般認(rèn)為快速響應(yīng)、高放大倍數(shù)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是導(dǎo)致低頻振蕩發(fā)生的主要原因。另外研究領(lǐng)域基本達(dá)成共識的其他原因有:

(1)系統(tǒng)在負(fù)阻尼時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)功率振蕩。

(2)系統(tǒng)在受到擾動(dòng)時(shí)，由于阻尼弱其功率振蕩長久不能平息。

(3)系統(tǒng)振蕩模與系統(tǒng)中某種功率波動(dòng)的頻率相同，而且由于弱阻尼，使聯(lián)絡(luò)線上該功率波動(dòng)得到放大，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的功率振蕩。

(4)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化引起的電磁力矩變化和電氣回路耦合產(chǎn)生的機(jī)電振蕩，其頻率為0.2-2.5Hz。對于低頻振蕩產(chǎn)生的機(jī)理，從研究至今主要集中在以下幾方面:

(一)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)電機(jī)、勵(lì)磁繞組和機(jī)械等方面的正阻尼，使系統(tǒng)總阻尼很小或者為負(fù)，系統(tǒng)在負(fù)阻尼工況下受到擾動(dòng)時(shí)擾動(dòng)逐漸被放大，進(jìn)而引起功率的低頻振蕩，而重負(fù)荷線路、現(xiàn)代快速勵(lì)磁和高頂值倍數(shù)的勵(lì)磁系統(tǒng)是造成系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)阻尼的主要原因。

(二)共振或諧振機(jī)理

當(dāng)輸入信號或擾動(dòng)信號與系統(tǒng)固有頻率存在某種特定的關(guān)系時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大幅度的共振或諧振，其頻率有時(shí)處于低頻區(qū)域，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩。這種機(jī)理只是限于理論分析，其證明依賴于實(shí)測數(shù)據(jù)的觀測，依賴于機(jī)組的軸系、調(diào)速系統(tǒng)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)加裝的同步測量記錄裝置，才能得到系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)和擾動(dòng)記錄，對低頻振蕩進(jìn)行更全面的分析，所以此種機(jī)理有賴于進(jìn)一步的探討。

(三)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(dòng)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，會(huì)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。這一分析有別于線性系統(tǒng)，因?yàn)榫€性系統(tǒng)的穩(wěn)定是全局性的，而非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定是局部的。電力系統(tǒng)低頻振蕩的非線性奇異現(xiàn)象以及表現(xiàn)為一種非周期的、似乎是無規(guī)則的突發(fā)性的機(jī)電振蕩混沌現(xiàn)象，都屬于該范疇。

在所有低頻振蕩機(jī)理中，負(fù)阻尼機(jī)理研究得最早也最成熟，這主要得益于線性系統(tǒng)理論的成熟，目前已經(jīng)形成了一套比較完整的理論體系，并且在工程上得到實(shí)際應(yīng)用。一般認(rèn)為，低頻振蕩的機(jī)理是負(fù)阻尼。

三、強(qiáng)迫低頻振蕩的研究方法

工程實(shí)踐中，我們通常將低頻振蕩定性為靜態(tài)穩(wěn)定或小擾動(dòng)穩(wěn)定的問題，而對于上述兩類問題的分析及理論研究方法諸多，依據(jù)判定的數(shù)學(xué)模型的不同，可將這種方法分為特征值分析法、數(shù)值解法及頻域分析法三種，下面對這三種研究方法做一簡要敘述。

(1)特征值分析法，這一方法是最基本的低頻振蕩問題的研究方法，全部及部分特征值法是這類方法最為基本的構(gòu)成。

(2)數(shù)值解法，這一研究方法是實(shí)踐過程中應(yīng)用的最為廣泛的一種暫態(tài)穩(wěn)定分析法，其具體解法是針對特定擾動(dòng)計(jì)算出系統(tǒng)方程中系統(tǒng)變量的完整響應(yīng)時(shí)間。

(3)頻域分析法，AESOPS法是頻域分析法的代表算法，也是目前廣為應(yīng)用的一類分析法。

四、電力系統(tǒng)強(qiáng)迫振蕩的防控

目前改善電網(wǎng)阻尼特性以抑制低頻振蕩的最經(jīng)濟(jì)有效的辦法是在發(fā)電機(jī)組上加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)裝置，但在多機(jī)大電力系統(tǒng)中，PSS的參數(shù)整定和協(xié)調(diào)，以及全局最優(yōu)勵(lì)磁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題。對于低頻振蕩而言，振蕩是不是由于快速勵(lì)磁調(diào)節(jié)產(chǎn)生負(fù)阻尼引起的，有沒有系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律性，如何看待負(fù)荷控制系統(tǒng)和振蕩的關(guān)系等，都是很值得研究的問題。對低頻振蕩問題的認(rèn)識與研究經(jīng)歷了一個(gè)過程，早在20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)在發(fā)展快速勵(lì)磁系統(tǒng)的同時(shí)，就研制了具有發(fā)電機(jī)定子電流偏差及微分或頻率偏差及微分附加反饋的強(qiáng)勵(lì)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。它有效地抑制大干擾暫態(tài)過程中輸電線路的低頻振蕩。當(dāng)時(shí)還沒有發(fā)現(xiàn)在小干擾時(shí)系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩或增幅振蕩的事故，因此低頻振蕩問題未引起其他國家的重視。近年來，由于大型發(fā)電機(jī)普遍采用由集成電路和可控硅組成的快速勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，使勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)大為減小，從而降低了系統(tǒng)阻尼，對聯(lián)系較弱的系統(tǒng)影響較大，使系統(tǒng)中不斷出現(xiàn)弱阻尼，甚至負(fù)阻尼。60年代以來，美國、西歐、日本等，多次發(fā)生輸電線功率低頻振蕩的事例，于是才逐步引起各國對低頻振蕩問題的重視。

五、結(jié)束語

本文通過對電力系統(tǒng)強(qiáng)迫低頻振蕩機(jī)理詳盡的分析和研究，為日后電網(wǎng)中低頻振蕩事故的防控提供了一定的解決思路，對日后工程實(shí)踐具有一定的借鑒及實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

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