浅析电力系统低频振荡的控制策略

张 卓

(神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东 江门 529200)

浅析电力系统低频振荡的控制策略

张 卓

(神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东 江门 529200)

电力系统低频振荡现象在跨区域供电电网的构建过程中很容易出现，这种现象一旦出现，就会造成严重的供电故障，给人们的生产生活带来不便，还会导致巨大的经济损失。我国正处于跨区域供电系统建设的高峰期，如何避免电力系统的低频振荡就成为必须解决的问题之一。现主要对电力系统低频振荡产生的原因及机理进行了分析，并提出了抑制的有效措施，希望能对提高电力系统的稳定性有所帮助。

电力系统；低频振荡；原因；机理；控制策略

0 引言

目前我国电网建设正处于大力发展的过程当中，随着“西电东送、南北互供、全国联网”战略的实施，电网的运行能力已经越来越接近饱和临界点，这就导致了我国低频振荡现象愈来愈严重，所以，研究低频振荡现象的成因与如何抑制低频振荡现象的发生对保障供电质量具有重要的意义。

电网联络线上易发生频率在0.1～2.5 Hz之间的功率自发波动的现象，这种现象被称为电力系统低频振荡。电力系统频现低频振荡现象将会导致电网供电故障，发生大面积的停电事故。在电力系统的远距离输电过程中，这种现象很难避免，而在现代高速、高倍数励磁系统等新技术运用于电力传输系统后，低频振荡现象发生频率更高。在这种情况下，PSS电力系统稳定器能在一定程度上抑制低频振荡的发生，但要从根本上解决此问题，还要从电力系统发生低频振荡的原因和机理入手。

1 电力系统低频振荡产生的原因

负阻尼效应是电力系统低频振荡的根本原因。在一些弱联系、远距离、重负荷的输电线路上，由于线路中阻尼为0甚至为负，发电机转子之间就会相对摆动，导致输电线路上出现功率的变化，这种变化频率通常在0.1～2.5 Hz之间，属于低频范畴，故称之为低频振荡。在电网构建初期，由于各机组之间联系紧密，通过阻尼绕组产生的阻尼就能避免低频振荡的发生。但在跨区域大电网构建的过程中，受经济性和环保因素影响，电网运行多处于稳定的边缘状态，这就导致了世界多地陆续出现电力系统低频振荡现象。

2 电力系统低频振荡产生的机理

电力系统低频振荡产生的机理多被总结为负阻尼机理、共振或谐振机理、非线性机理等。对低频振荡产生机理的分析有助于寻找合适的控制低频振荡的方法。

2.1 负阻尼机理

现在电网的构建过程中往往比较注重电量传输的快速性和经济性，这就在无形中加重了电网的负荷，并有可能导致系统对低频率的振荡表现出负阻尼特性，从而发生长时间的低频振荡故障。该机理在与系统的线性模型结合使用时能很好地解释单机—无穷大系统中低频振荡的发生，但对于其他多级系统的低频振荡研究效果不好。

2.2 强迫振荡机理

在负阻尼机理不能很好地解释发电机组受外界扰动而发生的低频振荡现象时，强迫振荡机理应运而生。这种机理强调的是外力扰动源的频率与系统频率接近时，系统就会被诱发低频振荡，这种振荡发生快，能与扰动源同步振荡，但振源消失后系统也就停止振荡。

2.3 分叉和混沌机理

电力系统有较强的非线性特征，分叉理论在充分考虑电力系统的这一特征后，运用高阶多项式，从空间结构上对系统的稳定性进行分析。电力系统的低频振荡某些情况下要综合考虑非线性系统中各参数的相互作用，这就造成低频振荡的无规则、无周期等特点，这就是混沌振荡机理。

2.4 发电机电磁惯性引起的低频振荡

目前，由发电机电磁惯性引起的低频振荡我们称为诱发低频振荡，但学术界对诱发振荡的条件仍无明确的定论。我们日常生活中的绝大多数电源均为来自发电厂发电机产生的交流电，但是发电机的励磁绕组在励磁电压的作用下会产生一个相位滞后的励磁电流强迫分量，这个励磁电流强迫分量由于相位滞后所以在一定的条件下会诱发低频振荡。我们把这种情况所引起的低频振荡情况称为发电机电磁惯性引起的低频振荡。

3 低频振荡的控制策略

在电力系统安全运行的过程中，低频振荡的存在对其构成了巨大威胁，甚至会造成严重的大面积停电事故，因而必须对电力系统的低频振荡进行有效控制。目前，有选用PSS加装在发电机励磁系统上进行低频振荡控制的，有选用线性最优励磁控制器OEC增强电力系统遭遇扰动时的阻尼来控制低频振荡的，还有采用基于系统阻尼比的最优励磁控制器DOEC的。

3.1 电力系统稳定器

采用电力系统稳定器(PSS)是美国学者F. D. Demello和C. Concordia共同提出的。PSS的工作原理就是给电力系统提供附加正阻尼，以抵抗引起电力系统低频振荡的负阻尼。PSS具有增益、测量、隔直、相位补偿和限幅等功能，可以根据电磁功率、加速功率、频率偏差等信号的输入自动进行阻尼补偿，而且仅在系统受外部干扰源扰动时才工作。

PSS对电力系统低频振荡的抑制简单而有效，且经济性较好，但无法在设定参数外的环境中很好地运行，并且在多系统中无法实现参数的协调，在应对复杂状况时适用性受到限制。

3.2 柔性交流输电装置附加阻尼控制

在电网的安全稳定及故障自动处理方面，柔性交流输电技术(FACTS)都有很好的表现，它能很好地提高电网的性能。FACTS装置在输电系统中分布广、容量大、响应快速，能够从系统结构、负载特性及运行方式等方面改善系统阻尼特性，对抑制区间振荡有独特效果。当前已有对PSS装置与FACTS装置协调控制技术的研究，该技术在抑制低频振荡方面取得了很好的效果。提升FACTS装置的控制带宽和控制精度是提高电网运行稳定性的一大发展趋势。

3.3 OEC以及DOEC

对于线性最优励磁控制器OEC，在电力系统遭遇扰动时可以相应地提高系统阻尼，从而很好地应对大规模联网后易出现的低频振荡问题。但OEC控制器设计过程中权矩阵Q和R的确定比较麻烦，因而就有了基于系统阻尼比的最优励磁控制器DOEC。DOEC控制器能有效地提高系统的阻尼特性，在抑制低频振荡方面更好地发挥作用，使电力系统的运行更加稳定。

3.4 储能法

电力系统低频振荡发生的最根本原因其实是能量的不均衡。在维持电力系统稳定运行，抑制低频振荡的研究中，能量储存法是最近的研究成果。当过多的外部能量涌入电网时，通过相关技术可将多余的能量储存下来，并在系统能量不足时再予以释放。这种方法实际运用后对于系统的高效运行以及低频振荡的抑制都起到了良好的作用，但对快速有效地存储和释放能量的控制问题还有待解决。

4 结语

随着跨区域电网的逐步建立，我国电力系统的规模不断扩大，在长距离、重负荷的电力传输过程中发生低频振荡的概率也在逐渐增大。在以后的发展过程中，为保证电力系统的稳定性，必须尽早解决低频振荡问题。本文提出的几种方法在抑制电力系统低频振荡方面都有各自的功用，但面对越来越复杂的电力系统，低频振荡控制技术也要不断发展才能适应系统的需求。

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2014-07-10

张卓(1982—)，男，辽宁人，助理工程师，主要从事电力工程自动化设计工作。