淺析電力系統(tǒng)低頻振蕩的控制策略

張 卓

(神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 江門 529200)

淺析電力系統(tǒng)低頻振蕩的控制策略

張 卓

(神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 江門 529200)

電力系統(tǒng)低頻振蕩現(xiàn)象在跨區(qū)域供電電網(wǎng)的構(gòu)建過程中很容易出現(xiàn)，這種現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，就會造成嚴重的供電故障，給人們的生產(chǎn)生活帶來不便，還會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失。我國正處于跨區(qū)域供電系統(tǒng)建設(shè)的高峰期，如何避免電力系統(tǒng)的低頻振蕩就成為必須解決的問題之一?，F(xiàn)主要對電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生的原因及機理進行了分析，并提出了抑制的有效措施，希望能對提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所幫助。

電力系統(tǒng)；低頻振蕩；原因；機理；控制策略

0 引言

目前我國電網(wǎng)建設(shè)正處于大力發(fā)展的過程當中，隨著“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的實施，電網(wǎng)的運行能力已經(jīng)越來越接近飽和臨界點，這就導(dǎo)致了我國低頻振蕩現(xiàn)象愈來愈嚴重，所以，研究低頻振蕩現(xiàn)象的成因與如何抑制低頻振蕩現(xiàn)象的發(fā)生對保障供電質(zhì)量具有重要的意義。

電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上易發(fā)生頻率在0.1～2.5 Hz之間的功率自發(fā)波動的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為電力系統(tǒng)低頻振蕩。電力系統(tǒng)頻現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象將會導(dǎo)致電網(wǎng)供電故障，發(fā)生大面積的停電事故。在電力系統(tǒng)的遠距離輸電過程中，這種現(xiàn)象很難避免，而在現(xiàn)代高速、高倍數(shù)勵磁系統(tǒng)等新技術(shù)運用于電力傳輸系統(tǒng)后，低頻振蕩現(xiàn)象發(fā)生頻率更高。在這種情況下，PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器能在一定程度上抑制低頻振蕩的發(fā)生，但要從根本上解決此問題，還要從電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩的原因和機理入手。

1 電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生的原因

負阻尼效應(yīng)是電力系統(tǒng)低頻振蕩的根本原因。在一些弱聯(lián)系、遠距離、重負荷的輸電線路上，由于線路中阻尼為0甚至為負，發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間就會相對擺動，導(dǎo)致輸電線路上出現(xiàn)功率的變化，這種變化頻率通常在0.1～2.5 Hz之間，屬于低頻范疇，故稱之為低頻振蕩。在電網(wǎng)構(gòu)建初期，由于各機組之間聯(lián)系緊密，通過阻尼繞組產(chǎn)生的阻尼就能避免低頻振蕩的發(fā)生。但在跨區(qū)域大電網(wǎng)構(gòu)建的過程中，受經(jīng)濟性和環(huán)保因素影響，電網(wǎng)運行多處于穩(wěn)定的邊緣狀態(tài)，這就導(dǎo)致了世界多地陸續(xù)出現(xiàn)電力系統(tǒng)低頻振蕩現(xiàn)象。

2 電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生的機理

電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生的機理多被總結(jié)為負阻尼機理、共振或諧振機理、非線性機理等。對低頻振蕩產(chǎn)生機理的分析有助于尋找合適的控制低頻振蕩的方法。

2.1 負阻尼機理

現(xiàn)在電網(wǎng)的構(gòu)建過程中往往比較注重電量傳輸?shù)目焖傩院徒?jīng)濟性，這就在無形中加重了電網(wǎng)的負荷，并有可能導(dǎo)致系統(tǒng)對低頻率的振蕩表現(xiàn)出負阻尼特性，從而發(fā)生長時間的低頻振蕩故障。該機理在與系統(tǒng)的線性模型結(jié)合使用時能很好地解釋單機—無窮大系統(tǒng)中低頻振蕩的發(fā)生，但對于其他多級系統(tǒng)的低頻振蕩研究效果不好。

2.2 強迫振蕩機理

在負阻尼機理不能很好地解釋發(fā)電機組受外界擾動而發(fā)生的低頻振蕩現(xiàn)象時，強迫振蕩機理應(yīng)運而生。這種機理強調(diào)的是外力擾動源的頻率與系統(tǒng)頻率接近時，系統(tǒng)就會被誘發(fā)低頻振蕩，這種振蕩發(fā)生快，能與擾動源同步振蕩，但振源消失后系統(tǒng)也就停止振蕩。

2.3 分叉和混沌機理

電力系統(tǒng)有較強的非線性特征，分叉理論在充分考慮電力系統(tǒng)的這一特征后，運用高階多項式，從空間結(jié)構(gòu)上對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析。電力系統(tǒng)的低頻振蕩某些情況下要綜合考慮非線性系統(tǒng)中各參數(shù)的相互作用，這就造成低頻振蕩的無規(guī)則、無周期等特點，這就是混沌振蕩機理。

2.4 發(fā)電機電磁慣性引起的低頻振蕩

目前，由發(fā)電機電磁慣性引起的低頻振蕩我們稱為誘發(fā)低頻振蕩，但學術(shù)界對誘發(fā)振蕩的條件仍無明確的定論。我們?nèi)粘Ｉ钪械慕^大多數(shù)電源均為來自發(fā)電廠發(fā)電機產(chǎn)生的交流電，但是發(fā)電機的勵磁繞組在勵磁電壓的作用下會產(chǎn)生一個相位滯后的勵磁電流強迫分量，這個勵磁電流強迫分量由于相位滯后所以在一定的條件下會誘發(fā)低頻振蕩。我們把這種情況所引起的低頻振蕩情況稱為發(fā)電機電磁慣性引起的低頻振蕩。

3 低頻振蕩的控制策略

在電力系統(tǒng)安全運行的過程中，低頻振蕩的存在對其構(gòu)成了巨大威脅，甚至會造成嚴重的大面積停電事故，因而必須對電力系統(tǒng)的低頻振蕩進行有效控制。目前，有選用PSS加裝在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)上進行低頻振蕩控制的，有選用線性最優(yōu)勵磁控制器OEC增強電力系統(tǒng)遭遇擾動時的阻尼來控制低頻振蕩的，還有采用基于系統(tǒng)阻尼比的最優(yōu)勵磁控制器DOEC的。

3.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)是美國學者F. D. Demello和C. Concordia共同提出的。PSS的工作原理就是給電力系統(tǒng)提供附加正阻尼，以抵抗引起電力系統(tǒng)低頻振蕩的負阻尼。PSS具有增益、測量、隔直、相位補償和限幅等功能，可以根據(jù)電磁功率、加速功率、頻率偏差等信號的輸入自動進行阻尼補償，而且僅在系統(tǒng)受外部干擾源擾動時才工作。

PSS對電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制簡單而有效，且經(jīng)濟性較好，但無法在設(shè)定參數(shù)外的環(huán)境中很好地運行，并且在多系統(tǒng)中無法實現(xiàn)參數(shù)的協(xié)調(diào)，在應(yīng)對復(fù)雜狀況時適用性受到限制。

3.2 柔性交流輸電裝置附加阻尼控制

在電網(wǎng)的安全穩(wěn)定及故障自動處理方面，柔性交流輸電技術(shù)(FACTS)都有很好的表現(xiàn)，它能很好地提高電網(wǎng)的性能。FACTS裝置在輸電系統(tǒng)中分布廣、容量大、響應(yīng)快速，能夠從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、負載特性及運行方式等方面改善系統(tǒng)阻尼特性，對抑制區(qū)間振蕩有獨特效果。當前已有對PSS裝置與FACTS裝置協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究，該技術(shù)在抑制低頻振蕩方面取得了很好的效果。提升FACTS裝置的控制帶寬和控制精度是提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的一大發(fā)展趨勢。

3.3 OEC以及DOEC

對于線性最優(yōu)勵磁控制器OEC，在電力系統(tǒng)遭遇擾動時可以相應(yīng)地提高系統(tǒng)阻尼，從而很好地應(yīng)對大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)后易出現(xiàn)的低頻振蕩問題。但OEC控制器設(shè)計過程中權(quán)矩陣Q和R的確定比較麻煩，因而就有了基于系統(tǒng)阻尼比的最優(yōu)勵磁控制器DOEC。DOEC控制器能有效地提高系統(tǒng)的阻尼特性，在抑制低頻振蕩方面更好地發(fā)揮作用，使電力系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定。

3.4 儲能法

電力系統(tǒng)低頻振蕩發(fā)生的最根本原因其實是能量的不均衡。在維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，抑制低頻振蕩的研究中，能量儲存法是最近的研究成果。當過多的外部能量涌入電網(wǎng)時，通過相關(guān)技術(shù)可將多余的能量儲存下來，并在系統(tǒng)能量不足時再予以釋放。這種方法實際運用后對于系統(tǒng)的高效運行以及低頻振蕩的抑制都起到了良好的作用，但對快速有效地存儲和釋放能量的控制問題還有待解決。

4 結(jié)語

隨著跨區(qū)域電網(wǎng)的逐步建立，我國電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，在長距離、重負荷的電力傳輸過程中發(fā)生低頻振蕩的概率也在逐漸增大。在以后的發(fā)展過程中，為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須盡早解決低頻振蕩問題。本文提出的幾種方法在抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩方面都有各自的功用，但面對越來越復(fù)雜的電力系統(tǒng)，低頻振蕩控制技術(shù)也要不斷發(fā)展才能適應(yīng)系統(tǒng)的需求。

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2014-07-10

張卓(1982—)，男，遼寧人，助理工程師，主要從事電力工程自動化設(shè)計工作。