電力系統(tǒng)的低頻振蕩控制方法探究

戴少石　董澤

摘 要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性越來越受到廣泛關(guān)注。電力系統(tǒng)的整體控制性和系統(tǒng)互聯(lián)性在一定程度上加劇了電網(wǎng)低頻振蕩對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的威脅。因此，分析影響電力系統(tǒng)低頻振蕩的誘發(fā)因素，并在此基礎(chǔ)上分析低頻振蕩控制的方法，是有效改善當(dāng)前電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定狀況的有效措施。為此，下面本文將具體從電力系統(tǒng)低頻振蕩概述、低頻振蕩控制的方法分析兩個(gè)方面展開論述，以期能夠有效改善當(dāng)前的低頻控制狀況，提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；低頻振蕩；控制方法；探究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.169

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用的逐漸普遍，低頻振蕩危害已經(jīng)成為影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的首要因素，極易引起大規(guī)模的停電事故，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行。為此，下面本文將首先來對電力系統(tǒng)的低頻振蕩問題進(jìn)行概述，并在此基礎(chǔ)上分析電力系統(tǒng)的低頻振蕩控制的方法，以期能夠改善當(dāng)前的低頻控制局面，形成成熟、可靠的低頻振蕩控制策略。

1 電力系統(tǒng)低頻振蕩概述

1.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定的定義及分類

所謂定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是指表征電力系統(tǒng)在受到物理擾動(dòng)之后，系統(tǒng)自行恢復(fù)到運(yùn)行平衡點(diǎn)的一種綜合能力。當(dāng)系統(tǒng)在給定的初始運(yùn)行下運(yùn)行時(shí)，由于受到明顯的物理擾動(dòng)，所以系統(tǒng)需要充分發(fā)揮自身的性能重新回到原平衡點(diǎn)。這種運(yùn)行的完整性和平衡性能力被稱為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電力系統(tǒng)受到外界和內(nèi)部干擾時(shí)，依然能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)組輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩的平衡，使得所有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度保持恒定，從而使在電氣上連接在一起的各個(gè)同步發(fā)電機(jī)機(jī)械輸入轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩平衡，最終保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以分為功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定三大類。根據(jù)擾動(dòng)的強(qiáng)度大小，功角穩(wěn)定又分為小信號(hào)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定，功角穩(wěn)定是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的最主要分類。

1.2 電力系統(tǒng)低頻振蕩的必要性

我國地域遼闊，電力能源需求大，電力能源結(jié)構(gòu)還不夠完善。當(dāng)前的電力負(fù)荷中心主要集中在東部和南部地區(qū)，為了促進(jìn)我國電力事業(yè)的發(fā)展，我們提出了“西電東送、南北互供，全國聯(lián)網(wǎng)”的電力發(fā)展戰(zhàn)略。這樣，電網(wǎng)互聯(lián)會(huì)有助于實(shí)現(xiàn)“電網(wǎng)錯(cuò)峰、水火電互補(bǔ)、功率緊急支援”，提升發(fā)電和輸電的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。因此，強(qiáng)化對電力系統(tǒng)低頻振蕩問題的研究可以有效發(fā)揮這些優(yōu)勢，促進(jìn)國家電力事業(yè)的發(fā)展。

為了促進(jìn)西部電力資源的大力開發(fā)，西電東送工程是其中的重要一環(huán)。借助于西電東送工程，把西部豐富的水電資源輸送到華東和廣東等負(fù)荷中心，從而實(shí)現(xiàn)資源的平衡配置。但是需要解決的一個(gè)技術(shù)難題是超距離負(fù)荷中心超容量輸電的問題。在負(fù)荷高峰期，容易因?yàn)槁?lián)絡(luò)線路之間的低頻自發(fā)振蕩而降低電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以解決系統(tǒng)的低頻振蕩問題是實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域交流聯(lián)網(wǎng)、保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提升電網(wǎng)傳輸能力的關(guān)鍵途徑。

2 電力系統(tǒng)低頻振蕩控制的方法分析

2.1 線性模式分析法

這種分析方法是解決小擾動(dòng)穩(wěn)定性的系統(tǒng)優(yōu)化方法。這種方法的設(shè)計(jì)初衷是從非線性系統(tǒng)的線性逼近穩(wěn)定性出發(fā)，找到非線性系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近的小范圍穩(wěn)定區(qū)域。這個(gè)方法的關(guān)鍵是用線性模式分析法，在系統(tǒng)初始工作點(diǎn)附近把系統(tǒng)動(dòng)態(tài)元件的方程線性化，從而得出一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)方程。通過分析這個(gè)狀態(tài)方程的特征矩陣的復(fù)特征，找到它的特征向量。根據(jù)特征向量找到振蕩模式在整個(gè)系統(tǒng)中的行為信息，從而找出振蕩模式和狀態(tài)變量間的線性相關(guān)性。據(jù)此來提升電力系統(tǒng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性。

2.2 時(shí)域仿真法

這種方法是對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性展開分析的一種常用方法。這種方法可以充分考慮到電力系統(tǒng)非線性因素的影響，通過建模和檢驗(yàn)分析結(jié)果以及控制器的控制效果來分析系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。它是以數(shù)值分析為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)來測得電力系統(tǒng)在擾動(dòng)狀態(tài)下的時(shí)間響應(yīng)，從而得出系統(tǒng)振蕩模式頻率和阻尼特性。這種方法只適合運(yùn)用在小型的電力系統(tǒng)擾動(dòng)性分析中。因?yàn)樗艿赜蛳拗泼黠@。

2.3 信號(hào)分析法

信號(hào)分析法是指通過對實(shí)測數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)的分析得出系統(tǒng)的震蕩模式信息的一種方法。目前常用的信號(hào)分析法是Prony法。這種方法的原理是借助于指數(shù)函數(shù)的線性組合，通過模擬組合的方式來采集數(shù)據(jù)的方法。優(yōu)點(diǎn)是能夠從暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)或現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)中找到各個(gè)分量的頻率阻尼比和相位等信息，得出高度準(zhǔn)確性的仿真分析結(jié)果。多次試驗(yàn)表明該方法在提取系統(tǒng)的振蕩特性方面具有顯著的優(yōu)勢和可靠性。

2.4 非線性模式分析法

該方法是把電力系統(tǒng)看作一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，認(rèn)為該系統(tǒng)在受擾動(dòng)情況下會(huì)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)特性。這些動(dòng)態(tài)特性是反映電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)負(fù)荷特性、故障類型、故障地點(diǎn)的重要信息載體。因此通過在運(yùn)行點(diǎn)附近求出系統(tǒng)狀態(tài)方程，就可以獲得系統(tǒng)的穩(wěn)定性信息。該方法的局限是必須要在系統(tǒng)穩(wěn)定工作點(diǎn)附近進(jìn)行測量，分為正矩形方法和模態(tài)級(jí)數(shù)法兩種。正矩形方法的數(shù)學(xué)實(shí)質(zhì)是非線性微分方程所展開的二階以及二階以上的高階解析解，它可以有效分析模式之間的非線性相關(guān)作用對控制性能、控制器設(shè)計(jì)的影響，從而得出控制模式和低頻振蕩模式的強(qiáng)相關(guān)作用。模態(tài)計(jì)數(shù)法是研究電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的新方法，不需要狀態(tài)空間的線性變換，可以用于交直流互聯(lián)電力系統(tǒng)的模式非線性分析。

3 結(jié)束語

目前低頻振蕩危害已經(jīng)成為影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的首要因素，對日益普遍的電力聯(lián)網(wǎng)狀況提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了更好地推進(jìn)西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)的電力發(fā)展戰(zhàn)略，強(qiáng)化對電力系統(tǒng)低頻振蕩的控制方法的分析，是促進(jìn)國家電力事業(yè)穩(wěn)定健康發(fā)展的關(guān)鍵途徑。為此，本文主要論述了上述兩大方面的內(nèi)容，以期能夠完善當(dāng)前的低頻振蕩控制的分析方法，有效提升電網(wǎng)傳輸?shù)哪芰?，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡介：戴少石（1988-），男，河北石家莊人，本科，研究方向：控制工程。