低频振荡问题综述.docx

电力系统低频振荡分析综述 1. 低频振荡概念 电力系统在某一正常状态下运行时，系统的状态变量具有一个稳态值，但是电力系统几乎时刻都受到小的干扰影响，如负荷的随机变化或风吹架空线摆动等。当系统经受扰动后，其运行状态会偏离原来的平衡点，这时希望系统在阻尼的影响下经历一个振荡过程，回到稳定的平衡运行点。在这一过程中，如果系统的阻尼不足则会出现或观测到电力系统的低频振荡现象。 所谓的低频振荡，一般有如下的定义描述。电力系统中的发电机经输电线路并列运行时，在某种扰动作用下，发生发电机转子之间的相对摇摆，当系统缺乏正阻尼时会引起持续的振荡，输电线路上的功率也发生相应的振荡。这种振荡的频率很低，范围一般是0.2-2.5Hz，称其为低频振荡[1]。 在互联电力系统中，低频振荡是广泛存在的现象。根据当今电力系统中出现过的低频振荡现象来看，功率振荡的频率越低时，涉及到的机组相对地就越多。研究中，按低频振荡的频率大小和所涉及的范围将其分为两类[2]或者说两种形式。 一种为区域内的振荡模式，涉及同一电厂内的发电机或者电气距离很近的几个发电厂的发电机，它们与系统内的其余发电机之间的振荡，振荡的频率约为0.7-2.0Hz。 另一种为互联系统区域间的振荡模式，是系统的一部分机群相对于另一部分机群的振荡，由于各区域的等值发电机具有很大的惯性常数，因此这种模式的振荡频率要比局部模式低，其频率范围约为0.1-0.7Hz。 关于这两种分类，可以在应用发电机经典二阶模型，并利用小干扰分析法说明低频振荡的过程中，通过讨论机组间的电气距离定性地分析出来，在本文后面的简单数学模型分析中将有说明。 由扰动引发的低频振荡受许多因素的影响，研究认为，当今电力系统发生低频振荡问题大多是由系统的阻尼不足引起。而一般来说，发电机转子在转动过程中受到机械阻尼作用，转子闭合回路、转子的阻尼绕组会产生电气阻尼作用。从互联系统自身来看，系统本身具有的自然正阻尼微弱性是发生低频振荡的内在因素。当然，在电力系统发生低频振荡时，往往是在系统中产生了负阻尼，这种负阻尼效应，使得总体的正阻尼作用减小甚至使系统的阻尼变为负。 研究认为，关于系统产生负阻尼的原因，较为确定的结论[3]有：发电机的励磁系统，尤其是高顶值倍数快速励磁系统会引起系统负阻尼；电网负荷过重时也会使系统阻尼下降；电网互联也可能导致系统的阻尼降低。 2. 简单的数学分析 由上所述，一般负担电压控制、无功功率分配等任务的发电机的励磁系统，在系统中可以提高同步发电机并联运行的稳定性，但它在不装设电力系统稳定器时，会对系统的阻尼造成一定的不利影响，可能引发低频振荡现象。下面将根据文献[1][4][5]，以一阶惯性环节表达励磁系统，发电机采用三阶模型，忽略调速器动态，取单机无穷大系统，简单地对这一问题进行说明。下述公式以标么值表示，且均在工作点附近进行线性化，并转化为增量方程。 2.1 简单的数学模型与框图 （1）发电机转子运动方程的增量形式 ① ② 其中 ③ 两个参数值K1和K2均大于零，因为发电机电磁转矩的标么值等于发电机输出功率的标么值，则可以对两个系数做如下的说明。 K1表示在恒定的转子d轴磁链下，转子相位角有小幅变动时所引起的电磁转矩变化的系数，也是恒定时的同步功率系数。 K2表示在恒定的转子相位角下，d轴磁链发生小的变化时所引起的电磁转矩的变化的系数。 （2）考虑励磁绕组的动态过程，暂态电动势方程的增量形式 通过下面两式 以及发电机经线路jX接到无限大母线的相量图可以推得 ④ 式中，K3和K4均大于零，K3只与系统内的阻抗参数有关，K4与转子的相位角有关。 （3）发电机的机端电压方程的增量形式 由于要考虑到发电机的励磁系统，所以这一方程是不可少的，可以推得表达式如下： ⑤ K5表示恒定的d轴磁链下，转子相位角变化引起的发电机端电压变化的系数，正负与负荷情况有关，K6表示恒定转子相位角情况下，d轴磁链变化引起端电压变化的系数，是正值。 因为这里把励磁系统简化为一个等值的一阶惯性环节，即简化的传递函数为 ， 因此也把以上述的①到⑤式转化为其相应的运算形式，并由此得到一个传递函数框图（见下页）。 图1：含励磁系统的状态空间方框图 2.2 稳定性分析 这里利用上面所得框图，简要分析以下三种不同的情形。 （1）首先进行同步发电机的自身特性分析，即不考虑励磁系统的控制作用，并认为的值为零，由此可以得到特征方程为： 它的根为： 根据控制理论，所有根必须保证其实部都小于零，才能使系统稳定。因此，这里可以得到基本的结论，同步功率系数K1和阻尼系数D必须大于零，同步发电机才不会失去稳定。 可以看出，当发电机取二阶经典模型，且忽略掉阻尼系数D时，可以