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摘要：电力系统自发或大干扰消失后产生电流、电压、功率在频率为0.1~2Hz之间长时间持续振荡,称为低频振荡。有的持续振荡一段时间会自行消失;有的会使振荡进一步加剧,导致系统瓦解。本文从对强迫低频振荡机理的详细分析入手,叙述了目前电力系统强迫振荡的防控措施,以期能够对业界同事日后的工作提供一定的借鉴和参考。
关键词：电力系统；强迫震荡；激励研究
1强迫低频振荡机理分析
研究电力系统低频振荡问题的文献很多,一般认为快速响应、高放大倍数的励磁调节系统是导致低频振荡发生的主要原因。另外研究领域基本达成共识的其他原因有:(1)系统在负阻尼时产生的自发功率振荡。(2)系统在受到扰动时,由于阻尼弱其功率振荡长久不能平息。(3)系统振荡模与系统中某种功率波动的频率相同,而且由于弱阻尼,使联络线上该功率波动得到放大,产生了强烈的功率振荡。(4)由发电机转速变化引起的电磁力矩变化和电气回路耦合产生的机电振荡,其频率为0.2-2.5Hz。对于低频振荡产生的机理,从研究至今主要集中在以下几方面:
1.1负阻尼机理
根据线性系统理论分析,由于系统的调节措施的作用,产生了附加的负阻尼,抵消了系统电机、励磁绕组和机械等方面的正阻尼,使系统总阻尼很小或者为负,系统在负阻尼工况下受到扰动时扰动逐渐被放大,进而引起功率的低频振荡,而重负荷线路、现代快速励磁和高顶值倍数的励磁系统是造成系统出现负阻尼的主要原因。
1.2共振或谐振机理
当输入信号或扰动信号与系统固有频率存在某种特定的关系时,系统会产生较大幅度的共振或谐振,其频率有时处于低频区域,导致系统产生低频振荡。这种机理只是限于理论分析,其证明依赖于实测数据的观测,依赖于机组的轴系、调速系统及励磁调节系统加装的同步测量记录装置,才能得到系统的实际参数和扰动记录,对低频振荡进行更全面的分析,所以此种机理有赖于进一步的探讨。
1.3非线性理论机理
由于系统的非线性的影响,其稳定结构发生变化。当参数或扰动在一定范围内变化时,会使得稳定结构发生变化,从而产生系统的振荡。这一分析有别于线性系统,因为线性系统的稳定是全局性的,而非线性系统的稳定是局部的。电力系统低频振荡的非线性奇异现象以及表现为一种非周期的、似乎是无规则的突发性的机电振荡混沌现象,都属于该范畴。
在所有低频振荡机理中,负阻尼机理研究得最早也最成熟,这主要得益于线性系统理论的成熟,目前已经形成了一套比较完整的理论体系,并且在工程上得到实际应用。一般认为,低频振荡的机理是负阻尼。
2影响电力系统低频振荡的原因分析
电力系统低频振荡可以从三个方面进行分析，首先是根据线性系统分析，由于调节措施的影响，使得系统产生了负阻尼，导致系统扰动后产生振荡，且振荡幅度不衰减。其次是从输入信号或扰动信号方面分析，当系统固有频率与输入信号或扰动信号间具有某种特定关系时，系统会产生共振或谐振，振荡幅度较大，频率低。最后，由于系统的非线性影响，参数或者扰动发生变化时，系统稳定结构也会发生变化，导致低频振荡发生。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在上述3种低频振荡机理中，共振机理受到系统扰动源频率的影响，而负阻尼机理、发电机电磁惯性、分叉和混沌机理等受到系统的结构和参数影响，不同模式的低频振荡可能会单独或者同时发生时，需要综合分析，快速找出发生低频振荡的主导模式。电力系统低频振荡的影响因素归根结底在于系统本身和干扰源，系统原因主要表现在系统结构、运行模式、系统参数、系统负荷等。电力系统的发电机台数与系统结构影响低频振荡的频率，通过弱连接传输互联的电网间容易出现低频振荡；由于励磁系统追求快速性，致使励磁系统时间常数减小，使得系统阻尼下降，系统发生低频振荡的概率大增；当电力系统受到扰动时，恒电流和恒阻抗负荷的模型更加容易发生低频振荡；当电力系统负载较重时，抗干扰能力变弱，更容易发生低频振荡。此外，热力系统和轴系机械系统会影响电力系统工作的稳定性，导致低频振荡发生的概率上升。
3电力系统低频振荡控制的方法分析
3.1线性模式分析法
这种分析方法是解决小扰动稳定性的系统优化方法。这种方法的设计初衷是从非线性系统的线性逼近稳定性出发，找到非线性系统在平衡点附近的小范围稳定区域。这个方法的关键是用线性模式分析法，在系统初始工作点附近把系统动态元件的方程线性化，从而得出一个系统状态方程。通过分析这个状态方程的特征矩阵的复特征，找到它的特征向量。根据特征向量找到振荡模式在整个系统中的行为信息，从而找出振荡模式和状态变量间的线性相关性。据此来提升电力系统的小扰动稳定性。
3.2时域仿真法
这种方法是对电力系统的暂态稳定性展开分析的一种常用方法。这种方法可以充分考虑到电力系统非线性因素的影响，通过建模和检验分析结果以及控制器的控制效果来分析系统的暂态稳定性。它是以数值分析为基础，通过计算机仿真系统来测得电力系统在扰动状态下的时间响应，从而得出系统振荡模式频率和阻尼特性。这种方法只适合运用在小型的电力系统扰动性分析中。因为它受地域限制明显。
3.3信号分析法
信号分析法是指通过对实测数据或仿真数据的分析得出系统的震荡模式信息的一种方法。目前常用的信号分析法是Prony法。这种方法的原理是借助于指数函数的线性组合，通过模拟组合的方式来采集数据的方法。优点是能够从暂态仿真数据或现场实测数据中找到各个分量的频率阻尼比和相位等信息，得出高度准确性的仿真分析结果。多次试验表明该方法在提取系统的振荡特性方面具有显著的优势和可靠性。
3.4非线性模式分析法
该方法是把电力系统看作一个复杂的非线性系统，认为该系统在受扰动情况下会表现出动态特性。这些动态特性是反映电力系统的结构负荷特性、故障类型、故障地点的重要信息载体。因此通过在运行点附近求出系统状态方程，就可以获得系统的稳定性信息。该方法的局限是必须要在系统稳定工作点附近进行测量，分为正矩形方法和模态级数法两种。正矩形方法的数学实质是非线性微分方程所展开的二阶以及二阶以上的高阶解析解，它可以有效分析模式之间的非线性相关作用对控制性能、控制器设计的影响，从而得出控制模式和低频振荡模式的强相关作用。模态计数法是研究电力系统动态特性的新方法，不需要状态空间的线性变换，可以用于交直流互联电力系统的模式非线性分析。
4总结
综上所述，在互联系统中，低频振荡问题越来越成为影响电力系统稳定的重要因素，成为制约互联电网电能传输的瓶颈。因此，加强对于电力系统低频振荡分析意义重大。为此，深入研究电力系统低频振荡控制现状，创新电力系统低频振荡控制策略，是今后我国电力电力系统低频振荡控制的重要方向以及课题。
参考文献
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论文作者:杨建,赵潇逸,孙艳超
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第2期
论文发表时间:2018/6/19
标签：低频论文; 系统论文; 电力系统论文; 阻尼论文; 机理论文; 线性论文; 模式论文; 《建筑学研究前沿》2018年第2期论文;