電力系統(tǒng)低頻振蕩問(wèn)題探析

郜曉娜 張祥龍

摘要：現(xiàn)如今隨著人們用電需求不斷加大，電網(wǎng)建設(shè)也呈現(xiàn)快速發(fā)展，系統(tǒng)大規(guī)模互聯(lián)成為電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展的重要特點(diǎn)，但是與此同時(shí)，如何確保電力系統(tǒng)持續(xù)安全穩(wěn)定性成為關(guān)鍵，尤其是低頻振蕩問(wèn)題越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注?；诖耍挛漠?dāng)中結(jié)合實(shí)踐，對(duì)電力系統(tǒng)低頻振蕩問(wèn)題展開(kāi)探析，希望能為相關(guān)工作提供一些參考作用。

關(guān)鍵詞：低頻振蕩;振蕩機(jī)制;PSS;特征值分析

近年來(lái)伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，各個(gè)層面用電需求日益加大，由此也帶動(dòng)電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模越來(lái)越，然而，在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題變得日益突出起來(lái)，特別是系統(tǒng)互聯(lián)過(guò)程中導(dǎo)致的區(qū)域低頻振蕩問(wèn)題，對(duì)互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性造成很大影響，更阻礙到電網(wǎng)傳輸能力，因此很有必要對(duì)電力系統(tǒng)低頻振蕩問(wèn)題進(jìn)行探析與研究。

一、低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)制

1.1負(fù)阻尼機(jī)制

只有對(duì)振蕩產(chǎn)生的機(jī)理有一個(gè)更加全面的認(rèn)識(shí)，才能對(duì)低頻振蕩開(kāi)展更加深入的研究工作，進(jìn)而尋求有效的抑制方法。到現(xiàn)在為止，負(fù)阻尼機(jī)制在低頻振蕩機(jī)制研究中體系最為完善，具有清晰的物理概念，被人們所認(rèn)可。此項(xiàng)理論不僅僅局限于單機(jī)，系統(tǒng)非常強(qiáng)大，可以在多機(jī)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，首先把系統(tǒng)線性化，之后對(duì)特征進(jìn)行分析，便可從中探尋系統(tǒng)有無(wú)低頻振蕩存在，這一理論對(duì)設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）提供了強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)。

1.2強(qiáng)迫振蕩機(jī)制

現(xiàn)在除了負(fù)阻尼機(jī)制之外，目前在低頻振蕩機(jī)制研究方面國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者主要集中于強(qiáng)迫振蕩機(jī)制方面的研究。在電力系統(tǒng)當(dāng)中，因個(gè)別節(jié)點(diǎn)復(fù)合功率出現(xiàn)明顯的周期性波動(dòng)，導(dǎo)致周期性的擾動(dòng)源出現(xiàn)在局部，如果擾動(dòng)形成的頻率相較于系統(tǒng)本身頻率較為接近時(shí)，這些周期性小擾動(dòng)在系統(tǒng)局部長(zhǎng)期出現(xiàn)，便會(huì)引發(fā)系統(tǒng)有較強(qiáng)的震蕩現(xiàn)象發(fā)生，此類震蕩被稱之為強(qiáng)迫震蕩。依照這一機(jī)理，對(duì)電力系統(tǒng)不同于負(fù)阻尼機(jī)理進(jìn)行研究，應(yīng)當(dāng)通過(guò)非齊次微分方程來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)描述，這一振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，主要是因周期性擾動(dòng)而形成的系統(tǒng)共振，為了避免這種共振現(xiàn)象發(fā)生，需要有效消除擾動(dòng)源控制振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一機(jī)理和負(fù)阻尼機(jī)理存在很大的不同，不僅具有較快的起振速度，同時(shí)消失震蕩也非?？臁?/p>

1.3參數(shù)諧振機(jī)制

近年來(lái)電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，正當(dāng)問(wèn)題在系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)的越來(lái)越復(fù)雜，通過(guò)負(fù)阻尼機(jī)制以及強(qiáng)迫振蕩機(jī)制對(duì)一些震蕩模式全面解釋之后，人們?cè)絹?lái)越重視參數(shù)諧振機(jī)制，如果系統(tǒng)當(dāng)中，出現(xiàn)相互接近的兩個(gè)振蕩模式對(duì)應(yīng)特征值時(shí)，便會(huì)有諧振產(chǎn)生，這樣一來(lái)導(dǎo)致兩個(gè)振蕩模式出現(xiàn)直角分離的對(duì)應(yīng)特征值，而且一對(duì)特征根實(shí)部會(huì)由負(fù)變正形成振蕩失穩(wěn)。有學(xué)者也進(jìn)行研究，可以在實(shí)際電網(wǎng)當(dāng)中運(yùn)用該機(jī)制。

1.4混沌機(jī)制

在非線性電力系統(tǒng)當(dāng)中，受各個(gè)參數(shù)作用因素影響導(dǎo)致的低頻振蕩非常的復(fù)雜，混沌現(xiàn)象非常的典型，然而到現(xiàn)在為止，這一機(jī)制的研究依然處于初期階段，在實(shí)際工程當(dāng)中理論支撐方面還存在很大不足。

1.5分岔機(jī)制

相較于混沌機(jī)制，在被系統(tǒng)開(kāi)展研究工作當(dāng)中，分岔機(jī)制是通過(guò)非線性方法來(lái)開(kāi)展相應(yīng)的研究工作，更加全面的考慮電力系統(tǒng)非線性，同時(shí)通過(guò)解空間結(jié)構(gòu)上人手開(kāi)展相應(yīng)的研究工作，然而當(dāng)前，在大型系統(tǒng)當(dāng)中，這一機(jī)制還沒(méi)有得到有效應(yīng)用。

二、低頻振蕩的分析方法

2.1特征值分析法

對(duì)于低頻振蕩而言，這種問(wèn)題屬于小的干擾，主要可能好的擾動(dòng)下而導(dǎo)致，因此能夠通過(guò)平衡點(diǎn)特征值開(kāi)展相應(yīng)的研究，通常在平衡點(diǎn)位置上把定常的非線性系統(tǒng)模型，通過(guò)展開(kāi)一階泰勒，獲得一致的線性化系統(tǒng)，具有全局穩(wěn)定結(jié)構(gòu)特征，對(duì)特征根以及特征向量和參與因子阻尼比等有關(guān)信息進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)線性化系統(tǒng)，來(lái)對(duì)低頻振蕩模式信息進(jìn)行反應(yīng)，低頻振蕩模態(tài)信息通過(guò)對(duì)應(yīng)特征向量來(lái)進(jìn)行反應(yīng)，在這一方法下能夠詳實(shí)地提供相關(guān)信息，是多機(jī)系統(tǒng)低頻振蕩最為有效的方法之一，計(jì)算特征根有關(guān)軟件有多種。如PsD-ssAP、 PsAsP等是由我國(guó)電力科學(xué)研究院所開(kāi)發(fā)研制，在特征值計(jì)算方面功能非常的突出。

現(xiàn)在在特征值求取方法方面主要有兩大類：一種是對(duì)系統(tǒng)全部特征值進(jìn)行求取，QR分解法是最為典型的方法之一。然而，矩陣階數(shù)會(huì)對(duì)這種方法形成很大的限制，在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，主要用于1000及以下階數(shù)計(jì)算;另一種方法是將部分特征值進(jìn)行求取的重要方法，如AESOPS法以及Amoldi法，不限制階數(shù)，極有可能出現(xiàn)失根，也或是對(duì)飛機(jī)電振蕩模式進(jìn)行收斂，正是由于這些因素存在，伴隨不斷增大的系統(tǒng)，逐漸增加矩陣維數(shù)，計(jì)算特征值無(wú)法達(dá)到相關(guān)的精度需求。

2.2改進(jìn)Prony方法

這一方法是重要的時(shí)域分析法，該方法基于傅里葉分析法前提下獲得很大發(fā)展，而且不用于特征值分析法，系統(tǒng)特征值進(jìn)行求取，能夠?qū)⒛Ｊ降念l率以及阻尼大小和相對(duì)相位進(jìn)行分析，同時(shí)還能對(duì)未知系統(tǒng)模型降階傳遞函數(shù)進(jìn)行求取?，F(xiàn)如今在電力系統(tǒng)分析當(dāng)中Prony分析法得到了普遍認(rèn)可，然而實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中依然有很多不足存在。如辨識(shí)系統(tǒng)當(dāng)中具體階數(shù)過(guò)程當(dāng)中，噪聲抑制能力還存在一定不足，所以在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)，有效結(jié)合Prony方法以及其他處理方法。

三、電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制措施

3.1增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

低頻振蕩非常容易出現(xiàn)在重負(fù)荷和長(zhǎng)距離輸電線路之上，所以為了有效抑制低頻振蕩的產(chǎn)生，可以對(duì)具有重負(fù)荷的線路進(jìn)行減少，工程實(shí)際時(shí)常會(huì)有串聯(lián)補(bǔ)償電容應(yīng)用，對(duì)線路兩端電氣距離進(jìn)行減少，通過(guò)這一方法來(lái)對(duì)低頻振蕩因素進(jìn)行抑制，而且還能利用電網(wǎng)互聯(lián)增強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)間聯(lián)網(wǎng)通道進(jìn)行增加，來(lái)對(duì)系統(tǒng)低頻振蕩進(jìn)行抑制。

3.2電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS

將穩(wěn)定器配置在勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)對(duì)低頻振蕩起著重要的抑制作用，這種方法有著非常簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，而且具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)還具有較好的魯棒性，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在低頻振蕩抑制過(guò)程當(dāng)中，這一裝置非常經(jīng)濟(jì)而有效。過(guò)去設(shè)置的PSS參數(shù)只能對(duì)指定的振蕩模式，卻不能有效地抑制其他震蕩模式，極易導(dǎo)致惡化發(fā)生。為了有效應(yīng)對(duì)這一不足。在2000年時(shí)加拿大魁北克電力局，將PSS4B首次提出，在穩(wěn)定電力系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)揮了重要的作用，能夠?qū)Σ煌袷庮l率，提供有效的阻尼，還具有很強(qiáng)的靈活性，實(shí)用性價(jià)值較高。

3.3柔性交流輸電裝置FACTS

在提高系統(tǒng)可控性以及功率輸送能力方面，F(xiàn)AcTs裝置主要通過(guò)電力電子設(shè)備以及靜態(tài)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，不僅非常的靈活，而且快速，對(duì)低頻振蕩抑制發(fā)揮著非常重要的作用，因此越來(lái)越被重視起來(lái)，然而這一裝置有著較高的成本，配置地點(diǎn)以及輸入信號(hào)也會(huì)對(duì)其控制效果造成影響。

3.4調(diào)度運(yùn)行方式調(diào)整

利用wAMS將各區(qū)間內(nèi)發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供出來(lái)，并在動(dòng)態(tài)分析下基于有效措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)，合理調(diào)整運(yùn)行方式，提高系統(tǒng)阻尼效果，而且還可通過(guò)告警系統(tǒng)以及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以免出現(xiàn)起振，平息振蕩。通過(guò)實(shí)時(shí)的算例對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用做了更好的驗(yàn)證， 并體現(xiàn)了這種方法的優(yōu)點(diǎn)。

四、結(jié)論

電力系統(tǒng)低頻振蕩問(wèn)題越來(lái)越受到重視，本文對(duì)目前低頻振蕩的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析。針對(duì)實(shí)際電網(wǎng)的安全運(yùn)行，低頻振蕩的研究還可從如下幾個(gè)方面人手：

（1）共振型低頻振蕩機(jī)制和諧振類的低頻振蕩機(jī)制研究較少， 還有必要進(jìn)行專題性的研究。

（2）分析方法方面要更進(jìn)一步進(jìn)行非線性分析，使得非線性理論更加完善。

（3）加快新設(shè)備的實(shí)用性研究，開(kāi)發(fā)基于wAMs的專門低頻振蕩實(shí)時(shí)跟蹤及防控支持系統(tǒng)。 進(jìn)一步研究WAMS通信時(shí)滯的影響和解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1]王問(wèn)清.電力系統(tǒng)低頻振蕩共振機(jī)理的研究[D].華北電力.2018，（01）

[2]王義昌.大電網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2017，（08）

[3]湯涌.電力系統(tǒng)強(qiáng)迫功率振蕩分析[J].電網(wǎng)技術(shù).2018，（12）