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;强迫振荡;低频振荡;机理;防控措施
中图分类号:TM712 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0030-01
一、概述
近年来云南电网多次发生低频振荡事件,如2006年的8.29振荡,2008年的4.21振荡和2008年的8.25振荡等,振荡频率主要集中在0.4Hz、0.6Hz、0.7Hz,功率振荡在主网联络线上表现明显,幅度接近几十万千瓦。进一步的分析表明,大容量、远距离送电使得系统阻尼特性减弱,同时发生机组、线路的小规模扰动是造成该地区电网发生低频振荡的主要原因。另外,发电机组的不正当操作,导致机组输出功率出现固定频率的波动现象,若该频率与主网振荡频率匹配,也会造成主网的低频振荡。简言之,前者是由于弱阻尼情况下小扰动发生,后者是由于系统存在强迫振荡源,若频率与区域间振荡频率匹配,功率振荡就会放大,波及主网联络线,造成主网振荡。持续不断的大幅度功率振荡产生的后果将会非常严重,振荡地区电网机组对主网的同步振荡将发展为失步振荡,与系统失去稳定运行,从而导致地区电网大面积停电,并可能造成机组损坏。区域互联的主网也将会产生更大的功率波动,甚至会因低频振荡而造成电网稳定破坏。因而在工程实践中,不断加强对电力系统强迫振荡的机理研究具有非常重要的现实意义。
二、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:
(一)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。
(二)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。
(三)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。
三、强迫低频振荡的研究方法
工程实践中,我们通常将低频振荡定性为静态稳定或小扰动稳定的问题,而对于上述两类问题的分析及理论研究方法诸多,依据判定的数学模型的不同,可将这种方法分为特征值分析法、数值解法及频域分析法三种,下面对这三种研究方法做一简要叙述。
(1)特征值分析法,这一方法是最基本的低频振荡问题的研究方法,全部及部分特征值法是这类方法最为基本的构成。
(2)数值解法,这一研究方法是实践过程中应用的最为广泛的一种暂态稳定分析法,其具体解法是针对特定扰动计算出系统方程中系统变量的完整响应时间。
(3)频域分析法,AESOPS法是频域分析法的代表算法,也是目前广为应用的一类分析法。
四、电力系统强迫振荡的防控
目前改善电网阻尼特性以抑制低频振荡的最经济有效的办法是在发电机组上加装电力系统稳定器(PSS)装置,但在多机大电力系统中,PSS的参数整定和协调,以及全局最优励磁系统的实现,是一个相当复杂的问题。对于低频振荡而言,振荡是不是由于快速励磁调节产生负阻尼引起的,有没有系统的内在规律性,如何看待负荷控制系统和振荡的关系等,都是很值得研究的问题。对低频振荡问题的认识与研究经历了一个过程,早在20世纪50年代,苏联在发展快速励磁系统的同时,就研制了具有发电机定子电流偏差及微分或频率偏差及微分附加反馈的强励式励磁调节器。它有效地抑制大干扰暂态过程中输电线路的低频振荡。当时还没有发现在小干扰时系统发生等幅振荡或增幅振荡的事故,因此低频振荡问题未引起其他国家的重视。近年来,由于大型发电机普遍采用由集成电路和可控硅组成的快速励磁调节器,使励磁系统时间常数大为减小,从而降低了系统阻尼,对联系较弱的系统影响较大,使系统中不断出现弱阻尼,甚至负阻尼。60年代以来,美国、西欧、日本等,多次发生输电线功率低频振荡的事例,于是才逐步引起各国对低频振荡问题的重视。
五、结束语
本文通过对电力系统强迫低频振荡机理详尽的分析和研究,为日后电网中低频振荡事故的防控提供了一定的解决思路,对日后工程实践具有一定的借鉴及实用价值。
参考文献:
[1]云南省电机工程学会,云南电网公司编.2007云南电力技术论坛论文集[R].云南科技出版社,2007,9
[2]杨耿杰,郭谋发.电力系统分析[M].中国电力出版社,2009,7
