（电力系统及其自动化专业论文）应用飞轮储能系统抑制电力系统低频振荡的研究.pdf

i f i j i f 川f j f f f | j f f i i 川i f i | 删 y 17 6 2 2 3 9 r e s e a r c ho nd a m p i n gp o w e r sy st e ml o w - f r e q u e n c y o s c i l l a t i o n sw i t hf e ss ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rm ea c a d e m i cd e g r e eo f d o c t o ro f e n g i n e e r i n g b y s h il i l l - j u n s u p e i s e db ys u d e l s e db v p r o f e s s o rt a n gg u o q i n g s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f e b 2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 摘要 摘要 随着互联电网的规模不断扩大，电力系统低频振荡问题成了严重威胁到互联电网安 全稳定运行的突出问题之一，因此，有必要深入研究抑制电力系统振荡的方法和手段， 而飞轮储能技术的发展为此提供了新的思路和有效的技术支持。本文提出应用飞轮储能 系统( f e s s ) 来抑制电力系统低频振荡，为抑制低频振荡提供了新方法和手段，对电力 系统的发展有着重要和深远的意义。 本文在建立了f e s s 的动态数学模型、推导了含f e s s 的多机电力系统的全系统 p i l l i p s h e f 】胁n 线性化模型基础上，研究了f e s s 的p i 控制器参数的优化设计和f e s s 抑 制低频振荡的机理。并在机理研究的基础上，对f e s s 抑制区域振荡、单个f e s s 抑制 系统多模态振荡的应用以及电力系统稳定器( p s s ) 与f e s s 阻尼控制器协调优化等问 题展开研究，并取得如下主要成果： ( 1 ) 提出应用改进粒子群优化算法( i p s o ) 优化设计f e s s 的有功和电压的p i 控 制器参数。i p s o 算法通过混沌初始化、迭代中加入混沌扰动和自适应调整惯性权重系 数来克服传统p s o 算法效率低、易陷入局部极值和算法早熟等缺陷。基于i p s o 算法， 以有功和电压控制器响应的i t a e ( i n t e g m lo ft i m em u l t i p l i e db yt l l ea b s o l u t ev a l u co f e 仃o r ) 指标最小为目标函数，对f e s s 的两个p i 控制器参数进行优化。并以单机无穷大 系统和四机系统为例，通过非线性仿真分析验证了优化结果的有效性。 ( 2 ) 应用阻尼转矩分析( d t a ) 法结合线性模式分析法从理论上分析f e s s 抑制电 力系统低频振荡的机理。该方法分析了阻尼转矩产生、分配和传递的全过程，即f e s s 通过对各台发电机提供阻尼转矩，然后通过每台发电机将阻尼转矩转化为对模式的阻 尼，清晰地揭示了f e s s 抑制电力系统低频振荡的机理，为应用f e s s 抑制低频振荡奠 定了理论基础。 ( 3 ) 提出应用f e s s 抑制电力系统的区域振荡。文中提出应用基于d t a 结合模式 分析法的阻尼转矩指标( d t i ) 的选择f e s s 安装地点、控制回路和反馈信号的鲁棒性 方法，并在此基础上应用推广相位补偿法对阻尼控制器参数的鲁棒性整定。以四机系统 为例，特征值分析和非线性仿真都验证表明了f e s s 抑制区域振荡的有效性。 ( 4 ) 提出应用单个f e s s 抑制电力系统的多模态振荡。针对f e s s 具有有功和电压 两个独立的控制回路，提出在两个控制回路上分别附加阻尼控制器以分别抑制不同的振 荡模式，达到单个f e s s 抑制多模态振荡的目的。应用模态控制理论，通过对可控性指 标的分析和比较，为各弱阻尼模式分别选定了相对有效的有功或电压控制回路以及相应 的反馈信号，并应用i p s o 算法，以各弱阻尼模式的最小阻尼比最大化为目标函数，协调 优化各阻尼控制器的参数。以四机系统为例，特征值分析和非线性仿真都表明了f e s s 抑制系统多模态振荡的有效性。 ( 5 ) 提出应用加入模拟退火思想的i p s o 算法( a i p s o ) 协调优化f e s s 阻尼控制 器和p s s 的参数。a i p s o 算法是在i p s o 算法中加入模拟退火思想，以提高算法的全局 搜寻能力和寻优效率。在多种运行方式下以机电振荡模式最小阻尼比最大化为目标函 数，并保证所有特征值的实部为负和非机电振荡模式满足一定的阻尼比，将p s s 和f e s s 阻尼控制器参数协调优化转化为一个含有约束条件的最优化问题，并应用a i p s o 算法 求解。以四机系统和新英格兰3 9 节点系统为例，验证了算法的有效性和一定的鲁棒性。 一一 查堕查兰竖：生堂竺丝茎 一( 6 ) 探讨f e s s 容量对低频振荡的影响，并提出应用分布式f e s s 解决因单个f e s s 容量不足而影响抑制低频振荡的效果。应用a i p s o 算法分别对分布式f e s s 阻尼控制器 间的参数和分布式f e s s 阻尼控制器与p s s 参数的协调优化，四机系统算例表明经协调 优化后，分布式f e s s 具有改善因单个f e s s 容量不足造成的抑制低频振荡效果变差的 能力。 关键词：低频振荡，f e s s ，阻尼控制器，区域振荡，多模态振荡，阻尼转矩分析法， 粒子群优化算法，p s s a b s t i 认c t a b s t r a c t w i mt l l ed e v e l o p m e n to fi n t e r c o 皿e c t c dp o w e rs y s t e m 锄dt l l es c 酊ei st 0b e c o m el a r g e r a n dl 锄翟e r ，l o 、v f k q u e n c yo s c i n a t i o n si np o w c i rs y s t e mh a sb e c o m eo n eo ft l l em o s tc r i t i c 甜 p r o b l e m sw m c hc a i ls e r i o u s l yt l l r e a t e nt h es a f e 坶a l l d 嘲b i l i 田o ft l l ei n t e r c o m l e c t e dp o w e r s y s t e m s ，t l l e r e f o f 岛t 1 1 en o v e lt e c l l l l o l o 西cm e a s u r e s 孤en e e d e dt ob ew e l li n v e s t i g a t e di 1 1o r d e r t 0 s u p r e s sl o 、- f k q u e n c yo s c i l l a t i o i l si np o w e rs y s t e m b 弱e do nt l l ep r o g r e s so ff l ”h e e l e n e 玛ys t o r a g et e c h n o l o g y ， an e wi d e aa n d m e t h o dl l a v eb e e n p r o p o s e dt 0s u p r e s s l o w f - r e q u e n c yo s c i l l a t i o n si np o w e rs y s t e ma p p l y i n gn ”h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m ( f e s s ) ， 锄di ti so fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot l l ep o 、e rs y s t e m i nt i l i sd i s s e r t a t i o n ，d y i l 锄i cm a t l l e m a t i c a lm o d e lo ff e s sh 嬲b e e ne s t a b l i s h e d 觚d p k l l i p s h e 角o n1 i n e a rm o d e lf o rm u l t i - m a c i l i n ep o w e rs y s t e mc o n t a i l l i n gf e s sa l s oh a sb e e n d e r i v e d ，a n dt i l e n l ep r i n c i p l eo fd 锄p i n gl o w f r e q u e n c yo s c i u a t i o n sw i t l lf e s sh a sb e e n i n v e s t i g a t e d f 哪l e n n o r e ， m ef o l l o 、析n g p r o b l e m ss u c h嬲o p t i m i z a ：t i o nd e s i g no fp i c o n t r o l l e r ，d a m p i n gi n t e r - a r e ao s c i l l a t i o n s 晰也f e s s ，d 锄p i n gi n u l t i m o d eo s c i l l a t i o n s 谢t ha s i n g l ef e s sa r l dc o o r d i n a t i o no p t i m i z a t i o no fp s sa n df e s sd 锄p i n gc o n ：t r d l l e r sh a v eb e e n d e e p l yd i s c l l s s e d s o m ec o n t r i b u t i o n so ft h ep a p e ra r es l 】m m 耐z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i m p m v e dp s oa l g o r i t l m l ( i p s o ) i sp r o p o s e dt 0o p t i m i z et h ep a r a m e t e r so ft u i l i n g a c t i v cp o 矾惯a i l dv 0 1 t a g ep ic o n 仃0 1 l e 璐o ff e s s 口s oa 1 9 0 r i t l 姗o v c r c o m e st l l et r a d i t i o n m p s oa l g o r i m md e f e c 魄s u c ha sl o we 衔c i e n c y ，f 甜l i n gi r i c ol o c a lm i n i m u me 弱i l va i l d p r 既n a t u 】他，t 1 1 r o u 曲c h a o t i ci i l i t i 2 l l i z a t i o n ，i t e r a t i o nb ya d d i n gc h a o sd i s t _ u | b a i l c ea n da d a p t i v e i n e r t i aw e i g h tf a c t o r b 弱e do ni p s oa l g o r i t l l i l l ，廿l eo p t i m i z a t i o no ft l l ea c t i v ep o w e ra n d v o l t a g ep ic o n t r o l l e r s p a 均m e t e r so ft h ef e s si sf i i l i s h e dw h e nt l l em i n i m 砌1 1 1 a ei i l d e xi s a c l l i e v 泔a n dn l en o n 1 i n e a rs i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t e 埴1 ee f 瓷c t i v e n e s so fo p t i m i 删i o nb y t v v ds 锄p l e so fas i n g l em a c h i n ei n f i n i t e b u ss y s t e l na n df b u r - m a c l l i n es y s t e m ( 2 ) 1 h ep r i i l c i p l eo fd a i i l p i n gl o w _ f r e q u e n c yo s c i l l a t i o i l s 、) l ，i t i lf e s s 、懈r e v e a l e d b ym e m e m o do fd a m p i n gt o r q u e 锄a l y s i s ( d t a ) 嬲w e u 弱t l l el i n e a rm o d e la n a l y s i s t h em e m o d 锄a l y z e sm ew h o l ep r o c e s so fm ed 锄p i n gt o r q u eg e n e r a t i o 玑d i s t r i b u t i o n 趾l dt 眦l s m i s s i o n ， t l l a ti st 0s a y ：l ed a m p i n gt o r q u ei sp r o v i d e df o ra l l g e n e r a t o r sb yf e s s ，a 1 1 dt 1 1 e ni t i s c o n v e m di n t o 咖p i n go fm o d et l l r o u g he v e r yg e n e r 重t o r i tc l e a r l yr e v e a l st h ep r i n c i p l eo f 也ed a i 】1 p i l l gl o w 船c i u e n c yo s c i l l a t i o i l s 晰t l lf e s s ，w m c he s t a _ b l i s h e st l l et h e o r e t i c a lb a s i sf o r a p p l i c a t i o no f f e s st os u p p r e s sl o 、f k q u e n c yo s c i l i a t i o n s ( 3 ) 7 n l em e t h o do ff e s si sp r o p o s e dt 0d 锄pi n t e r - a r e ao s c i l l a t i o n s t h em e t l l o do fd t i b a s e do nd t aa n dm o d e 趾a l y s i si su s e dt or o b u s ts e l e c t i o nf e s si n s t a l l a t i o nl o c a t i o 玑m e c o n 口o ll o o pa n d 危e d b a c ks i 霉皿a 1 a n dm ep h a s ec o m p e l l s a t i o nm e t l l o di su s e dt or o b u s t t u i l i n gd a i t l p i n gc o n t r o l l e r s t a k em ef o u 卜m a c l l i n cs y s t e mf o rad e m o n s t r a t i o n ，t i l e e 成c t i v e n e s so ff e s si sv e r i f i e db yb o n le i g e n v a j u ea l l a l v s i sa n dn o m i n e a rs i i i l u l a t i o l l sf o r d a m p i n gi n t e r - a r e ao s c i l l a t i o n s ( 4 ) t h em e m o do fs i i l g l e f e s si s p r o p o s e dt od a m pp o w e rs y s t e mm u l t i m o d c o s c i l l a t i o n s w i t l lr e g 砌i n go f 铆os e p 褫舵c o i l 仃0 l l o o p s ，t h ef e s sm a yw o 凰s i n g l yt 0 s u p p r e s sp o w e rs y s t e mm u l t i m o d eo s c i l l a t i o n sb ya d d i n gd 锄p i n gc o n t r o l l e rs e p a r a t e l y a c c 0 r d i n ga n a l y s i sa n dc o m p 莉s o no fc o m r o l l a b i l i t ) ，h l d e x e sb a s i n go nm o d a lc o n t r o lt 1 1 e o r y t l l ea c t i v ep o w e ro rv 0 1 t a g ec o n 虹d ll o o pa n df e e d b a c ks i 蹲l a la r es e l e c t e df o re v e r yw e a k l y i i i 东南大学博士学位论文 m o d e 础l dd 锄p i n gc o n t r 0 1 l e r sa r eo p t i m i z e db yi p s oa l g o r i 恤w i m 也em e t l l o do f m a x i m i z i n gt h ew e a “ym o d e sd 锄p i n gr a t i o m i n i m 啪e i g e n v a l u e 锄a l y s i s 龇l dn o n l i n e a r s i m u l a t i o i l sr e s u l t ss h o wt 1 1 a td a m p i n gm u l t i m o d a lo s c i l l a t i o n s 、i 也as i l l g l ef e s si s e f l e c t i v eb ya ne x 锄p l eo ff o u r - l n a c m n ep o w e rs y s t e m ( 5 ) t h em e t l l o do fa i p s oa l g o r i t h m ，w 1 1 i c hi si p s 0a l g o r i t h mc o m b i n e dw i ms i m u l a t e d 锄e a l i n gn o t i o n ，i sp r o p o s e dt oc o o r d i n a t ea i l do p t i m i z ef e s sd 锄p i n gc o n t r o l l e ra i l dp o w 既 s y s t e ms t a b i l i z e r ( p s s ) a i p s oa l g o r i t h mi sm o r ee 行e c t i v ei ng l o b a ls e a r c hc 印a b i l 时锄d e 伍c i e n c yo p t i m i z a t i o nt l l 锄i p s o e s 瑚) l i s h i n gt l l eo b j e c t i v ef h n c t i o no fm a x i i i l i z i n gt h e d a h l p i n gm t i o m i i l i m 啪o fe l e c 仃o m e c h a i l i c 2 l lo s c i l l a t i o nm o d e si nv a r i o u so p e r a t i o i l s ，觚d e n s u r i n g l a ta l le i g e n v a l u e so ft h er e a lp a r t a r en e g a t i v ea l l dn o n - e l e c t r o m e c h a m c a l o s c i l l a t i o nm o d e sl l a v eac e r t a i nd 锄p i n gr a t i o ，c o o r d i 姗t i o no p t i m i 勿t i o nn l ep s sa n dt l l e f e s sd 锄p i n gc o n t r 0 1 l e r si sc o r e n e di n t oa no p t i m i z a t i o np r o b l e mw i t l ls o m ec o n s n a i n t c o n d i t i o n ，砒l i c hc a i lb es o l v e db y 趟p s oa l g o r i t h m 1 1 1 ee 疏c t i v e n e s s 觚dr o b u s t n e s so f t l l e a l g o r i t h mi sv a l i d a t e daf o u r 】 i l a c h i n es y s t e ma 1 1 da n e w e n g l a n d3 9 - b u ss y s t e m ( 6 ) 1 1 1 ei m p a c to ff e s sc a p a c 畸t ol o w 仔e q u e n c yo s c i l l a t i o i l si sd i s c u s s e d a n dt l l e c o n c e p to fd i s 仃i b u t e df e s si sp r o p o s e dt oi i n p r d v ed 锄p i n ge 丘e c t i v e n e s sf o ras i n g l ef e s s 诵mi n a d e q u a t ec a p a c i 何m p s oa l g o r i 恤 i li su s e dt 0c o o r d i n a t ea i l do p t i m i z e 1 ed i s t r i b u t e d f e s sd a m p i n gc o n t r o u e r s ，a n dd 锄p i n gc o n 虹o l l e r sb e t 、 ，e e nd i s t r i b u t e df e s sa n dp s s t h e e f r e c t i v e n e s so fd i s t r i b u t e df e s si sv e r i f i e db yt h ef o u r - m a c l l i i l es y s t e mf o rd 锄p i n g l o w 丘e q u e n c yo s c i l l a t i o n s k e y w o r d s ：l o w - 行e q u e n c yo s c i l l a t i o n s ，f e s s ，( 胁p i n gc o i l t r 0 1 l e r ，m e r - a r e a o s c i l l a t i o n s ， m u l t i m o d eo s c i l l a t i o n s ，d 锄p i n gt o r q u e 锄a l y s i s ，p a r t i c l es w a n no p t i m i z a t i o na l g o r i t l l m ，p s s i v 耳录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i i l ；i 录i 第l 章绪论1 1 1 引言。1 1 2电力系统低频振荡研究现状2 1 2 1 低频振荡机理的研究2 1 2 2 低频振荡的分析方法4 1 2 3 抑制电力系统低频振荡的措施6 1 3f e s s 在电力系统应用研究现状9 1 3 1 储能技术在电力系统应用概述9 1 3 2f e s s 在电力系统中应用研究现状1 l 1 4本文的主要工作15 第2 章f e s s 的数学模型及其控制系统1 7 2 1f e s s 基本方程叫17 2 1 1 电压和磁链方程1 7 2 1 2 电磁转矩和功率方程一1 9 2 1 3 转子运动方程。1 9 2 2 f e s s 三阶简化动态模型2 0 2 3 f e s s 有功、无功解耦控制策略2 l 2 4 f e s s 的线性化模型2 3 2 4 1f e s s 三阶动态模型的线性化2 3 2 4 2 线性化方程的矩阵描述2 4 2 4 3 坐标变换2 5 2 4 4 x 哕坐标下的f e s s 线性化模型2 6 2 5 f e s s 有功和电压控制器的优化设计2 6 2 5 1p i 控制器优化设计的目标函数2 7 2 5 2 基于i p s o 算法f e s s 的p i 控制器参数优化设计2 8 2 5 3 算例分析。3 3 2 6 卅、结3 8 第3 章f e s s 抑制低频振荡的机理研究3 9 3 1 引言3 9 3 2 含f e s s 的全系统线性化模型。3 9 东南大学博二i ：学位论文 3 2 1f e s s 注入系统电流线性化3 9 3 2 2 发电机和负荷模型的线性化4 0 3 2 3 形成全系统线性化方程。4 1 3 3f e s s 抑制低频振荡的物理解释4 2 3 4f e s s 抑制低频振荡的机理研究4 4 3 5f e s s 抑制低频振荡的实例分析4 6 3 5 1f e s s 有功和电压控制器对系统振荡的影响4 6 3 5 2f e s s 附加阻尼控制器抑制低频振荡分析4 8 3 6 小结5 0 第4 章应用f e s s 抑制低频振荡5 1 4 1引言51 4 2应用f e s s 抑制系统区域振荡5 1 4 2 1 安装地点、控制回路和反馈信号的选择5 1 4 2 2 阻尼控制器参数整定。5 2 4 2 3四机系统算例分析。5 4 4 3应用f e s s 抑制系统多模态振荡6 2 4 3 1基于模态控制理论的控制回路和反馈信号的选择。6 3 4 3 2 基于i p s o 算法协调整定附加阻尼控制器参数6 4 4 3 3 四机系统算例分析。6 4 4 4 ，j 、结6 6 第5 章p s s 与f e s s 附加阻尼控制器参数协调优化6 8 5 1引言6 8 5 2协调优化的目标函数6 9 5 2 1p s s 和f e s s 阻尼控制器的线性化模型6 9 5 2 2 协调优化的目标函数7 0 5 3单个f e s s 与p s s 的协调优化7 1 5 3 1加入模拟退火思想的趟p s o 算法7 1 5 3 2 应用a i p s o 算法协调优化的步骤7 1 5 3 3 仿真算例7 3 5 4分布式f e s s 与p s s 的协调优化。8 0 5 4 1 容量对阻尼效果的影响8 0 5 4 2 分布式f e s s 阻尼控制器协调优化8 2 5 4 3分布式f e s s 阻尼控制器与p s s 的协调优化。8 6 5 5小结8 8 第6 章结论与展望9 0 6 1 结论9 0 6 2展望91 致谢9 2 参考文献9 3 目录 附录。10 3 附l 四机系统参数1 0 3 附2 新英格兰1 0 机3 9 节点系统参数1 0 4 攻读博士学位期问发表的学术论文1 0 8 第1 章绪论 1 1 引言 第l 章绪论 我国地域辽阔，能源分布和经济发展极不平衡，为了充分实现全国范围内的资源优 化配置，电网互联是我国电力发展的必然趋势。互联电网具有诸多优势，如电网错峰、 资源合理利用和功率互相支援等一系列的经济效益。但随着电力负荷与区域交换功率的 连续增长，远距离大容量输送电能不可避免，这就增加了电力系统运行的复杂性，给电 力系统运行的稳定性提出了严峻的挑战【2 。8 】。一个局部的小扰动在缺乏相应的控制措施 的情况下也可能引起全系统的连锁反应，造成大面积的停电事故，严重影响人民的正常 生活，对国民经济造成巨大的损失。美国、加拿大、欧洲、俄罗斯等以及我国都有过这 样的经验教训桫。1 引。特别是2 0 0 3 年美一加“8 1 4 大停电事故发生后，电力系统的安全 问题引起了世界的普遍重视【9 l 。因此研究互联电网运行的稳定性，预防电力系统崩溃而 引起的大面积停电事故具有十分重要的意义。 电力系统低频振荡就是引起电力系统运行稳定性问题的众多原因之一1 5 7 ，1 5 j 。自2 0 世纪6 0 年代在北美中部大陆地区联合电力系统( m a p p ) 的西北联合系统和西南联合系 统试行互联时观察到低频振荡现象以来l l 引，一直备受关注。低频振荡一旦发生，或持续 振荡较长的一段时间后自行消失，或振荡幅度越来越大，导致系统失稳，造成大面积停 电。随着互联电网规模的同益扩大，大容量机组在系统中的不断投运，快速励磁的普遍 使用，低频振荡现象在大型互联电网中时有发生，美国、日本及欧洲等电力系统在运行 中均发生过低频振荡事故。如1 9 9 6 年8 月美国西部电力系统( w s c c ) 的大停电事故，就 是由于事故引发了o 2 3 h z 区域振荡模式的低频振荡，直接导致了全系统的解列i l7 j ；2 0 0 0 年8 月w s c c 系统再次发生了类似的低频振荡【l8 1 。我国互联系统的低频振荡首次记录 是在1 9 8 4 年，广东与香港联合系统运行中发现的【l 引，随后在我国华中电网、华东电网 和中国南方电网等均发生多次功率振荡【13 ，w 埘j 。在我国四大区域电网互联的情况下，电 网的低频振荡问题更加复杂，出现了频率约为0 1 h z 的超低频振荡i z u 。，对互联系统稳定 构成了严重的威胁，应进一步深入研究并给出有效的措施加以解决。 目前，解决低频振荡问题的主要方法是通过阻尼控制器来实现的。阻尼控制器可以 分为两类：一类是安装在发电机励磁控制回路上的附加阻尼控制器，称为电力系统稳定 器( p o 、e rs v s t e ms t a b i l i z e r 】p s s ) 田2 5 1 ；另一类是安装在柔性交流输电系统( f l e x i b l ea c 1 m i l s m i s s i o ns y s t e m ，f a c t s ) 装置上的附加阻尼控制器1 2 6 圳j 。p s s 对于局部模式( l o c a l m o d e ) 有很好的阻尼效果，但对于区域模式( i n t e r - a r e am o d e ) ，现有的p s s 有时并不理 想，原因是p s s 采用的是本地局部信息作为反馈信号，不能很好地反映区域间振荡模式， 也就难以有效抑制区域振荡。f a c t s 的主要功能是提高系统传输容量和对潮流的控制能 力，提高系统暂态稳定性，如果在f a c t s 上附加阻尼控制，则f a c t s 对区域模式具有较 好的阻尼效果【2 6 - 3 们。 是否有新的解决低频振荡问题的手段和方法呢? 各国学者对此问题的研究主要有两 个趋势，一是寻找新的设计阻尼控制器的方法，使得阻尼控制器具有更好的鲁棒性。文 献【3 l 】提出了一种基于模糊逻辑的自适应p s s 设计方法，具有结构简单、适应性强、鲁 棒性好等特点，但在模糊规则等方面还存在一些不足。文献【3 2 】提出了基于电力系统非 线性模型的阻尼控制器设计方法，但基于非线性模型的阻尼控制器设计，其计算都非常 壅堕奎堂塑主堂垡堡奎 繁琐和困难，还有待进一步深入研究。另一个研究如何解决低频振荡问题的方向是寻找 新的装置来抑制系统低频振荡，飞轮储能技术的发展为此提供了新的思路和有效的技术 支持【3 3 。7 1 。 早在2 0 世纪5 0 年代开始就有人提出飞轮储能系统( f l 州l e e le n e r g ys t o r a g es y s t 锄， f e s s ) 的设想，但一直没有突破性的进展。自2 0 世纪9 0 年代以来，由于材料技术、电力 电子技术以及电磁悬浮、超导磁悬浮技术的发展，给飞轮储能带来了新的活力。由于 f e s s 储能密度高，寿命长、基本无需维护以及对环境友好等优点而在国防工业、汽车工 业、电力行业、医疗和电信业以及航天航空领域都得到广泛的应用i j ”7 ，也为抑制低频 振荡提供了新的思路和有效手段1 3 阳引，对电力系统的发展有重要和深远的意义。 但将f e s s 应用于抑制电力系统低频振荡的研究中还有诸多问题未解决，如从理论上 分析f e s s 抑制低频振荡的机理、附加阻尼控制器参数设计、f e s s 容量对抑制低频振荡 的影响、分布式f e s s 的协调控制以及f e s s 本身的p i 控制器参数设计等问题。因此本文 围绕应用f e s s 抑制电力系统低频振荡问题展开研究，探讨f e s s 抑制低频振荡的机理、 附加阻尼控制器的设计方法、容量对抑制低频振荡效果的影响以及分布式f e s s 协调控制 等方面的内容。 1 2 电力系统低频振荡研究现状 i e e e 对于电力系统稳定性的定义是【1 5 j “电力系统的稳定性表征电力系统的这样一 种能力：对于给定的初始运行状态，在遭受扰动后系统能够重新获得运行平衡点，且在 该平衡点系统所有的变量有界，系统仍保持其完整性。根据电力系统失稳方式的不 同，i e e e 将电力系统的稳定问题分为功角稳定、电压稳定与频率稳定三大类。其中， 功角稳定又可分为大干扰稳定和小干扰稳定。低频振荡问题属于小干扰稳定的范畴，研 究的内容包括引起振荡的条件及机理、低频振荡的研究方法以及抑制低频振荡的措施等 方面，研究的目的要确定系统中是否存在弱阻尼的振荡模式，并且在存在弱阻尼振荡模 式时，采取有效措施增强这些模式的阻尼，以减少发生振荡的可能，或者在发生振荡时， 能快速平息。 电力系统低频振荡的研究已经取得了丰硕的成果，并在电力系统中得到了广泛的应 用，本节从电力系统低频振荡的机理研究、分析方法以及抑制措施等方面分别介绍已有 的研究成果。 1 2 1 低频振荡机理的研究 对低频振荡的研究，首先是要找出发生低频振荡的起因以及影响因素，然后才能采 取有效的控制措施，即先要研究低频振荡的产生机理。迄今为止，对电力系统低频振荡 机理的研究主要有如下几个方面： 1 2 1 1 负阻尼机理的研究 最早提出负阻尼机理的是d em e l l o 和c o n c o r d i a ，他们在文献 2 2 】中运用阻尼转矩的概 念对单机一无穷大系统的低频振荡现象进行了机理的研究分析。研究认为引起振荡的原 因是在较高外部系统电抗和较高发电机功率输出的条件下，由于励磁系统存在惯性，随 着励磁系统放大倍数的增加，产生了负阻尼作用，抵消了系统固有的正阻尼，使得系统 的总阻尼变小，甚至为负，从而产生增幅振荡。该机理阐述透彻，概念清晰，物理意义 明确，已成为电力系统低频振荡的经典理论。 2 第l 章绪论 基于负阻尼机理设计的电力系统稳定器( p s s ) 已经大量运用到实际电力系统，对 低频振荡起到了很好的抑制作用【2 3 2 5