低频振荡基本介绍

1、2013年春季学期学习总结汇报年春季学期学习总结汇报主讲人：贺主讲人：贺 兴兴 安安时时 间：间：2013年年07月月23日日1 低频振荡低频振荡2 汽轮机调节原理汽轮机调节原理3 风力发电风力发电4 电力系统调频电力系统调频5 风电参与调频的研究现状风电参与调频的研究现状6 下一步规划下一步规划讲座内容讲座内容1 低频振荡低频振荡 基本定义基本定义: 在电力互联系统中，发电机经输电线路并列运行时，在电力互联系统中，发电机经输电线路并列运行时，在扰动的作用下，会发生发电机转子间的相对摇摆，表在扰动的作用下，会发生发电机转子间的相对摇摆，表现在输电线路上就会出现功率波动。当暂态扰动消失后，现在输

2、电线路上就会出现功率波动。当暂态扰动消失后，发电机转子间的摇摆平息得很慢甚至持续增大，以致破发电机转子间的摇摆平息得很慢甚至持续增大，以致破坏了互联系统之间的静态稳定，最终将使互联系统解列。坏了互联系统之间的静态稳定，最终将使互联系统解列。同时由于这种持续振荡的频率很低，一般在同时由于这种持续振荡的频率很低，一般在0.0.1 12.52.5HzHz之间，故称为之间，故称为低频振荡低频振荡 1 低频振荡低频振荡图2-3 500kv丰万一线有功功率第一次振荡PMU 录波图2 电力系统低频振荡基本概念电力系统低频振荡基本概念电力系统低频振荡分类：电力系统低频振荡分类：局部振荡模式(Local Mod

3、es)，它涉及同一电厂内的发电机(或电气距离很近的几个发电厂的发电机)与系统内的其余发电机之间的振荡，振荡频率约为0.82.5Hz。或称厂内型低频振荡。区域间振荡模式(Inter-area Modes），它涉及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，频率范围约为0.10.8Hz，或称互联型低频振荡 。此外，也有将在同一地区的不同电厂之间的振荡频率在1Hz左右的低频振荡简称为地区型低频振荡。 3.1单机无穷大系统的单机无穷大系统的3 低频振荡数学模型的建立低频振荡数学模型的建立120100020cossineqqd

4、qQdeqeqeqdeMKKEXXUKI UEXXXXXXKIXX 3 低频振荡数学模型的建立低频振荡数学模型的建立 edddededddedqXXXXUKXXXXKsTKKKEsTKKE0430343033/sin/113 低频振荡数学模型的建立低频振荡数学模型的建立edGeqGeqGdGqedGqGdqGXXUXUKXXUUUXXXUUUXKEKKU006000000565cossin3 低频振荡数学模型的建立低频振荡数学模型的建立334303011qdeddKK KEEK T sK T s0meJMMTss 12eqMKKE56GqUKKE3 低频振荡数学模型的建立低频振荡数学模型的建立

5、+PSS或P=PmPe1+K3Td0 sK3TJ s1s0K1K5K4励磁系统K6K2+MmMEqEdeUGUREFD不计励磁调节时，无此部分4 电力系统低频振荡产生机理电力系统低频振荡产生机理(1)负阻尼机理负阻尼机理: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，抵消了系统的正阻尼，导致扰动后振荡不衰减或增幅振荡。 (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 (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

6、使得稳定结构发生变化，从而产生系统的振荡。其中，应用最多的是负阻尼机理其中，应用最多的是负阻尼机理。4 电力系统低频振荡产生机理电力系统低频振荡产生机理负阻尼负阻尼Growing oscillations正阻尼正阻尼Oscillations damp out12431234 电力系统低频振荡产生机理电力系统低频振荡产生机理当今电力系统发生低频振荡问题大多是由阻尼不足引起的，而系统阻当今电力系统发生低频振荡问题大多是由阻尼不足引起的，而系统阻尼与系统本身结构有关系。进一步研究尼与系统本身结构有关系。进一步研究 对发电机总阻尼转矩的具对发电机总阻尼转矩的具体影响体影响K5阻尼转矩包括：发电机的机械

7、阻尼转矩、电气阻尼转矩包括：发电机的机械阻尼转矩、电气阻尼转矩、阻尼绕组的阻尼转矩、阻尼转矩、阻尼绕组的阻尼转矩、PSS的阻尼转的阻尼转矩。矩。DDTmD) 1(.4 电力系统低频振荡产生机理 AAAeKsTKsG1)(4 电力系统低频振荡产生机理06522dAAeTsKKKKKT)(06521dAAeTjKKKKKKTeeDK2026052)()(dAdAeTKKTKKKD其中：其中：为振荡角频率为振荡角频率发电机的电磁转矩：发电机的电磁转矩：4 电力系统低频振荡产生机理AdKKTarctg600180 2eT eT 1eT eDT. sT 4 电力系统低频振荡产生机理AdKKTarctg6

8、0 将将s=j代入，代入， Te2滞后滞后的角度为的角度为在第四象限，如图所示。在第四象限，如图所示。 可见：可见：K50时，同步转矩增大；时，同步转矩增大；电气阻尼转矩减少，并变为负值。电气阻尼转矩减少，并变为负值。电气阻尼转矩电气阻尼转矩TD.e=De 2eT eT 1eT eDT. sT 4 电力系统低频振荡产生机理由之前所建电力系统模型可得出由之前所建电力系统模型可得出 表达式如下：表达式如下：K5由该表达式易得出：由该表达式易得出： 的大小与功角的大小与功角 有关，有关，那么通过实际研究找到影响那么通过实际研究找到影响 的因素，便可以找的因素，便可以找到影响到影响 的因素，进一步找到

9、影响系统阻尼的因的因素，进一步找到影响系统阻尼的因素，最终找出低频振荡的原因。素，最终找出低频振荡的原因。K5K54 电力系统低频振荡产生机理从系统接线、运行方式、负载、发电机及原动机的从系统接线、运行方式、负载、发电机及原动机的调节系统等几个角度出发总结出影响系统阻尼的五调节系统等几个角度出发总结出影响系统阻尼的五个因素如下：个因素如下：n电网结构电网结构：根据根据 可知，系可知，系统等值电抗统等值电抗 越大，功角越大，功角 增大，致使增大，致使 负值负值增大，导致负阻尼更严重。增大，导致负阻尼更严重。sinXEUPeXK54 电力系统低频振荡产生机理n联络线负载：联络线负载：联络线负载增大

10、，发电机的输出功率联络线负载增大，发电机的输出功率增大，功角增大，功角增大，增大，K5 负值增大，阻尼减弱，所以低负值增大，阻尼减弱，所以低频振荡会在联络线功率较大时发生。频振荡会在联络线功率较大时发生。n运行方式：运行方式：低谷时系统电压较高，部分机组进相低谷时系统电压较高，部分机组进相运行，送出同样有功时，功角运行，送出同样有功时，功角增大，致使增大，致使K5负值增负值增大，阻尼减弱。因此，低频振荡往往在夜间或节假日大，阻尼减弱。因此，低频振荡往往在夜间或节假日轻负荷时也发生，这点尤其值得注意。轻负荷时也发生，这点尤其值得注意。4 电力系统低频振荡产生机理n负荷性质：负荷性质：电压变化时，

11、负荷功率随电压变化越电压变化时，负荷功率随电压变化越大，负荷对阻尼的影响也越大。因此，邻近发电机大大，负荷对阻尼的影响也越大。因此，邻近发电机大负荷的特性也是影响阻尼的重要因素。负荷的特性也是影响阻尼的重要因素。n自动励磁电压调节器自动励磁电压调节器(AVR)：当当大时，大时，K5 负，负，AVR 提供负阻尼，其增益在一定范，围内增高时提供负阻尼，其增益在一定范，围内增高时负阻尼增大，时间常数越小，负阻尼越大。负阻尼增大，时间常数越小，负阻尼越大。5 电力系统低频振荡抑制措施 由于低频振荡产生的原因就其本质而言，是系统的控制由于低频振荡产生的原因就其本质而言，是系统的控制措施带来的负阻尼，所以

12、抑制思路有两类：措施带来的负阻尼，所以抑制思路有两类：（1）调整控制措施，减少其带来的负阻尼。）调整控制措施，减少其带来的负阻尼。（2）通过附加的反馈控制，提供额外的阻尼。）通过附加的反馈控制，提供额外的阻尼。 由于前者的控制措施都是为了提高系统的稳定性、经性由于前者的控制措施都是为了提高系统的稳定性、经性和供电质量，调整其控制会带来其它损失，一般避免使用这和供电质量，调整其控制会带来其它损失，一般避免使用这类方法，故一般采用类方法，故一般采用第二种思路第二种思路消除低频振荡的总思路分析：消除低频振荡的总思路分析：5 电力系统低频振荡抑制措施 由于系统一般分为发电、输电和用电三个环节，而由于系

13、统一般分为发电、输电和用电三个环节，而对用户实施管理和控制比较困难，所以目前抑制低频振对用户实施管理和控制比较困难，所以目前抑制低频振荡的措施主要在发电和输电环节实施：荡的措施主要在发电和输电环节实施： 1）发电侧主要是对）发电侧主要是对励磁系统和调速系统励磁系统和调速系统增加附加控制增加附加控制 2）输电侧主要利用）输电侧主要利用FACTs设备快速的控制系统设备快速的控制系统提供附提供附加控制加控制5 电力系统低频振荡抑制措施具体到实际低频振荡的抑制策略可以分为具体到实际低频振荡的抑制策略可以分为一次一次系统系统方面的策略和方面的策略和二次系统二次系统方面的策略两类：方面的策略两类： 一次系

14、统的对策主要有以下四方面一次系统的对策主要有以下四方面: a)增强网架结构，减少重负荷输电线，并减少送、受端增强网架结构，减少重负荷输电线，并减少送、受端间的电气距离，从而减少送、受电端之间的转子角差。间的电气距离，从而减少送、受电端之间的转子角差。b)采用串联电容补偿，减少送、受电端的电气距离。采用串联电容补偿，减少送、受电端的电气距离。c)采用直流输电方案，使送、受端间不发生功率振荡。采用直流输电方案，使送、受端间不发生功率振荡。d)在长距离输电线中部装设静止无功补偿器在长距离输电线中部装设静止无功补偿器SVS作电压支作电压支撑，并通过其控制系统改善系统动态性能。撑，并通过其控制系统改善系

15、统动态性能。5 电力系统低频振荡抑制措施二次系统的对策主要有以下三方面二次系统的对策主要有以下三方面:a)采用电力系统稳定器采用电力系统稳定器PSS作励磁附加控制作励磁附加控制 目前世界上通用的做法是在励磁系统中加装目前世界上通用的做法是在励磁系统中加装PSS来提来提高发电机的阻尼。高发电机的阻尼。PSS投入后，既可以阻尼区域间的振荡投入后，既可以阻尼区域间的振荡模式，也可以阻尼局部振荡模式。模式，也可以阻尼局部振荡模式。PSS的输入信号可以是的输入信号可以是发电机转子角度偏差，转速偏差，功率偏差，频率偏差发电机转子角度偏差，转速偏差，功率偏差，频率偏差或或者前几者的组合。者前几者的组合。5

16、电力系统低频振荡抑制措施b)加装直流小信号调制加装直流小信号调制 在交直流并联运行的系统里面，可以用直流小信号在交直流并联运行的系统里面，可以用直流小信号调制增加对系统低频振荡的阻尼。最成功的例子是美国调制增加对系统低频振荡的阻尼。最成功的例子是美国太平洋联络线，不但起到了抑制低频振荡的作用，还使太平洋联络线，不但起到了抑制低频振荡的作用，还使原来的交流联络线的输送容量从原来的交流联络线的输送容量从2100MW提高到了提高到了2500MW 。5 电力系统低频振荡抑制措施c)加装加装FACTS装置装置 FACTS装置如装置如SVC，STATCOM,TCSC等具有调节等具有调节迅速灵活的特点，对改

17、善系统稳定性能具有良好的作用。迅速灵活的特点，对改善系统稳定性能具有良好的作用。 以以TCSC为例，利用为例，利用TCSC能快速调节其补偿电抗的能快速调节其补偿电抗的能力，可以有效地阻尼互联电网的区域间低频振荡，比如能力，可以有效地阻尼互联电网的区域间低频振荡，比如巴西的南北联络线，就是采用巴西的南北联络线，就是采用TCSC来抑制南北之间的区来抑制南北之间的区域间低频功率振荡。域间低频功率振荡。6 PSS基本介绍 在第五章所述电力系统低频振荡抑制在第五章所述电力系统低频振荡抑制措施中，通过给励磁系统中加装措施中，通过给励磁系统中加装PSS（电（电力系统稳定器）是最通用的一种方式。力系统稳定器）

18、是最通用的一种方式。 本章就通过对本章就通过对PSS的基本介绍来具体的基本介绍来具体阐述消除电力系统低频振荡的具体过程。阐述消除电力系统低频振荡的具体过程。6 PSS基本介绍6.1 基本原理基本原理 本质本质：产生一个正阻尼以抵消励磁控制系产生一个正阻尼以抵消励磁控制系统的负阻尼统的负阻尼 。 0eTPSST1eT6 PSS基本介绍6.2 设计思路设计思路具体到传递函数具体到传递函数6 PSS基本介绍转速信号经过G（s）后引至励磁系统的电压参考点 ssGsGKsGsGsGKsMeessd36321 sKKKsKTTsTTKKsGsMeededessd633020216.3 传递函数传递函数6

19、PSS基本介绍 nsTsaTasG111 sTsKsGrerere1 nreresTsaTsTsKsG1116.4 基本构成环节基本构成环节a)相位校正环节：相位校正环节：用以抵消励磁系统用以抵消励磁系统惯性环节的滞后角惯性环节的滞后角b)信号复归环节信号复归环节：在稳态时在稳态时PSS不影不影 响发电机的稳态运行电压响发电机的稳态运行电压c)PSS的信号单元的传递函数的信号单元的传递函数:6 PSS基本介绍分频器，将3000Hz正弦波转换为50Hz方波频率电压变换是将50 HZ波转换为与转速偏差成正比的电压信号陷波器是将机组的扭振频率信号滤除，由二级滤波器构成放大器是满足信号对增益选择的要求

20、转速测量频率电压变换陷波器超前/滞后放大信号复归综合限制辅助延时3000Hz20V7 GPSS简单介绍 第六、七章所讲的第六、七章所讲的PSS主要是用在主要是用在励磁系统励磁系统上，也称为上，也称为EPSS,而本章将简单介绍应用于而本章将简单介绍应用于调速系统调速系统的的PSS,即即GPSS图 8-1 电力系统机网耦合模型7 GPSS简单介绍 相比于相比于EPSS,GPSS有以下几方面可取之处有以下几方面可取之处:鲁棒性好鲁棒性好多机具有解耦性和恒正阻尼特性多机具有解耦性和恒正阻尼特性调速系统与发电机组和电网联系弱，使得在增加机组自身调速系统与发电机组和电网联系弱，使得在增加机组自身阻尼的同时

21、而不给别的机组带来负阻尼，从而有效避免了阻尼的同时而不给别的机组带来负阻尼，从而有效避免了参数的协调和安装地点的选择参数的协调和安装地点的选择7 GPSS简单介绍 GPSS基本原理基本原理:同EPSS一样，GPSS也是通过控制产生一个纯正阻尼力矩。7 GPSS简单介绍 GPSS基本原理基本原理:同同EPSS一样，一样，GPSS也是通过控制产生一个纯正阻尼力矩。也是通过控制产生一个纯正阻尼力矩。其具体传递函数为：其具体传递函数为： SSSSSKGgpPSTTTT341211117 GPSS简单介绍 汽轮机调速系统实现汽轮机调速系统实现GPSS的可行性：的可行性： 之前所研究的之前所研究的GPSS

22、是在水轮机调速系统上应用，虽然调是在水轮机调速系统上应用，虽然调速控制效果有效，但因为调速油泵工作频繁而引起过热，提速控制效果有效，但因为调速油泵工作频繁而引起过热，提法受阻。法受阻。 而与水轮机相比，大型汽轮机广泛采用电液调速器，调而与水轮机相比，大型汽轮机广泛采用电液调速器，调速系统时间常数远比水轮机小，为使用速系统时间常数远比水轮机小，为使用PSS提供了可能。提供了可能。 而具体到实际中，而具体到实际中，GPSS能否应用于调速系统的关键是解能否应用于调速系统的关键是解决调决调速系统时间常数大速系统时间常数大和和存在间隙死区存在间隙死区。这一点在理论已证。这一点在理论已证明不会影响明不会影

23、响GPSS的应用。的应用。8 未来研究方向展望随着互联电网规模越来越大，越来越复杂，为了保随着互联电网规模越来越大，越来越复杂，为了保障整个电网的安全可靠运行，必须要做到能够实时障整个电网的安全可靠运行，必须要做到能够实时监控电网的运行状况，并能及时采集到所需信息。监控电网的运行状况，并能及时采集到所需信息。为此，我们应该从以下个方面将进行重点研究：为此，我们应该从以下个方面将进行重点研究：n结合我国实际的电力系统分析，当电网具有长链形结结合我国实际的电力系统分析，当电网具有长链形结构和弱联络线，及区域功率不平衡、主电站备用功率构和弱联络线，及区域功率不平衡、主电站备用功率裕裕度不充分等不利条件时，系统的同步转矩系数尤其是度不充分等不利条件时，系统的同步转矩系数尤其是阻阻尼转矩系数将受何影响，进而可以找出