低频振荡基本介绍

低频振荡基本介绍第一页，共四十二页，2022年，8月28日1低频振荡

2汽轮机调节原理

3风力发电

4

电力系统调频

5

风电参与调频的研究现状

6下一步规划

讲座内容第二页，共四十二页，2022年，8月28日1低频振荡

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，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。同时由于这种持续振荡的频率很低，一般在0.1～2.5Hz之间，故称为低频振荡第三页，共四十二页，2022年，8月28日1低频振荡图2-3500kv丰万一线有功功率第一次振荡PMU录波图第四页，共四十二页，2022年，8月28日2电力系统低频振荡基本概念电力系统低频振荡分类：局部振荡模式(LocalModes)，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0.8―2.5Hz。或称厂内型低频振荡。区域间振荡模式(Inter-areaModes），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0.1－0.8Hz，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。第五页，共四十二页，2022年，8月28日发电机电磁转矩的动态线性化方程：3.1单机无穷大系统的K1~K6小扰动模型可知：系数K1、K2与发电机的参数、初始运行、系统联系的强弱（X的大小）等有关。一般运行条件下K1、K2为正。3

低频振荡数学模型的建立第六页，共四十二页，2022年，8月28日发电机电磁转矩的动态线性化方程：3

低频振荡数学模型的建立可知：K3总为正；K4与运行工况有关，一般条件下K4为正。第七页，共四十二页，2022年，8月28日发电机端电压的动态线性化方程：3

低频振荡数学模型的建立可知：K5、K6与运行工况有关。K6总为正。在发电机负荷较小时，K5为正；在负荷较大时，因δ增大，K5为负。第八页，共四十二页，2022年，8月28日由此构建的K1~K6模型：3

低频振荡数学模型的建立第九页，共四十二页，2022年，8月28日考虑阻尼转矩由此构建的K1~K6模型：3

低频振荡数学模型的建立+PSS或P=PmPe1+K3Td0sK3TJs1s0K1K5K4励磁系统K6K2++++MmMEqEdeUGUREFD不计励磁调节时，无此部分第十页，共四十二页，2022年，8月28日4

电力系统低频振荡产生机理(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。第十一页，共四十二页，2022年，8月28日4

电力系统低频振荡产生机理负阻尼Growingoscillations正阻尼Oscillationsdampout1243123第十二页，共四十二页，2022年，8月28日4

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体影响同步转矩——维持发电机同步运行阻尼转矩——总是阻止发电机转子偏离同步速度。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、PSS的阻尼转矩。（1）机械阻尼转矩：第十三页，共四十二页，2022年，8月28日4

电力系统低频振荡产生机理（2）阻尼绕组的阻尼转矩

阻尼绕组的阻尼可以考虑在D中，或考虑在发电机模型中。（3）发电机的电气阻尼转矩近似计算

假设励磁系统是一个高放大倍数、快速控制系统，其传递函数为：

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电力系统低频振荡产生机理其中：ω为振荡角频率发电机的电气阻尼系数发电机的电磁转矩：（4-1）（4-2）第十五页，共四十二页，2022年，8月28日4

电力系统低频振荡产生机理图3-6K5>0的电气阻尼转矩当K5>0时将s=jω代入，ΔTe2超前Δδ的角度为在第二象限，如图所示。可见：K5>0时，电磁转矩ΔTe在Δω轴上的分量（阻尼转矩）为正。当它足够大时，系统不会发生低频振荡。电磁转矩在Δδ轴上的分量为系统的同步转矩，是维持发电机同步运行的转矩。第十六页，共四十二页，2022年，8月28日4

电力系统低频振荡产生机理当K5<0时将s=jω代入，ΔTe2滞后Δδ的角度为在第四象限，如图所示。可见：K5<0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ΔTD.e=DeΔω由式（3-2）可知：K5>0电气阻尼转矩>0K5<0电气阻尼转矩<0第十七页，共四十二页，2022年，8月28日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表达式如下：由该表达式易得出：的大小与功角有关，那么通过实际研究找到影响的因素，便可以找到影响的因素，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。第十八页，共四十二页，2022年，8月28日4

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：电网结构：根据可知，系统等值电抗越大，功角增大，致使负值增大，导致负阻尼更严重。第十九页，共四十二页，2022年，8月28日4

电力系统低频振荡产生机理联络线负载：联络线负载增大，发电机的输出功率增大，功角δ增大，K5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。运行方式：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δ增大，致使K5负值增大，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。第二十页，共四十二页，2022年，8月28日4

电力系统低频振荡产生机理负荷性质：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，邻近发电机大负荷的特性也是影响阻尼的重要因素。自动励磁电压调节器(AVR)：当△δ大时，K5负，AVR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。第二十一页，共四十二页，2022年，8月28日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。（2）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，故一般采用第二种思路消除低频振荡的总思路分析：第二十二页，共四十二页，2022年，8月28日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：1）发电侧主要是对励磁系统和调速系统增加附加控制2）输电侧主要利用FACTs设备快速的控制系统提供附加控制第二十三页，共四十二页，2022年，8月28日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一次系统方面的策略和二次系统方面的策略两类：一次系统的对策主要有以下四方面: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。采用串联电容补偿，减少送、受电端的电气距离。采用直流输电方案，使送、受端间不发生功率振荡。在长距离输电线中部装设静止无功补偿器SVS作电压支撑，并通过其控制系统改善系统动态性能。第二十四页，共四十二页，2022年，8月28日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:采用电力系统稳定器PSS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PSS来提高发电机的阻尼。PSS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。PSS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，频率偏差或者前几者的组合。第二十五页，共四十二页，2022年，8月28日5

电力系统低频振荡抑制措施b)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，还使原来的交流联络线的输送容量从2100MW提高到了2500MW。第二十六页，共四十二页，2022年，8月28日5

电力系统低频振荡抑制措施c)加装FACTS装置

FACTS装置如SVC，STATCOM,TCSC等具有调节迅速灵活的特点，对改善系统稳定性能具有良好的作用。以TCSC为例，利用TCSC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，比如巴西的南北联络线，就是采用TCSC来抑制南北之间的区域间低频功率振荡。第二十七页，共四十二页，2022年，8月28日6

PSS基本介绍

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PSS（电力系统稳定器）是最通用的一种方式。本章就通过对PSS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。第二十八页，共四十二页，2022年，8月28日6

PSS基本介绍6.1基本原理本质：产生一个正阻尼以抵消励磁控制系统的负阻尼。

第二十九页，共四十二页，2022年，8月28日6

PSS基本介绍6.2设计思路具体到传递函数第三十页，共四十二页，2022年，8月28日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6.3传递函数第三十一页，共四十二页，2022年，8月28日6

PSS基本介绍6.4基本构成环节相位校正环节：用以抵消励磁系统惯性环节的滞后角b)信号复归环节：在稳态时PSS不影响发电机的稳态运行电压c)PSS的信号单元的传递函数:第三十二页，共四十二页，2022年，8月28日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50HZ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3000Hz20V第三十三页，共四十二页，2022年，8月28日7GPSS简单介绍

第六、七章所讲的PSS主要是用在励磁系统上，也称为EPSS,而本章将简单介绍应用于调速系统的PSS,即GPSS图8-1电力系统机网耦合模型第三十四页，共四十二页，2022年，8月28日7GPSS简单介绍

相比于EPSS,GPSS有以下几方面可取之处:鲁棒性好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第三十五页，共四十二页，2022年，8月28日7GPSS简单介绍

GPSS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。第三十六页，共四十二页，2022年，8月28日7GPSS简单介绍

GPSS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。其具体传递函数为：第三十七页，共四十二页，2022年，8月28日7GPSS简单介绍

汽轮机调速系统实现GPSS的可行性：

之前所研究的GPSS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，调速系统时间常数远比水轮机小，为使用PSS提供了可能。

而具体到实际中，GPSS能否应用于调速系统的关键是解决调速系统时间常数大和存在间隙死区。这一点在理论已证明不会影响GPSS的应用。第三十八页，共四十二页，2022年，8月28日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，为了保障整个电网的安全可靠运行