电力系统小干扰稳定性研究进展-清华

12006年中国高等学校电力系统及其自动化专业第22届学术年会电力系统小干扰稳定性研究进展清华大学电机系电力系统研究所周双喜2006年10月14日.南京河海大学[e-mail]2电力系统小干扰稳定性研究的进展1电力系统小干扰稳定性概念2中国电网中低频功率振荡情况3小干扰稳定性的研究工作和共识4小干扰稳定性分析和控制的新进展5结语31电力系统小干扰稳定性概念•小干扰（或小信号）转子角稳定性关注的是电力系统在小扰动下维持同步的能力。•考虑的扰动是充分小：小信号、小扰动、小干扰，如负荷的变化•电力系统受到小扰动之后可能出现的不稳定通常分为两种形式：（1）由于缺少同步转矩，发电机转子角逐步增大，滑行失步；（2）由于有效阻尼转矩不足，转子增幅振荡。欠阻尼振荡;低频功率振荡问题；•主要分析方法：在运行点附近将系统方程线性化4电力系统小信号不稳定的形态•局部模式或机对系统模式，即一个发电厂的机组与系统其余机组的摇摆模式，发电厂机组间摇摆模式。•区域间模式，即系统中许多电机为一方对另一方许多电机的摇摆模式。•控制模式，即与发电机组和其他控制装置相关的模式。未调整好的励磁装置、调速器、直流换流器和静止无功补偿器等造成的不稳定。•扭转模式，即与汽轮发电机轴系统转动部件相关的模式。扭转模式的不稳定可由与励磁控制、调速器、高压直流输电控制和串连电容器补偿的线路相互作用而产生。5电力系统低频振荡机理•负阻尼模式，主要关心的，研究最多的•参数谐振ωi≈ωj+ωk•强制性共振外部扰动频率与系统自然振荡频率相同（外部负荷周期性变化）•非线性分岔•非线性混沌•线性分析、共振分析、非线性分析全局、局部*电力系统低频功率振荡不都是系统阻尼不足62中国电网中低频功率振荡（1）•2003年上半年云南500kV罗马线发生了三次低频振荡，振荡频率均为0.4Hz。•云南电网经过500kV罗马线与南方电网联网运行；500kV天贵线停电检修,贵州电网独立运行，盘县电厂两台200MW机组单独通过220kV天兴双回线接入天生桥二级运行；天生桥一级、二级分别开二台和四台机组，云南电网漫湾电厂和大朝山电厂分别开两机运行；南方电网直流系统双极正常运行；第一次振荡时，500kV天(二级)马(窝)线停电检修，第二、三次振荡时,500kV马(窝)百(色)线、百(色)南(宁)线检修7中国电网中低频振荡情况（2）•2001年5月16日安徽500kV电网肥(西)洛(河)平(圩)地区发生低频有功、无功振荡。振荡前平圩#1机发出有功功率590MW,无功进相67Mvar；洛河3#机发出有功功率294MW,无功功率153Mvar；洛河4#机发出有功功率287MW，无功功率84Mvar；类似情况已发生多次。8中国电网中低频功率振荡（3）•1988年8月至10月间，湖北鄂西地区局部电网，以葛荆、葛远、葛周及旗雁等线路发生低频功率振荡，其中以葛荆、旗雁线振荡幅度最为显著，有功波动达30~50MW，振荡频率1HZ左右。当时葛洲坝电厂出力不大，隔河沿电厂满发，思恩、宜昌地区小水电上网功率较大，仿真计算发现，减少隔河沿电厂出力及限制思恩、宜昌地区小水电上网功率，功率振荡可以明显缓解。•1999年4月至8月在鄂西小水电大发时，1.2HZ左右低频振荡发生多次。•葛洲坝二江电厂，1997年、1998年、1999年多次低频功率振荡。1999年5月18日19：30，记录功率摆动范围:4号机110~120MW，5号机108~115MW，7号机150~170MW，葛雁线有功150~170MW，无功40~60Mvar，葛荆线200~220MW、葛远线160~175MW、葛周线205~210MW，葛白线32~38MW。振荡频率0.25HZ左右。9中国电网中低频功率振荡（4）哈尔滨第三发电厂3号机组是600MW的汽轮发电机组,自1997年以来多次发生低频振荡,振荡频率为0.83Hz，属地区振荡模式。PSS参数整定不当。发生振荡时,电厂采取了下述几项应急措施:(1)把励磁由自动平稳地切换至手动,增加励磁电流,提高机端电压;(2)适当增加相邻电厂机组的无功出力,提高系统的电压支撑;(3)当上述措施无效时,采取机组瞬时解列再重新并网。10中国电网中低频功率振荡（5）•从1997年12月起，河北南部电网上安电厂3、4号(在图中为32、33号，300MW)机到保北变电站502的500kV线路发生了10多起大幅度的功率低频振荡，振荡主导频率为1.16Hz左右•主要特点:•(1)振幅大,安保线功率振荡的振幅接近起振前的送电功率,最大值接近发电机的输出最大功率•(2)振荡激发原因不确定,大扰动、小扰动甚至极微小的扰动都可激发振荡，但并不是所有大扰动都会激发振荡•(3)振荡起振时增幅速度快，一般只需经过2~3个振荡周期就可达到最大•(4)安保线功率振荡能自动平息，且平息速度快•(5)振荡中上安电厂机组与系统保持同步，虽然振幅增速很快，但最终发展为等幅同步振荡11中国电网中低频功率振荡（6）•2005年”10.29”华中电网功率振荡:•振荡频率为0.77Hz。•华中电网大部分500kV线路出现功率摆动，三峡外送系统振荡幅度较大，其中斗双线振荡最大，振幅为730MW左右。•鄂西北电网振荡现象明显，有多台小机组（总计40MW）被迫解列。•机组中，三峡电厂机组振荡最大，左二单机振幅（峰峰值）达到270MW。•500kV中枢点中，左二500kV母线电压振荡最大，振幅为40kV。12二滩石板箐普提洪沟陈家桥长寿万县龙王左一左二龙泉斗笠隔河岩大江南桥双河樊城白河牡丹姚孟邵陵孝感玉贤兴隆五强溪岗市复兴民丰云田沙坪凤凰山磁湖南昌梦山罗坊祥符郑州嵩山获嘉沁北仓颉鹅城政平宋家坝石门二期江油石屏东坡德阳华阳南充紫坪铺江陵二江襄樊汉川十堰电网13中国电网中低频振荡情况（7）•华中电网低频功率振荡初步结论:•鄂西北电网由弱阻尼引发的同步振荡导致主网相近频率强迫振荡的可能性较大，但需对鄂西北电网阻尼变化敏感因素作进一步分析，也需要进一步研究系统发生强迫振荡的机理。•需对由三峡自身原因诱发或扩大功率振荡的可能性作进一步研究分析。•振荡的发生和传递？14中国电网中的低频功率振荡（8）可以看出：•中国电网中低频功率振荡问题发生较频繁；•振荡形态多：低频；超低频；强迫振荡；•大区电网互联，低频振荡问题成为一个重要的制约因素；•电力工作者有责任研究解决这个问题153小干扰稳定性已有工作和共识基本概念方面•从发电机转子运动的方程式出发：•或用转矩表示：163小干扰稳定性研究已有工作与共识（1）•小干扰稳定性是指系统遭受小扰动后保持同步的能力；•小扰动是指扰动后的系统动态响应可以用系统运行点附近的线性化方程描述；•小干扰稳定性问题通常是由于系统阻尼不足引起的一种增幅振荡；•小干扰稳定问题可能是局部的，其振荡频率在0.7~2.5Hz，可能是全局的，其振荡频率0.1~0.7Hz；173小干扰稳定性研究已有工作和共识（2）•小信号不稳定通常（不都是）发生在系统重负荷、长传距离传输负荷的情况下;•发电机励磁方式及其在系统中的位置，负荷特性及在系统中的位置，系统中其它控制器（SVC、HVDC等）调节以及系统运行条件（负荷水平、大功率传输）对小信号不稳定有重要影响；通过附加励磁控制、SVC和HVDC等控制或调制可以增加系统的阻尼。183小干扰稳定性研究已有工作和共识（3）低频振荡产生的原因（1）缺乏互联系统机电模式的阻尼而引起低频振荡；（2）发电机的电磁惯性引起低频振荡；（3）励磁调节器参数不当引起低频振荡；（4）电力系统的非线性奇异现象引起低频振荡；（5）不适当的控制方式导致低频振荡。193小干扰稳定性研究已有工作和共识（4）影响阻尼的因素方面：•电网结构（电抗参数）•联络线负载大小•系统运行方式•负荷特性。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，邻近发电机大负荷的特性也是影响阻尼的重要因素•自动电压调节器(AVR)。一定放大倍数内，快速励磁203小干扰稳定性研究工作和共识（5）分析方法方面：•非线性时域仿真法①模拟系统在遭受小扰动后各状态量随时间的变化，可以形象地显示各机组功角、角速度以及线路传输功率等随时间摆动的情况②考虑系统非线性，详细模型③检验系统是否是小干扰稳定的？检验控制器的作用等时域仿真法很难得到有关不同模式的性质、弱阻尼或系统振荡不稳定的原因以及如何设计有效阻尼控制等信息。213小干扰稳定性研究工作和共识（6）•频域的模态（特征值）分析法频域的模态分析法通过计算在一个运行点的线性化系统状态矩阵A的全部特征值、特征向量、特征灵敏度和参与因子等，揭示哪些振荡模式是稳定的，哪些是不稳定的，各个振荡模式与发电机之间的关联程度，揭示振荡不稳定的原因，设计并检验增强阻尼的控制器等*时域和频域结合223小干扰稳定性研究工作和的共识（7）•大型电力系统小干扰稳定性分析计算程序的开发研究方面：•QR法:计算系统状态矩阵A的全部特征值，进而判断系统的稳定性。•QR法鲁棒性好、收敛速度快，但占用计算机内存大，计算时间长，且可能不收敛，有时即使收敛，误差也可能淹没真值。•QR法应用受系统维数的限制，在大系统计算中需要作一些等值和改进•*QR法能应用到什么程度？（1995年，计算华北电网136台机，正常）•选择特征子集的求解方法：降阶方法，选择模态法，自激法。•电力工业界应用的小干扰稳定性分析程序:AESOPS、MAN。23小干扰稳定性研究工作和共识（8）•改善小干扰稳定的控制方法和控制器研究方面：•在发电机转子运动方程式中，转矩(TD)是固有的，为使发电机稳定运行，可以从调节原动机机械驱动转矩（TM）和电磁阻力矩（TE）两个方面入手。调速器附加PSS控制（TM），励磁附加PSS控制（TE）；直接调制有功功率的方法；通过电压、无功的调节方法；•控制器的控制规律:经典的PID;线性和非线性最优控制、鲁棒和智能控制等都有研究。常规电力系统统稳定器PSS仍然是用于阻尼低频振荡改善小干扰稳定性的主要手段。新型PSS也不断涌现，其中涉及PSS在系统中的配置和参数整定以及提高PSS的鲁棒性等问题。其他控制器:TCSC、SVC、UFPC控制和SMES、HVDC调制以及不同控制器之间协调的研究。24一个重要情况•每一种新的PSS或FACTS控制器应用于单机－无穷大系统或有时应用在较复杂的3机、4机系统时都显示了很有吸引力的性能，但是在应用于实际的大电力系统中时，和参数调整适当的常规PSS比较很难有任何性能的改善。在许多情况下由于控制器之间不利的相互作用甚至使性能下降。•这是新型阻尼控制器研究面临的一个严峻问题。——CIGRETechnicalBrochure,AdvancedAngleStabilityControls，CIGRETF38.02.17,DEC.1999254小干扰稳定性分析和控制的进展•4.1小干扰稳定性的分岔分析•4.2正规形（NormalForms)理论的应用•4.3Prony分析•4.4负荷调制•4.5发电机机械功率输入调制•4.6发电重新调度法•4.7基于广域测量的阻尼控制264．1小干扰稳定性的分岔分析•常规的特征值--模态分析都是在系统参数固定不变情况下进行分析计算。•分岔分析法可研究参数大范围变化时的小干扰稳定性，可直接计算导致特征值穿越小干扰稳定性边界的系统参数值。小干扰稳定性边界为复平面的虚轴。•在电力系统振荡稳定性分析中，大部分情况是属于霍朴夫（Hopf）分岔。•用Hopf分岔研究小干扰稳定性机理。274.2正规形（NormalForms)理论的应用•电力系统微分代数方程组（DAE）：•传统的小扰动分析方法将式所描述的状态方程在一个平衡点处进行Taylor级数展开，保留一阶项：A为系统的状态雅可比矩阵，x=[x1Tx2T]T，A矩阵中包含了系统受小扰动后自由运动状态的全部信息284.6电力系统奇异摄动模型正规形分析•将微分代数方程式在平衡点处进行Taylor级数展开，并保留到2阶项：•式中：Ai为系统状态雅可比矩阵的第i行