电力系统低频振荡的原因及抑制方法分析

随着电力系统低频振荡对系统稳定性危害的逐渐显现，对系统低频振荡的分析越来越 受到关注，本文分析了系统低频振荡产生的原因，比较了常见的抑制低频振荡的措施，对比了优缺点，对柔流输电系统（FACTS）技术在抑制低频振荡中的应用进行展望。

【关键词】低频振荡 抑制措施 电力系统

电力系统联网发展初期，发电厂同步发电机联系较为紧密，阻尼绕组会产生足够大的阻尼，抑制振荡发展，低频振荡在那时少有产生。随着电网规模互联的不断扩大，出现了大型电力系统之间的互联，电力系统联系因而变得越来越密切，世界许多地区电网都发现了0.2Hz至2.5Hz范围内的低频振荡，低频振荡问题逐渐受到业内关注。电力系统低频振荡一旦发生，如果没有及时抑制，将会导致电网不稳定乃至解列，严重威胁电力系统的稳定安全运行，甚至诱发联锁事故，造成严重后果。

1 低频振荡产生的原因

1.1 负阻尼导致低频振荡

有文献记载了运用阻尼转矩的方法，针对单机无穷大系统分析低频振荡的原因，最主要的原因是系统中产生负阻尼因素，从而抵消系统自有的正阻尼性，导致系统的总阻尼很小甚至为负值。如果系统阻尼很小，在受到扰动后，系统中功率振荡始终难以平息，就会造成等幅或减幅的低频振荡。如果系统阻尼为负值，在受到扰动后，低频振荡会不断积累增加，影响系统稳定。

1.2 发电机电磁惯性导致低频振荡

电力系统中励磁控制是通过调整励磁电压来改变励磁电流，从而达到调整发电机运行工况的目的。控制励磁电流就是在调整气隙合成磁场，它使得发电机机端的电压调整为所需值，同时也调整了电磁转矩。故改变励磁电流大小便可以调整电磁转矩和机端电压。在励磁自动控制时，因发电机励磁绕组有电感，励磁电流比励磁电压滞后，故会产生一个滞后的控制，滞后的控制在一定因素下会引起系统低频振荡。

1.3 电力系统非线性奇异现象导致低频振荡

依据小扰动分析法，系统的特征根中有一个零根或一对虚根时，系统处在稳定边界；系统的特征根都为负实部时，系统处于稳定的；系统特征根中有一对正实部的复数或一个正实数时，系统处于不稳定。而实际情况是非线性系统在临近虚轴时会产生奇异现象。这种奇异现象表现在即便系统全部特征根都带负实部，在小的扰动时，非线性也可能造成系统状态、特性的突变，导致低频振荡增幅的发生。

1.4 过于灵敏的励磁调节导致低频振荡

为了给系统运行变化提供快速灵敏的调节控制，电力系统里现在广泛采用数字式、高强励倍数、高增益的快速励磁系统。快速励磁系统可以使励磁控制时间常数减小，但从控制方面分析，过于灵敏的调节控制，在较小扰动时会作出过大的反应，过大的反应会使系统产生超出预期的调节，这种调节又会反作用于系统，造成更进一步扰动。如此反复循环，如不及时干预，系统的低频振荡逐渐积累，最终难以控制。

1.5 不合适的控制方式导致低频振荡

在扰动发生时，电磁转矩和机端电压对调节励磁电流的要求是相反的，励磁调节很难同时达到两者的要求，如果控制要求是抑制系统中的低频振荡，却采用与转子转速没有直接关系的信号作为输入控制量的控制方式，那么有分析在一定条件下会导致系统的增幅低频振荡。

以上分析低频振荡产生的原因各有侧重，从不同角度对低频振荡产生的机理进行了解释，对提出抑制低频振荡的措施提供了基础依据。

2 抑制低频振荡的措施

2.1 目前采用电力系统稳定器（PSS）是抑制低频振荡较常用的措施

加装电力系统稳定器后，不但可以阻尼区域间振荡模式，同时也阻尼局部振荡模式。电力系统稳定器的输入信号可以是发电机频率偏差、转速偏差、功率偏差、或者是几个的组合。通常采用相位补偿的方法对其进行整定。确定电力系统稳定器安装地点应依据与发电机转速偏差对应的参与因子，用这个参与因子可对发电机组进行一级扫描，然后采用频率和留数响应法再进行更精确的计算，最终确定适当的安装位置。现有文献已提出电力系统稳定器的缺点，即当其投入后，机组的无功功率会有波动，波动幅度根据不同的有功负载也是不同的，而且未表现出周期性，克服较为困难。

2.2 采用直流小信号调制

在交、直流并联运行的系统中，可以采用直流小信号调制的方法，增加抑制系统低频振荡的阻尼。直流小信号调制器输入量可选取多种信号，包括：整流侧或者逆变侧频率、两侧频率偏差、线路电流偏差和线路功率偏差。已有研究提出调制信号采用并联交流联络线的功率变化速度，不但可以消除长距离通讯通道可能存在不稳定性，而且可以有效迅速地抑制区域间的低频振荡模式。直流小信号调制的缺点在于应用范围受限，且应用经验不足。

2.3 采用柔流输电系统（FACTS）装置是抑制低频振荡最有发展和前景的措施

所谓柔流输电系统，是基于电力电子技术的控制设备，通过串并联混合方式或单独串联、并联接入输电网系统，用来增大电力传输能力和增强可控性的交流输电系统。在上世纪末期，柔流输电系统技术从最初的第一代、第二代很快发展到现在的第三代技术。柔流输电系统装置主要设备包括动态稳定器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）、静止同步串联补偿器（SSSC）等。柔流输电系统装置的特点是调节迅速灵活，能够良好的改善系统稳定性，增加系统低频振荡的阻尼。例如静止无功补偿器（SVC）可以快速调节电压，通过平滑、快速地调节感性和容性无功功率，实现动态补偿。当大容量的互联电力系统受到较大扰动，发生低频功率振荡或电压振荡时，迅速调节系统的潮流从而提高系统内振荡阻尼，起到抑制、阻尼的作用，提高了输电系统的静态稳定性和输电能力。

3 结束语

通过分析引起电力系统低频振荡的原因，比较了常见的抑制低频振荡的措施，说明柔流输电系统（FACTS）装置技术作为现代抑制低频振荡的热点措施，随着电力电子技术的快速发展，成本的进一步降低，必将具有更为广阔的发展前景。

参考文献

[1]彭炜东，薛福文.电力系统稳定器（PSS）及其在三峡机组的应用[J].中国电机工程学会2004年学术年会论文集，2004.

[2]李红川，闫广新，黄耀德.新型静止无功补偿器（SVC）在电力系统中的应用[J].新疆电力技术，2009.

作者单位

1.西北电力设计院 陕西省西安市 710075

2.陕西清水川能源股份有限公司 陕西省西安市 710075