低频振荡机理

电力系统中的发电机经输电线并列运行，当存在扰动时，发电机转子间发生相对摇摆，若系统缺乏阻尼则会导致持续振荡。这种振荡的振荡频率很低，一般为0.2~2.5Hz，故称为低频振荡。低频振荡多出现在长距离、重负荷输电线上，可分区域振荡和局部振荡两类。

1、电力系统稳定的定义及分类

所谓定系统的稳定性，是指表征电力系统在受到物理扰动之后，系统自行恢复到运行平衡点的一种综合能力。

当系统在给定的初始运行下运行时，由于受到明显的物理扰动，所以系统需要充分发挥自身的性能重新回到原平衡点。这种运行的完整性和平衡性能力被称为电力系统的稳定性。当电力系统受到外界和内部干扰时，依然能够实现发电机组输出的电磁转矩和原动机输入的机械转矩的平衡，使得所有发电机转子速度保持恒定，从而使在电气上连接在一起的各个同步发电机机械输入转矩和电磁转矩平衡，最终保证了电力系统的安全稳定运行。

电力系统的稳定性可以分为功角稳定、电压稳定、频率稳定三大类。根据扰动的强度大小，功角稳定又分为小信号稳定和暂态稳定，功角稳定是影响电力系统稳定性的最主要分类。

2、电力系统低频振荡的必要性

我国地域辽阔，电力能源需求大，电力能源结构还不够完善。当前的电力负荷中心主要集中在东部和南部地区，为了促进我国电力事业的发展，我们提出了“西电东送、南北互供，全国联网”的电力发展战略。

这样，电网互联会有助于实现“电网错峰、水火电互补、功率紧急支援”，提升发电和输电的经济性和可靠性。因此，强化对电力系统低频振荡问题的研究可以有效发挥这些优势，促进国家电力事业的发展。

为了促进西部电力资源的大力开发，西电东送工程是其中的重要一环。借助于西电东送工程，把西部丰富的水电资源输送到华东和广东等负荷中心，从而实现资源的平衡配置。但是需要解决的一个技术难题是超距离负荷中心超容量输电的问题。

在负荷高峰期，容易因为联络线路之间的低频自发振荡而降低电力系统的稳定性，所以解决系统的低频振荡问题是实现跨区域交流联网、保证电网安全稳定运行、提升电网传输能力的关键途径。

电力系统在正常运行时功率稳定，不会产生低频振荡，当系统出现扰动时，其频率会出现小范围的波动，这种波动称为低频振荡。低频振荡根据作用范围和频率大小差别可以分为局部振荡和区域振荡。

局部振荡一般发生在一定范围内一台电机或几台电机之间，振荡频率相对较高，通常在0.7～2.5之间。

区域振荡指的是不同区域机组间发生振荡，范围较大频率相对较低，在0.1～0.7之间。了解低频振荡的分类，可以更方便的引起低频振荡的原因，为了更好抑制低频振荡，还需要了解其产生的机理，低频振荡机理有以下几种。

1、负阻尼机理

由于励磁系统追求快速性、电网负荷加重及系统的连通性，使得系统阻尼下降，电力系统对一定频率的振荡表现出负阻尼特性，导致振荡短时间无法消除，该机理易理解，通常用来解释线性模型结合较好的系统的振荡，不适用于大扰动导致的振荡。

2、共振机理

当电力系统原动机功率遭受的周期性振荡与系统固有的低频振荡接近或者相等时，容易诱发共振，这种共振具有起振快、消失快、振荡频率与扰动频率一致的特点，影响共振的因素有阻尼转机系数、同步力矩系数、扰动幅度等。

3、发电机电磁惯性导致的低频振荡

电感性的励磁绕组在励磁电压的作用下能够产生一个相位滞后的励磁电流强迫分量，在该分量的控制下会导致低频振荡的发生。

4、分叉和混沌理论

分叉理论揭示了电力系统低频振荡的非线性特征，使用高阶多项式从空间上系统的稳定性。混沌理论考虑非周期性、无规则性的低频振荡参数间的相互作用。

1、负阻尼转矩的产生

随着社会用电需求的提升，电网建设规模的逐渐增大，使得容量机组采用率随之提升，相应快速励磁系统的使用率也随之加大。在此背景下，基于系统放大系数较大，进而致使负阻尼转矩产生，并使得正阻尼转矩被削弱，此时在电力系统中，相应系统阻尼总量大幅度降低，加上外界一系列影响因素的作用，促使低频振荡现象发生。

2、干扰信号的影响

基于谐振与共振下，干扰信号会对电力系统的运行产生一定的影响，在此过程中，电网参数在这一干扰信号的作用下发生振荡现象，进而致使整个系统产生低频振荡问题。同时，经过研究表明，干扰信号频率与系统本身所具备的频率间越接近，则引起低频振荡现象的可能性就越大，二者间呈现出了反相关性。

3、非线性系统特点所带来的影响

基于电力系统下，其隶属于非线性系统，而正是基于该系统的特点下，使得其在被干扰的状态下，在系统的临界点处，则会产生非线性现象，而此时系统特性无法实现连续转化。同时，状态与参数值也在这一影响下产生变化，并集中于虚轴的左半平面上，随之而来的便是亚临界分歧现象，此种情况下，一旦系统受到一点干扰，则就会对系统的运行状态与性能的发展产生极大的影响，进而给系统的安全可靠运行埋下了隐患。

4、系统混沌现象的产生

基于系统初始条件的影响下，系统呈现出了自身的反应特性，即不论初始点间的距离如何，当存在外界影响因素时，初始点在逐渐运行的过程中，相应运行轨道会发生变换，而参数间相互影响，此时低频振动现象的产生则无规律可循，进而促使系统混沌现象随之出现，影响到了电力系统的运行质量。

5、对励磁系统控制不到位

基于当前智能化电网建设下，系统中融入了励磁系统，在该系统的作用下，发电机的励磁电压随之发生改变，进而能够为实现对励磁电流的有效控制奠定基础，此种情况下，能够为实现对发电机运行状态的有效调控奠定基础。

在实际践行这一控制工作的过程中，要求相应电压满足电压值要求，进而才能够实现对合成磁场的有效控制。但是，在电感的作用下，与励磁电压相比而言，励磁电流的相位呈现出了一定的滞后性，此种情况下，就为低频振动现象的产生提供了土壤。

通过对系统低频振荡的机理分析以及影响因素的研究，现低频振荡的抑制措施主要分为优化电网结构、增加附加控制以及调整调度运行方式等几个方面。

1、优化电网结构

电力系统中低频振荡现象多出现在远距离重负荷的输电线路上，因此可以通过减少输送容量、增强网架结构的措施来抑制低频振荡。

采用串联补偿电容、减小电气距离、增强电网的互联方式等具体增强网架结构的措施。由于直流对低频振荡具有隔离的作用，故可以采用直流输电方案，减弱量测系统之间的区域振荡。

2、附加控制措施

基于负阻尼机理可知低频振荡的根本原因是系统的阻尼很小或者为负，所以可以通过附加控制措施来增加阻尼以达到抑制低频振荡的效果。

附加控制可以加在一次侧(输电侧)如柔性交流输电系统装置(FACTS)、直流调制装置等利用功率调制提供附加控制。也可以加在二次侧(发电侧)如电力系统稳定器(PPS)、非线性励磁控制器等对励磁系统附加稳定控制。电力系统稳定器是用辅助控制信号控制励磁系统的，通过阻尼系统振荡，使电力系统动力学性能得以改善。加装电力系统稳定器提高小信号稳定性能非常有效的方法。

柔性交流输电系统(FACTS)技术是一种对交流电路的电压、电抗相角加以控制，得以提高系统的安全性、稳定性和经济性的技术。FACTS装置的投入也是在负阻尼机理的基础上得出的措施，其优点为安装地点灵活，可以快速灵活的调节。但其控制效果受安装地点和输入信号的限制并且成本比较高。

3、调度运行方式调整

调度室内的预警和在线监测系统会在第一时间发出低频振荡信号，运行人员可以通过相关控制策略及时避免或平息振荡。由于各地域电网类型多样，网架结构各异，调度的控制策略不尽相同。

南方电网中的总调对低频振荡采取的相关措施，具体可分为直接控制策略和间接控制策略两种：

针对500kV电压等级系统，当采用直接控制方式时应在锁定振荡源后直接针对振荡源机组进行控制，若系统振荡原因定位于机组缘故时，应立即采取解列该机组的措施，并在允许值得范围内提高振荡源附近的发电厂或变电站系统电压;伴随频率变化的电厂在规定范围内最大限度的提高励磁电流，这样可以提高系统的同步电磁转矩，易于平息振荡。

针对振荡源不明或振荡源位于220kV及以下电压等级的系统中，当采用间接控制方式时若锁定振荡源于解环操作时，应立即经同期合环，调整电网潮流分布，提高电网动、静态稳定裕度从而达到增强电网阻尼比抑制低频振荡的效果。