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1、2013年春季学期学习总结汇报,主讲人：贺 兴 安时 间：2013年07月23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,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0.12.5Hz之间，故称为低频振荡,1 低频振荡,图2-3 500kv丰万一线有功功率第一次振荡PMU
2、 录波图,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(Local Modes)，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。,发电机电磁转矩的动态线性化方程：
3、,3.1单机无穷大系统的K1K6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,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。,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 增大，K5为负。,由此构建的K1K6模型：,3 低频振荡数学模型的建立,考虑阻尼转矩由此构建的K1K6模型：,3 低频振荡数学模型的建立,
4、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。,4 电力系统低频振荡产生机理,负阻尼Growing oscillations,正阻尼Oscillatio
5、ns damp out,1,2,4,3,1,2,3,4 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：,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：,4 电力系统
6、低频振荡产生机理,其中：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）,4 电力系统低频振荡产生机理,图3-6 K50的电气阻尼转矩,当K5 0时 将s=j代入，Te2超前的角度为,在第二象限，如图所示。可见：K50时，电磁转矩Te在轴上的分量（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。,4 电力系统低频振荡产生机理,当K5 0时 将s=j代入，Te2滞后的角度为在第四象限，如图所示。可见：K50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TD.e=De,由式（3-2）可
7、知：K50 电气阻尼转矩0K50 电气阻尼转矩0,4 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。,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。,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，功角增大，K5 负值增
8、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。,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。,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
9、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：,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,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
10、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。,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
11、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。,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。,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
12、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。,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。,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。,6 PSS基本介绍,6.2 设计思路,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,6.3 传递函数,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
13、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:,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,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,7 GPSS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,7 GPSS简单介绍,相比于EPSS,G
14、PSS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,7 GPSS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。,7 GPSS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：,7 GPSS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
15、，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。,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，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。为此，我们应该从以下个方面将进行重点研究：,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、主电站备用功率裕度不充分等不利条件时，系统的同步转矩系数尤其是阻尼转矩系数将受何影响，进而可以找出引发系统
16、“超低频振荡”的可能机理。,8 未来研究方向展望,发展基于广域测量系统WAMS的电力系统稳定控制置，使用同步相量测量单元，并将频域的各种方法结合起来对提取的实时信号进行在线的低频振荡分析。,采用模态级数法研究互联电网遭受扰动后的动态行为，分析系统的振荡模态以及非线性模态的相互作用，以期能找到引发低频振荡的物理本质。,9 未来研究方向展望,发展新的分析方法，如可将在线辨识法与频谱分析法结合起来，实现低频振荡的在线甚至实时分析，并与EMS互联，使全网运行状态尽在运行管理人员的掌握之中，便于紧急情况下实施控制。引入FACTS元件,通过选择其合适的参数以整定协调系统元件参数,从而抑制低频振荡,8 未来研究方向展望,在分析和时域仿真中，要考虑负荷模型对系统阻尼的影响。发展智能稳定控制器，采用人工智能等方法考虑互联电网中多PSS之间如何进行参数的协调整定，使之能更好的抑制复杂电网的超低频振荡。,互相交流 共同进步 谢谢,
