交直流互联电网低频振荡的研究

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　　摘要：首先介绍交直流互联电网低频振荡发生的机理及分析方法，接着介绍低频振荡的研究模型及其对低频振荡研究结果的影响，重点介绍抑制交直流互联电网低频振荡的一系列措施及存在问题并分析了功角稳定和电压稳定的相互关系，着重指出抑制低频振荡的措施不应降低系统的电压稳定性。
　　关键词：交直流互联电网；电压稳定；功角稳定性；低频振荡
　　0引言
　　随着三峡和西电东送工程的实施，越来越多的大规模交直流互联系统在我国电网中出现，如南方电网和华东电网的含多馈入直流输电系统的交直流互联电网，这种复杂的大规模交直流互联系统为电网安全稳定带来了一些新的问题，系统互联引发的低频振荡问题己成为危及电网安全运行、制约电网传输能力的最重要因素之一。许多学者致力于此领域的研究，在低频振荡分析方法、振荡模式分析和阻尼控制方面取得了一定的成果。
　　1低频振荡发生机理及分析方法
　　低频振荡按所涉及的范围和振荡频率的大小可分为局部模态和区域间模态。局部振荡模态是指系统中某一台或一组发电机与系统内的其余机组的失步，区域间振荡模态是指系统中某一个区域内的多台发电机与另一区域内的多台发电机之间的失步。
　　低频振荡的研究机理大致有欠阻尼机理、模态谐振机理、混沌振荡机理、发电机电磁惯性机理、灵敏励磁调节机理、电力系统非线性奇异现象机理和不适控制方式机理等等。
　　低频振荡的分析方法比较成熟，有小扰动法、HOPF分歧理论法、模态级数法、时域仿真法、频域法、在线辨识法、自激分析法、能量法和模糊辨识法等。
　　2研究低频振荡的模型及其影响
　　2.1直流模型及其对低频振荡影响
　　直流模型可分为稳态模型、准稳态模型和改进准稳态模型。直流系统采用稳态模型时系统阻尼较小，系统失稳概率最大；准稳态模型系统阻尼较大，系统失稳概率最小，即在交直流混合系统的计算中，采用稳态模型的误差是明显的，可能得出较悲观的结果；而采用改进的准稳态模型可能得出偏于乐观的结果。
　　2.2负荷特性及其对低频振荡影响
　　负荷模型一般分为静态和动态两类。负荷模型选取的不当会带来阻尼计算的误差，不精确的负荷特性模拟会降低整个系统模拟稳定精度。使用负荷的静态模型对系统进行时域仿真，实际系统中曾经出现过的低频振荡或是系统的崩溃现象则完全不能再现，系统阻尼的反映显得过于乐观[1]。根据负荷及系统参数的不同，动态负荷产生的影响也有所区别，既能加剧振荡，恶化阻尼和稳定性，也能改善阻尼增强稳定性。
　　3交直流互联电网低频振荡的抑制措施
　　抑制交直流互联电网的低频振荡，可以采取一次系统对策和二次系统对策。一次系统对策有：①增强网架；②采用补偿电容；③采用直流输电；④装设SVS。二次系统对策主要有：①采用电力系统稳定器；②直流功率调制及FACTS装置。二次系统对策易实现、经济效益显著，已成为抑制低频振荡的最主要方法。
　　目前抑制交直流电力系统低频振荡常用的或是较有应用前景的措施主要有以下几种。
　　3.1电力系统稳定控制器PSS
　　传统PSS参数是基于线性化模型设计的，当系统参数或运行条件改变时，振荡的频率也随之改变，但PSS参数却没变，这将偏离最佳控制点，可能会激励或是恶化其它的模态。在多机系统中，各机组上的PSS参数也会相互影响；且多机系统中低频振荡的模式一般不止一个，每一种振荡模式都与一定的系统结构和运行方式相适应。因此，多机系统需解决好PSS安装地点的选择和PSS参数的协调整定问题。
　　人工智能技术的引入，很好的解决了PSS安装地点的选择和参数的协调整定问题，同时它又能计及电力系统的强非线性和随机性。模糊控制理论由于能方便地计及专家经验、可适应大规模非线性系统，在电力系统稳定控制器中也得到应用和研究。模糊理论及其与ANN相结合设计模糊神经PSS也是研究PSS控制的一个重要方向。遗传算法作为一种优化算法，在抑制低频振荡中也得到了应用。尽管PSS的设计方式很多，但是基于模糊控制或人工智能的PSS只停留在理论设计、计算机仿真和动模试验的阶段，很少投入到实际的运行之中。
　　3.2 FACTS装置
　　FACTS装置在维持节点电压水平、提高暂态稳定性和抑制功率振荡等方面已经取得广泛应用。传统的FACTS控制方式是以维持节点电压等为目标，但许多研究结果表明，较强的电压控制将降低FACTS向系统提供阻尼的能力，因此FACTS的控制目标不应只包括维持系统某点电压给定值，还应保证向系统提供正阻尼，只有这样才能确保它们提高系统的暂态稳定性。
　　TCSC是FACTS家族中的重要一员，能够快速、平滑地控制线路等效阻抗，是抑制功率振荡最有力的工具之一。相间功率控制器作为一种新型的FACTS装置能增加线路传输功率，增加线路潮流可控性，保证系统的同步运行，使系统的振荡得到平息。在统一潮流控制器上安装附加控制器也可以有效阻尼互联系统重负荷联络线上的低频振荡，但是基于线性模型的传统控制器鲁棒性差，不能适应系统运行方式的变化。学者房大中提出自适应UPFC模糊逻辑辅助阻尼控制器的设计方法，从振荡能量函数角度分析了UPFC安装线路的功率振荡特性，提出了以降低振荡能量为控制目标的阻尼控制策略，有效抑制系统功率振荡[2]。
　　3.3直流附加控制DCM
　　DCM是在已有的直流输电控制系统中加入附加的直流调制器，从两端交流系统中提取反映系统异常，如功率变化、频率改变等信号，来调节直流输电线路传输的功率，使之快速吸收或补偿其所连交流系统中的功率过剩或缺额，起阻尼振荡的作用。
　　DCM可分为大信号调制和小信号调制。直流大信号调制和双侧频率调制可用来提供同步功率，增强并联交流系统的暂态稳定性，功率调制幅度可达直流联网线路额定传输功率的20%-50% ；小信号调制在于提高交流联网线路的动态稳定性，抑制功率振荡，其功率调制幅度一般只有直流联网线路额定传输功率的3%-10%。
　　DCM设计主要包括输入信号选择和控制器设计。输入信号大多选择为并联交流联络线的有功功率、直流两端频率差、母线电压等信号，考虑到交流并联远距离输电具体情况以及观测方便，一般采用并联交流联络线的有功功率作为输入信号。DCM设计的实现方法中最常用的为单输入单输出超前－滞后补偿方法、线性最优控制、非线性控制、人工神经网络、模糊控制、遗传算法等方法。前两种控制方法采用基于一点线性化的模型来设计控制器，当系统的实际运行状态偏离控制器设计所选的平衡点较远时，控制器的效果会受到影响，严重情况下会导致控制效果变差[3]。虽然非线性控制方法可以避免以上情况，但非线性控制存在着难以将模型精确线性化的问题。
　　含多馈入直流输电系统的交直流互联电网中可能存在多个区域间振荡模式，有效的协调控制方案是使用一条直流输电线路控制区域间振荡的阻尼，其余的直流输电线路则可用于控制区域间的同步功率。
　　基于经典线性控制理论整定的直流大信号调制器不能保证系统在遭受大干扰时仍具有良好的动态响应性能，所以在多馈入直流交直流互联输电情形下，有必要对各直流小信号调制器参数进行考虑系统非线性影响的协调优化整定。
　　除了以上PSS，FACTS及DCM三类常见方式外，通过调整系统的注入、移动系统的运行点也可以改变系统中模态阻尼，该控制措施一般采用发电机再调度、无功电容器投切来影响系统的运行点。
　　3.4控制器参数协调
　　PSS和DCM参数整定法对于单机－无穷大系统是简单且有效的，但是当推广到多机系统和多条直流线路时同样存在控制器装设地点和多个控制器之间的参数协调问题。关于装设地点问题，研究人员主要采用参与因子的方法来确定最佳安装地点，而对控制器参数的协调主要有人工智能及其协调控制理论。

　　学者唐峰依据分散控制器的参数设计思想，提出了一种适用于交直流系统中装设DCM与PSS及其参数协调的设计方法。它利用参与因子来确定控制器的装设地点，在给定的控制器结构和控制目标的情况下，利用反复迭代法找出合适的控制器参数[4]。针对南方电网近距离直流多落点的特点，毛晓明提出了一种PSS和DCM协调控制策略。在该策略中，结合模式可控性指标首先进行相关控制点的PSS参数优化以抑制直流调制不敏感的模式，在前一层优化的前提下再进行直流阻尼调制控制器的参数优化，这样既能保证二者的协调控制，又能有效地控制优化进程和降低计算量，为多落点交直流混合电网的低频振荡抑制问题提供新思路[5]。
　　4低频振荡与电压稳定相互关系
　　电力系统是一个整体，功角稳定问题和电压稳定问题是相互影响的，通常情况下系统失稳时电压的持续下落与发电机功角的持续摆开是相伴随的，一种稳定问题的出现都会引起另一种稳定问题，并最终导致系统崩溃。
　　低频振荡属于功角稳定范畴，电力系统在采取措施抑制低频振荡的同时，应当注意不要降低电压的稳定性，而当采取措施提高电压稳定性时应当注意不要削弱系统阻尼。前面已经提到，传统的FACTS控制方式是以维持节点电压等为目标，但较强的电压控制将降低FACTS向系统提供阻尼的能力，因此FACTS的控制目标应包括维持系统某点电压给定值和保证向系统提供正阻尼，只有这样才能确保它们提高系统的暂态稳定性。直流输电系统可被看作为一具有快速动态的负荷及功率源。当传输功率较大时，直流输电系统在交流系统发生故障期间的行为及交流系统故障切除后的恢复性能，对与之相连的两端交流系统的功角及电压稳定性能否维持具有重要影响。因此要求所设计的直流控制器在暂态过程中，一方面要能够为发电机提供同步转矩和阻尼转矩，另一方面还应保证系统的电压稳定。
　　5存在问题和展望
　　1)直流调制会从一定程度上增大直流送端线路有功功率的振荡。从能量角度上，它是靠加大自身功率振荡来抑制并列交流线路的功率振荡，而直流送端的线路是直流自身振幅加大的能量来源。像南方电网这样的近距离直流多落点交直流混合电网，在扰动后系统恢复初期，过大的直流调制功率不仅可能造成较大的无功功率需求而影响交流系统电压水平，而且可能恶化直流系统本身的恢复和运行特性，多条直流调制都投入时，以上问题将更加明显，于是，对于多直流落点问题，分析交直流相互作用，直流容量与受端容量是否存在制约关系值得进行研究。
　　2）基于模糊理论和人工智能的PSS控制器、FACTS控制器和DCM控制器的最大的缺点是不具有学习能力，而且在设计其控制参数时，大多数是凭经验和采用试凑法，设计上有一定的盲目性，目前都留在理论研究阶段，离实用化还有一定的距离，如何加快实用化进程是摆在研究工作人员面前的重要课题。
　　参考文献:
　　[1]Wen-Shiow Kao，Chiang-Tsang Huang, Dynamic Load Modeling in TaiPower System Stability Studies，IEEE Transactions on Power Systems, 1995，10 (2):907-914
　　[2]房大中,包顺先,杨晓东,王勇,基于振荡能源下降原理的UPFC模糊控制器设计[J]电力系统及其自动化学报,2006,18(3)7-13
　　[3]余涛,沈善德,朱守真,HVDC及其控制系统动态稳定性的理论分析[J]电力系统自动化,2002,26(12): 40-44
　　[4]唐峰,赵登福,沈赞埙,交直流电力系统中附加控制器与稳定器的协调设计[J]西安交通大学学报,1993,2:41-48
　　[5]毛晓明,张尧,管霖,吴小辰,彭显刚,南方交直流混合电网区域振荡的协调控制策略[J],电力系统自动化,2005,29(20):55-59
　　

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