电力系统低频振荡分析

电力系统低频振荡分析

祝汉清 季海涛

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摘要：电力系统中的低频振荡是一种常见的问题，可能导致系统不稳定和设备损坏。本文旨在探讨低频振荡的机理、产生原因以及抑制振荡的措施。通过深入研究低频振荡问题，可以帮助电力系统运营者和工程师更好地理解和解决这一挑战，提高系统的稳定性和可靠性。

关键词：低频振荡；电力系统；振荡机理

引言

电力系统的稳定运行是确保供电质量和用户需求得到满足的基础。然而，低频振荡作为一种系统运行异常的现象，常常引起电力系统运营者和工程师的关注。低频振荡可能导致系统频率的波动、电压和电流的振荡，甚至可能引发系统崩溃和设备损坏。因此，了解低频振荡的机理和产生原因，并采取有效的措施来抑制振荡的发生，对于保障电力系统的稳定性和可靠性具有重要意义。

低频振荡通常在系统的频率范围内发生，其频率通常在0.1 Hz至1 Hz之间。这种振荡形式在电力系统中较为常见，不仅限于特定的设备或区域。低频振荡可能是自激振荡或强迫振荡的结果。自激振荡是由系统内部的负反馈环路引起的，例如励磁系统的不稳定或负载变化。强迫振荡则是由外部扰动或与其他电力系统的相互作用引起的，例如系统之间的电力交互作用或突发负荷变化。

通过深入研究低频振荡的机理和产生原因，并采取相应的抑制措施，我们可以更好地识别和解决低频振荡问题，提高电力系统的稳定性和可靠性。这将为电力系统运营者和工程师提供重要的参考和指导，以确保电力系统的正常运行和供电质量的稳定性。

一、低频振荡的振荡机理

自激振荡是指电力系统内部形成的振荡，通常由系统内的负反馈环路引起。其中一个典型的例子是励磁系统的自激振荡。励磁系统负责为发电机提供适当的磁场以产生电能。当励磁系统的参数设置不合理或调节响应不灵敏时，可能导致自激振荡的发生。例如，励磁系统的增益设置过高或过低、时间常数选择不合适等，会导致励磁系统的过度补偿或欠补偿，从而引起振荡。此外，励磁系统的调节响应不灵敏也可能是低频振荡的原因，即励磁系统无法快速响应负荷变化或系统扰动，导致系统频率出现波动。这些因素都可以在系统内部形成自激振荡的闭环。

另一种振荡机理是强迫振荡，它是由于外部扰动或其他系统的影响引起的振荡。在电力系统中，不同系统之间的相互作用可能导致强迫振荡。例如，当两个或多个电力系统相互连接时，它们之间的电力交互作用可能引起频率的振荡。这种振荡可以通过系统之间的传输线路、变压器和电缆等元件进行传递，形成跨系统的振荡。此外，外部扰动如突发负荷变化、电网故障等也可以导致强迫振荡的发生。

低频振荡的振荡机理是一个复杂的系统动力学问题，涉及到电力系统中多个组件的相互作用和反馈。对于振荡机理的深入理解需要结合系统的动态模拟和分析，以及振荡抑制和控制技术的研究。通过对振荡机理的研究，可以帮助我们更好地识别和解决低频振荡问题，提高电力系统的稳定性和可靠性。

二、低频振荡产生的原因

（一）励磁系统不稳定

励磁系统在电力系统中起着关键的作用，它负责为发电机提供适当的磁场以产生电能。然而，励磁系统的不稳定性可能导致低频振荡的发生。一种可能的原因是励磁系统的参数设置不当，例如增益设置过高或过低，时间常数选择不合适等。这些参数的错误设置可能导致励磁系统的过度补偿或欠补偿，从而引起振荡。此外，励磁系统的调节响应不灵敏也可能是低频振荡的原因，即励磁系统无法快速响应负荷变化或系统扰动，导致系统频率出现波动。

（二）负载变化

电力系统的负载是不断变化的，尤其是在大规模工业用电和突发事件等情况下。大幅度的负载变化可能导致电力系统的频率变化，进而引起低频振荡。当负载突然增加或减少时，发电机和负载之间的供需失衡会导致频率的变化。这种频率的变化可能在系统中形成反馈环路，从而引起低频振荡。例如，负载的突然增加会导致系统频率下降，而反过来，频率下降又会引起负荷增加，形成了一个反馈循环，导致低频振荡的出现。

（三）传输线路和电缆参数

传输线路和电缆在电力系统中扮演着输电和分配电能的重要角色。它们的参数设置对系统的阻抗和相位角产生影响，如果这些参数设置不当，可能引起低频振荡。例如，传输线路的阻抗过高或过低会导致电力系统的阻抗不匹配，使得系统频率受到影响，从而引起低频振荡。同样，电缆的参数设置不合理也可能导致低频振荡的发生。因此，合理设计和选择传输线路和电缆的参数是抑制低频振荡的重要措施之一。

（四）动力系统不稳定

电力系统中的发电机、变压器和电动机等设备的不稳定性也可能导致低频振荡的发生。这些设备在运行过程中可能存在内部振荡或不稳定现象，例如机械共振、磁通振荡等。这些不稳定性可能通过系统的耦合作用而传递到整个电力系统中，引发低频振荡。因此，改进这些设备的稳定性和抗振荡能力，对于抑制低频振荡至关重要。

三、抑制低频振荡的措施

（一）励磁系统调节

为了抑制低频振荡，需要对励磁系统进行调节，优化其参数设置和改善其响应速度和稳定性。首先，需要进行合理的参数设置，包括增益、时间常数和死区等。这些参数的设置应基于系统的特性和稳定性分析，以确保励磁系统的响应满足系统的需求。其次，可以采用先进的励磁控制算法，如模糊控制、自适应控制和神经网络控制等，以提高励磁系统的响应速度和稳定性。此外，监测励磁系统的运行状态和性能，及时进行故障诊断和调整，对于抑制低频振荡也是至关重要的。

（二）负荷控制

有效的负荷调节措施可以减少负载的剧烈变化，从而降低低频振荡的风险。一种方法是通过负荷预测和优化调度，合理安排负载的变化，避免过大的负荷突变。此外，可以采用适当的负荷控制策略，如频率响应控制、自动负荷调节等，以快速调整负荷的响应，保持系统的稳定运行。另外，合理的负荷平衡和分布也是降低负荷变化带来低频振荡风险的重要手段。

（三）传输线路和电缆优化

为了减少低频振荡的可能性，应该对传输线路和电缆的参数进行优化设计。合理选择导线的电阻、电抗、电导和电容等参数，确保其阻抗和相位角符合系统的要求。此外，还应该考虑传输线路的长度、绝缘等级和布置方式等因素，以减小电力系统中的反射、谐振和共振等现象。采用先进的传输线路模型和仿真工具进行系统分析和优化，可以帮助识别和解决潜在的低频振荡问题。

（四）设备稳定性改进

改进发电机、变压器和电动机等设备的稳定性是抑制低频振荡的关键措施之一。这可以通过改进设备的设计和制造工艺，提高其结构刚度和抗振能力来实现。此外，对设备进行定期的检修和维护，及时发现和修复潜在的故障和问题，也可以提高设备的稳定性和可靠性。在设备选型时，应优先选择具有较高抗振荡能力和稳定性的设备，以降低低频振荡的风险。

结语

低频振荡是电力系统中常见的稳定性问题，对系统的正常运行和设备的安全性有着重要影响。通过了解低频振荡的机理和产生原因，并采取相应的抑制措施，可以提高系统的稳定性和可靠性。未来的研究应该继续关注低频振荡问题，并提出更加有效的抑制方法，以进一步提升电力系统的运行质量和安全性。

参考文献

[1]陈松银．基于EEAc的电力系统小扰动稳定动态量化分析[硕士论文儿D]．南京：东南大学，2022．

[2]王俊．电力系统低频振荡共振机理的研究[博士论文][D]．北京：华北电力大学，2021．

[3]高征．电机过渡过程的基本理论及分析方法(上，下)[M]．北京：科学出版社，2020．