基于电力系统暂态稳定分析的风电场穿透功率极限计算
闵广鑫
摘 要：随着科技水平的不断提高，电网的应用和范围也随之不断扩大。随之而来的不仅仅是用电范围的扩大，同样也伴随着低频振荡等现象陆续的密集出现。而电网系统中出现的低频振荡等现象，会引起电网中联络线的过电现象等从而引起电流跳闸等故障的发生，此外，由于电流的不稳定也会在一定程度上加大电网运载时的负荷。为了要解决这一现象的出现就要在电网中应用电力系统稳定器来进行维持电力系统正常运行的工作。
关键词：电力系统稳定器；低频振荡；应用分析
经济的发展势必会在一定的程度上带动其他方面的进步，而随着国家电网工程覆盖程度的逐渐加深，电网的结构在不断地扩大，同时也是由于这样的原因电网本身也在逐渐变得更加复杂。大机组不断增多，电网不断的复杂化无疑在一定程度上加速了用电网络的发展，进一步加大了用电网络所具有的影响范围和影响力。同时人们对生活中用电需求的不断扩大，也进一步刺激了电网建设的扩大。而不断扩大的电网中大范围的，远距离的特点以及电网中存在的自然阻尼也就决定了在实际的输电送电过程中，有时会发生由系统内自发产生的低频振荡现象。这种现象严重影响到了人们正常的生活用电，也阻碍了电网的深入建设。
1 电力系统稳定器中低频振荡分析
想要对电力系统稳定器的工作原理进行全面的介绍，那么除了电力系统稳定器本身的相关介绍外，还需要进行对于低频振荡这一现象的研究，因为电力系统稳定器的主要工作对象就是低频振荡这一电磁现象，也就是说，只有将低频振荡现象的规律以及特点进行全面分析，才能够对电力系统稳定器进行全面的了解，甚至通过对低频振荡现象的研究，可以对电力系统稳定器进行一定程度的优化。
1.1 低频振荡的含义
在最初的电厂和电网建立中，由于发电机之间存在的联系较为密切，在阻尼的产生方面能够产生足够的阻尼，以减少低频振荡的发生。自从上世纪六、七十年代以来国外部分发达国家开始陆续出现了电网的低频功率振荡，也因此成为部分区域的电路故障引起了大量的经济损失，随着电网范围的不断扩大，发生这种低频振荡的事件也在逐渐增多，这一现象也引起了电力工作人员和相关学者的关注。
低频振荡是一种常见于发电机以及输电网络中的电磁现象，在电力工作中通常情况下是指关联较为微弱的电网与发电机之间或通过电网产生微弱联系的发动机或发动机组之间的有功振荡现象。而在现代的电力系统中，低频振荡的频率十分场低的，一般来说只有0.2到2.5赫兹之间，在建立了关联的电网中，低频振荡会通过本机振荡以及系统振荡两种方式出现。
（1）本机振荡是在电厂中发生的发电机或发电机组在电网的运行中发生的摆动现象，相对于其他情况下的振荡来讲，这种本机低频振荡频率较低（通常情况下在0.7到2.0赫兹之间），影响的范围和振荡的局限较小（通常是发生在机组的部分和电厂中的某个机组中），这也就使得本机振荡实际影响的范围较小，而且由于振荡造成的影响也较为容易消除。
（2）系统振荡主要是在电力系统中，不同机组之间发生的相对振荡。振荡的频率较小一般在0.1到0.7赫兹之间，而发生的范围主要是通过电网连接的两个联系较为薄弱的发电机或发电机组之间。
1.2 低频振荡的发生机理
低频振荡的发生并不是偶然的，它是由一系列相对独立的机制或特征引起的复杂电磁现象。通过一系列的实验、分析、推理我们可以得出结论：引起低频振荡现象的主要因素包括欠阻尼机理、电力系统的非线性特征、发电机中的电磁惯性以及混沌振荡等。也正是由于形成因素的繁杂也使得对低频振荡进行研究时会有较大的难度，而且就很多因素进行研究时还要构建数学模型帮助进行分析，而且在这其中由于参数不断发生变化，得出的结论也有可能受此影响，进而影响分析结论的最终成果。
1.3 抑制低频振荡的措施
对低频振荡的抑制方式主要可以根据低频振荡的产生原理分为一次系统的相关对策和二次系统的相关对策两种方式来进行对低频振荡的抑制工作。
（1）一次对策解决低频振荡问题的主要切入点是对于低频振荡发生机理的解决，也就是我们通常理解的从源头解决，这种解决方式主要的着手点可以是通过对设施设备的合理改善，也可以是对输电方式的改变来进行。这其中较为重要的是：首先，可以从电力系统也就是电网之间的相互联系入手，加强电厂间的联系，减少运行的负荷；之后是可以利用直流输电的方式，直流电的输送中电流并不会产生频率波动，因此也就从根本上杜绝了低频振荡的产生，最后是采用一定的设备，通过对输电过程中的电压進行支持，将整个电网进行改善。
（2）二次系统在改善低频振荡现象的过程中主要是靠利用一些其他方面的装置来进行，包括下文重点介绍的电力系统稳定器、信号测量阻尼控制装置等，这种控制形式在于一次控制的方式进行对比不难得见，在安全性、实用性和经济性等方面都有着明显的优点，而且在利用这些装置对电网系统进行优化，对低频振荡的消除能力要高于一次系统对策的。因此，目前二次系统对策中设计的相关设备已经被广泛应用到了输电网络当中，并随着电网建设的扩大而不断扩大应用的范围。
2 电力系统稳定器在电厂中的应用
电力系统稳定器（简称PSS），是对电网系统进行附加控制的一种特殊装置，借助于能够自动进行电压调节的相关装置，对阻尼等电力系统中存在的元素进行调节和控制，最后达到限制低频振荡等电路中不正常的电磁现象。
2.1 电力系统稳定器的工作原理
为了减小低频振荡的发生频率，常将电力系统稳定器加入到电网的系统当中，而电力系统稳定器的技术核心是对附加励磁的控制技术，励磁电压调节器的工作中，将一种由于设备轴速的附加信号进行引入，此时会形成一个正阻尼的转矩，这个转矩就会对远门励磁电压调节器中负阻尼产生的转矩起到中和的作用，这样一来原本电网中的阻尼水平就会得到提高，也就可以解决在电网中发生的低频振荡问题了。在工作过程中，电力系统稳定器能够对振荡发生的有关信号进行分析，例如发电机的有功功率或者发电机正常工作时产生的各种参数，然后将这些信息进行分析，并根据分析的信号控制生成的相关阻尼对电网中产生的负阻尼进行中和。
2.2 有PSS作用的小阶跃试验
电力系统稳定器旨在减小有功功率振荡，其作用与有功功率振荡方向相反成为判断PSS功能是否正确的首要标准。以某电厂的2号机为例，在给机组3%小阶跃响应过程中，随着有功的增加，端电流增加，PSS作用减小励磁电流，减小无功，减小电磁功率，来抑制机组的有功增加。PSS使得励磁变化波形与有功相反。PSS起作用只是个短暂过程，在振荡时，有功突然增加，PSS减小励磁，有功突然减小，PSS增加励磁。这个过程只是为了给有功变化一个缓冲，从而平息有功波动。
2.3 反调试验
无功功率的“反调”是指增加机械功率输入时发电机发出的无功功率会减少；相反，在减少机械功率输入时发电机发出的无功功率会增加。PSS的原理是通过励磁系统的作用抑制有功功率的低频振荡，可以说PSS是通过无功功率的波动来抑制有功功率的波动。采用单一电功率输入信号的PSS在调整机组的机械功率输入时会出现无功功率的“反调”现象。
某电厂采用双输入PSS，一个输入量是ω，一个是P，三級超前滞后环节。原理是利用ω和P计算发电机机械功率ΔPm和电磁功率ΔPe，二者相减得到发电机的加速功率ΔPa，这样当机组单方向增负荷或单方向减负荷时，加速功率等于零，PSS不起作用即不产生无功反调。只有当机组有功增减变化即振动时，PSS才起作用，抑制系统低频振荡。以该厂8号机为例，当机组有功负荷从90MW下降到80MW再上升到90MW的连续快速变化过程，大约经历了40s，平均调节速度为0.5%/s。在此试验过程中，未发现无功功率与有功功率调整方向相反的变换，机端电压和无功功率基本保持稳定。由此判断，PSS投入闭环没有给励磁控制系统带来功率反调问题，可以投入实际运行。
尽管 PSS已是成熟的普遍技术，但它仍是消除互联电网负阻尼低频振荡最经济有效的方法，从电厂的实际投入PSS装置运行以来，能抑制低频振荡、加强系统阻尼、提高电网的动态稳定性。
3 结束语
由于低频振荡在电网系统中的偶发性和广泛性，因此在进行电网扩大化的建设过程中，有必要将电力系统稳定器大范围的引入，并应用到电力系统当中。而电力系统稳定器也是目前世界范围内应用最为广泛的电网稳定装置，根据多个频段电力系统稳定器共同作用的方式，将低频振荡以及其他电网频率问题的发生频率降至最低，并通过与电网同时进行应用范围扩大的方式使电网覆盖范围扩大得更加稳定。
参考文献
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