電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)經(jīng)輸電線并列運行，當(dāng)存在擾動時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間發(fā)生相對搖擺，若系統(tǒng)缺乏阻尼則會導(dǎo)致持續(xù)振蕩。這種振蕩的振蕩頻率很低，一般為0.2~2.5Hz，故稱為低頻振蕩。低頻振蕩多出現(xiàn)在長距離、重負(fù)荷輸電線上，可分區(qū)域振蕩和局部振蕩兩類。

1、電力系統(tǒng)穩(wěn)定的定義及分類

所謂定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是指表征電力系統(tǒng)在受到物理擾動之后，系統(tǒng)自行恢復(fù)到運行平衡點的一種綜合能力。

當(dāng)系統(tǒng)在給定的初始運行下運行時，由于受到明顯的物理擾動，所以系統(tǒng)需要充分發(fā)揮自身的性能重新回到原平衡點。這種運行的完整性和平衡性能力被稱為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電力系統(tǒng)受到外界和內(nèi)部干擾時，依然能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)組輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和原動機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩的平衡，使得所有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度保持恒定，從而使在電氣上連接在一起的各個同步發(fā)電機(jī)機(jī)械輸入轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩平衡，最終保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以分為功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定三大類。根據(jù)擾動的強(qiáng)度大小，功角穩(wěn)定又分為小信號穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定，功角穩(wěn)定是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的最主要分類。

2、電力系統(tǒng)低頻振蕩的必要性

我國地域遼闊，電力能源需求大，電力能源結(jié)構(gòu)還不夠完善。當(dāng)前的電力負(fù)荷中心主要集中在東部和南部地區(qū)，為了促進(jìn)我國電力事業(yè)的發(fā)展，我們提出了“西電東送、南北互供，全國聯(lián)網(wǎng)”的電力發(fā)展戰(zhàn)略。

這樣，電網(wǎng)互聯(lián)會有助于實現(xiàn)“電網(wǎng)錯峰、水火電互補(bǔ)、功率緊急支援”，提升發(fā)電和輸電的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。因此，強(qiáng)化對電力系統(tǒng)低頻振蕩問題的研究可以有效發(fā)揮這些優(yōu)勢，促進(jìn)國家電力事業(yè)的發(fā)展。

為了促進(jìn)西部電力資源的大力開發(fā)，西電東送工程是其中的重要一環(huán)。借助于西電東送工程，把西部豐富的水電資源輸送到華東和廣東等負(fù)荷中心，從而實現(xiàn)資源的平衡配置。但是需要解決的一個技術(shù)難題是超距離負(fù)荷中心超容量輸電的問題。

在負(fù)荷高峰期，容易因為聯(lián)絡(luò)線路之間的低頻自發(fā)振蕩而降低電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以解決系統(tǒng)的低頻振蕩問題是實現(xiàn)跨區(qū)域交流聯(lián)網(wǎng)、保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、提升電網(wǎng)傳輸能力的關(guān)鍵途徑。

電力系統(tǒng)在正常運行時功率穩(wěn)定，不會產(chǎn)生低頻振蕩，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，其頻率會出現(xiàn)小范圍的波動，這種波動稱為低頻振蕩。低頻振蕩根據(jù)作用范圍和頻率大小差別可以分為局部振蕩和區(qū)域振蕩。

局部振蕩一般發(fā)生在一定范圍內(nèi)一臺電機(jī)或幾臺電機(jī)之間，振蕩頻率相對較高，通常在0.7～2.5之間。

區(qū)域振蕩指的是不同區(qū)域機(jī)組間發(fā)生振蕩，范圍較大頻率相對較低，在0.1～0.7之間。了解低頻振蕩的分類，可以更方便的引起低頻振蕩的原因，為了更好抑制低頻振蕩，還需要了解其產(chǎn)生的機(jī)理，低頻振蕩機(jī)理有以下幾種。

1、負(fù)阻尼機(jī)理

由于勵磁系統(tǒng)追求快速性、電網(wǎng)負(fù)荷加重及系統(tǒng)的連通性，使得系統(tǒng)阻尼下降，電力系統(tǒng)對一定頻率的振蕩表現(xiàn)出負(fù)阻尼特性，導(dǎo)致振蕩短時間無法消除，該機(jī)理易理解，通常用來解釋線性模型結(jié)合較好的系統(tǒng)的振蕩，不適用于大擾動導(dǎo)致的振蕩。

2、共振機(jī)理

當(dāng)電力系統(tǒng)原動機(jī)功率遭受的周期性振蕩與系統(tǒng)固有的低頻振蕩接近或者相等時，容易誘發(fā)共振，這種共振具有起振快、消失快、振蕩頻率與擾動頻率一致的特點，影響共振的因素有阻尼轉(zhuǎn)機(jī)系數(shù)、同步力矩系數(shù)、擾動幅度等。

3、發(fā)電機(jī)電磁慣性導(dǎo)致的低頻振蕩

電感性的勵磁繞組在勵磁電壓的作用下能夠產(chǎn)生一個相位滯后的勵磁電流強(qiáng)迫分量，在該分量的控制下會導(dǎo)致低頻振蕩的發(fā)生。

4、分叉和混沌理論

分叉理論揭示了電力系統(tǒng)低頻振蕩的非線性特征，使用高階多項式從空間上系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；煦缋碚摽紤]非周期性、無規(guī)則性的低頻振蕩參數(shù)間的相互作用。

1、負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生

隨著社會用電需求的提升，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的逐漸增大，使得容量機(jī)組采用率隨之提升，相應(yīng)快速勵磁系統(tǒng)的使用率也隨之加大。在此背景下，基于系統(tǒng)放大系數(shù)較大，進(jìn)而致使負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，并使得正阻尼轉(zhuǎn)矩被削弱，此時在電力系統(tǒng)中，相應(yīng)系統(tǒng)阻尼總量大幅度降低，加上外界一系列影響因素的作用，促使低頻振蕩現(xiàn)象發(fā)生。

2、干擾信號的影響

基于諧振與共振下，干擾信號會對電力系統(tǒng)的運行產(chǎn)生一定的影響，在此過程中，電網(wǎng)參數(shù)在這一干擾信號的作用下發(fā)生振蕩現(xiàn)象，進(jìn)而致使整個系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩問題。同時，經(jīng)過研究表明，干擾信號頻率與系統(tǒng)本身所具備的頻率間越接近，則引起低頻振蕩現(xiàn)象的可能性就越大，二者間呈現(xiàn)出了反相關(guān)性。

3、非線性系統(tǒng)特點所帶來的影響

基于電力系統(tǒng)下，其隸屬于非線性系統(tǒng)，而正是基于該系統(tǒng)的特點下，使得其在被干擾的狀態(tài)下，在系統(tǒng)的臨界點處，則會產(chǎn)生非線性現(xiàn)象，而此時系統(tǒng)特性無法實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)化。同時，狀態(tài)與參數(shù)值也在這一影響下產(chǎn)生變化，并集中于虛軸的左半平面上，隨之而來的便是亞臨界分歧現(xiàn)象，此種情況下，一旦系統(tǒng)受到一點干擾，則就會對系統(tǒng)的運行狀態(tài)與性能的發(fā)展產(chǎn)生極大的影響，進(jìn)而給系統(tǒng)的安全可靠運行埋下了隱患。

4、系統(tǒng)混沌現(xiàn)象的產(chǎn)生

基于系統(tǒng)初始條件的影響下，系統(tǒng)呈現(xiàn)出了自身的反應(yīng)特性，即不論初始點間的距離如何，當(dāng)存在外界影響因素時，初始點在逐漸運行的過程中，相應(yīng)運行軌道會發(fā)生變換，而參數(shù)間相互影響，此時低頻振動現(xiàn)象的產(chǎn)生則無規(guī)律可循，進(jìn)而促使系統(tǒng)混沌現(xiàn)象隨之出現(xiàn)，影響到了電力系統(tǒng)的運行質(zhì)量。

5、對勵磁系統(tǒng)控制不到位

基于當(dāng)前智能化電網(wǎng)建設(shè)下，系統(tǒng)中融入了勵磁系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的作用下，發(fā)電機(jī)的勵磁電壓隨之發(fā)生改變，進(jìn)而能夠為實現(xiàn)對勵磁電流的有效控制奠定基礎(chǔ)，此種情況下，能夠為實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)的有效調(diào)控奠定基礎(chǔ)。

在實際踐行這一控制工作的過程中，要求相應(yīng)電壓滿足電壓值要求，進(jìn)而才能夠?qū)崿F(xiàn)對合成磁場的有效控制。但是，在電感的作用下，與勵磁電壓相比而言，勵磁電流的相位呈現(xiàn)出了一定的滯后性，此種情況下，就為低頻振動現(xiàn)象的產(chǎn)生提供了土壤。

通過對系統(tǒng)低頻振蕩的機(jī)理分析以及影響因素的研究，現(xiàn)低頻振蕩的抑制措施主要分為優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、增加附加控制以及調(diào)整調(diào)度運行方式等幾個方面。

1、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)中低頻振蕩現(xiàn)象多出現(xiàn)在遠(yuǎn)距離重負(fù)荷的輸電線路上，因此可以通過減少輸送容量、增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的措施來抑制低頻振蕩。

采用串聯(lián)補(bǔ)償電容、減小電氣距離、增強(qiáng)電網(wǎng)的互聯(lián)方式等具體增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的措施。由于直流對低頻振蕩具有隔離的作用，故可以采用直流輸電方案，減弱量測系統(tǒng)之間的區(qū)域振蕩。

2、附加控制措施

基于負(fù)阻尼機(jī)理可知低頻振蕩的根本原因是系統(tǒng)的阻尼很小或者為負(fù)，所以可以通過附加控制措施來增加阻尼以達(dá)到抑制低頻振蕩的效果。

附加控制可以加在一次側(cè)(輸電側(cè))如柔性交流輸電系統(tǒng)裝置(FACTS)、直流調(diào)制裝置等利用功率調(diào)制提供附加控制。也可以加在二次側(cè)(發(fā)電側(cè))如電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PPS)、非線性勵磁控制器等對勵磁系統(tǒng)附加穩(wěn)定控制。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是用輔助控制信號控制勵磁系統(tǒng)的，通過阻尼系統(tǒng)振蕩，使電力系統(tǒng)動力學(xué)性能得以改善。加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器提高小信號穩(wěn)定性能非常有效的方法。

柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)技術(shù)是一種對交流電路的電壓、電抗相角加以控制，得以提高系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)。FACTS裝置的投入也是在負(fù)阻尼機(jī)理的基礎(chǔ)上得出的措施，其優(yōu)點為安裝地點靈活，可以快速靈活的調(diào)節(jié)。但其控制效果受安裝地點和輸入信號的限制并且成本比較高。

3、調(diào)度運行方式調(diào)整

調(diào)度室內(nèi)的預(yù)警和在線監(jiān)測系統(tǒng)會在第一時間發(fā)出低頻振蕩信號，運行人員可以通過相關(guān)控制策略及時避免或平息振蕩。由于各地域電網(wǎng)類型多樣，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)各異，調(diào)度的控制策略不盡相同。

南方電網(wǎng)中的總調(diào)對低頻振蕩采取的相關(guān)措施，具體可分為直接控制策略和間接控制策略兩種：

針對500kV電壓等級系統(tǒng)，當(dāng)采用直接控制方式時應(yīng)在鎖定振蕩源后直接針對振蕩源機(jī)組進(jìn)行控制，若系統(tǒng)振蕩原因定位于機(jī)組緣故時，應(yīng)立即采取解列該機(jī)組的措施，并在允許值得范圍內(nèi)提高振蕩源附近的發(fā)電廠或變電站系統(tǒng)電壓;伴隨頻率變化的電廠在規(guī)定范圍內(nèi)最大限度的提高勵磁電流，這樣可以提高系統(tǒng)的同步電磁轉(zhuǎn)矩，易于平息振蕩。

針對振蕩源不明或振蕩源位于220kV及以下電壓等級的系統(tǒng)中，當(dāng)采用間接控制方式時若鎖定振蕩源于解環(huán)操作時，應(yīng)立即經(jīng)同期合環(huán)，調(diào)整電網(wǎng)潮流分布，提高電網(wǎng)動、靜態(tài)穩(wěn)定裕度從而達(dá)到增強(qiáng)電網(wǎng)阻尼比抑制低頻振蕩的效果。