文 献 综 述
一.课题研究背景及意义
电力系统低频振荡严重威胁着系统的稳定与安全，如何确定扰动后系统的稳定性是一个难题，其震荡的过程实际上
是系统内部各机组能量不断交换和相互转化的过程，从而引起电机附加电磁转矩的变化，当附加转矩严重削弱了原系
统的同步转矩和阻尼转矩时，就会发生振荡失步，这时系统提供的负阻尼作用抵消了系统电机，励磁绕组和机械等方
面的阻尼，使系统的总得阻尼很小或者是负的。
PMU广泛应用于电力系统的动态监测，系统保护，电力测试，状态估计，区域稳定控制，暂态稳定分析和预测，能够
可靠捕捉系统的功角振荡失稳模式。由于其测量的数据具有实时性，在电力系统在线监测中得到广泛的应用[1]。系统
受到扰动后，将发生功率振荡，如果扰动不大且系统稳定性较好，系统将自动恢复到起始运行状态。如果扰动较大或系
统自身稳定性较差，系统将振荡失步或直接单调失稳。PMU的广泛应用为系统提供了大量的同步测量数据，可以用信号分
析方法来计算系统的功率振荡特征[2]。信号分析方法种类繁多，有傅立叶变换、Prony变换、小波分析等，针对不同的
研究对象应选用适当的分析方法。研究各种低频振荡的成因及其影响因素能够有效抑制系统振荡的发生或加剧，提高系统
运行安全性。电力系统振荡模式特征提取方法主要有两种：基于特征根分析和基于响应的分析，前者只适用于小扰动场景
下的分析，而后者则不受扰动的大小限制[3]。本设计要求学生了解和掌握信号特征的提取方法，如Prony、FFT、小波等，
根据电力系统的特点及应用场合选择适当的信号分析方法，用PSASP仿真软件建立系统模型，产生扰动响应，选用适当的
计算机语言（如MATLAB软件）编程计算系统的振荡特征。
二.电力系统稳定的定义及分类
电力系统稳定性是电力系统正常运行的前提条件，电力系统在正常的稳态运行情况下，各发电机组输出的电磁转矩和
原动机输入的机械转矩平衡，所有发电机转子速度保持恒定。使电力系统失去稳定的原因是运行中不断受到外界和内部的
干扰，小的如负荷波动，大的如电力系统元件发生短路故障等，使在电气上联结在一起的各同步发电机的机械输入转矩与
电磁转矩失去平衡，出现各发电机转子不同程度的加速或减速，以及各发电机转子相对功率角的变化[4]。
现代互联电力系统是一个高维复杂的强非线性系统，其稳定性问题非常复杂，表现形式多种多样，为研究问题方便及
突出主要因素，对电力系统稳定进行定义和分类是非常必要的[5]。2004年国际电气和电子工程师学会(IEEE)给出的电力
系统稳定性定义:”电力系统的稳定性表征电力系统的这样一种能力:针对给定的初始运行状态，在经历物理扰动后，系统
能够重新获得运行平衡点，且在该平衡点系统所有状态量是有界的，系统仍保持其完整性，并将电力系统稳定分为功角稳
定、电压稳定和频率稳定三大类，根据扰动的强度大小，功角稳定又分为小信号稳定(或小扰动稳定)和暂态稳定。下面只
讨论小扰动稳定和暂态稳定[6~7]。
小扰动稳定是电力系统在小扰动下保持同步的能力。暂态稳定是电力系统在大扰动下维持发电机同步的能力，如系统
发生短路、断线、切机等大的扰动。所谓的大扰动和小扰动只是相对的和有条件的区分，很难用具体的数量值来给定，大
扰动的发生一般会导致系统的结构或参数发生较大的变化，小扰动的发生一般不会引起系统结构的变化[8]。小扰动稳定是
确定运行参数变化的性质，得出稳定或不稳定的结论，与扰动的具体数值和发生地点无关，因此可以在初始稳态值附近，对
系统特性线性化来进行分析。而暂态稳定要确定电力系统运行参数对初始稳态值的偏移值，其稳定性取决于初始运行状
态和扰动的严重程度，与具体扰动有关。
电力系统小扰动功角失稳有两种形式，一种是由于缺乏足够的同步转矩而引起的非周期失步，一种是由于缺乏足够的阻
尼转矩而引起的转子增幅振荡。电力系统暂态失稳一般是”一摆失稳”，其表现为发电机间的功角单调地摆开，在某些情况
下，也可能出现机组与系统或者机群之间的彼此功角振荡，从而使得系统在功角多摆之后失去稳定。小扰动功角失稳是因为
系统中的发电机缺乏足够的电磁阻尼转矩来抑制振荡的发生;而在大扰动情况下，快速的保护动作、切除故障一可能会极大地
削弱系统的网架结构，进而诱发振荡模式的功角失稳。正常运行的电力系统首先应该是小扰动稳定的，这是因为电力系统在运
行过程中随时都可能受到一些小的干扰，一个小扰动不稳定的系统在实际中是难以正常运行的。因此，进行互联电力系统的小
扰动稳定分析，判定系统在指定运行方式下的稳定性，是电力系统分析中最基本和最重要的任务[9~10]
发电机转子间田于阻尼不足而引起的功率振荡，属于电力系统小扰动稳定的范畴，其振荡频率较低，一般在0.1-2.5 Hz之
间，故称为低频振荡。按振荡涉及的范围以及振荡频率的大小，电力系统低频振荡大致分为两类：
1，区域振荡模式(Inter-area modals)，是一部分机群相对于另一部分机群的振荡，在联系薄弱的互联系统中，藕合的两个或
多个发电机群间常发生这种振荡，由于电气距离较大，同时发电机群的等值发电机的惯性时间常数较大，其振荡频率较低，一
般在0.1-0.7Hz之间。这种振荡的危害性较大，一经发生会通过联络线向全系统传递[11]。
2、局部振荡模式((Local modals)，是厂站内的机组间或电气距离较近的厂站机组间的振荡，其振荡频率一般在0.7-2.SHz
之间，这种振荡局限于区域内，相对于前者来说，其影响范围较小目易一于消除[12~13]。
三.研究电力系统低频振荡的必要性
随着我国电力工业的不断发展，特别是超高压、大容量、远距离输电的发展，实现全国电网互联是我国电力工业进一步发展
的客观需要和必然趋势。我国地域辽阔，各地区能源分布、电源结构和经济发展很不平衡[14]。可开发和建设的电源呈北煤西水
分布，用电负荷中心主要集中在东部和南部。为充分利用我国分布极不平衡但丰富的动力资源，积极推进和实施”西电东送、南
北互供、全国联网”的发展战略，是我国电力事业发展的重点工作[15]。
电网互联会带来诸如电网错峰、水火电互补、功率紧急支援等一系列的经济效益，极大地提高了发电和输电的经济性和可靠
性，因而得到了十分迅速的发展，但它同时也带来了一些新的问题，如大电网内部及与其它电网互联线路的潮流控制和稳足性控
制等问题。随着大区电网的互联，交流同步电网范围扩大，多组紧密祸合的发电机群通过弱联系互联，互联电网间正常运行变化
相互[扰，各个电网的故障后果相互影响，且容易造成联络线功率大幅度波动，甚至剧烈振荡，增加了系统发生稳定破坏大事故的
概率。同时，电力市场机制的引入及出于环境保护等方面的原因，有可能促使电力系统某些元件长期处于满负荷运行状态，接近
稳定极限，这些都使得电网的安全稳定问题越来越突出[16~20]。
现阶段我国大力开发西部水电资源，通过西电东送工程将西部丰富水电资源输送到华东及广东等负荷中心，实现资源的优化
配置。由于水电站通常距离负荷中心相当远，而这种远距离、大容量的输送电量，在负荷高峰期，往往因为系统缺乏足够的阻尼，
会使联络线发生低频自发振荡，严重威胁系统的稳定[21~24]。最早报道的互联电力系统低频振荡是20世纪60年代，在北美MAPP的
西北联合系统和西南联合系统试行互联时，发生了低频功率振荡，造成联络线过电流跳闸[6)。随着电网规模的日益扩大，大容量
机组在网中的不断投运，快速励磁的普遍使用，低频振荡现象在大型互联电网中时有发生。如1996年8月美国西部电力系统(WSCC)
大停电事故，就是由于事故引发了0.23Hz区域振荡模式的低频振荡，直接导致了全系统的解列 ; 2000年8月WSCC系统再次发生了
类似的低频振荡。我国互联系统的低频振荡首次记录是在1984年，广东与香港联合系统运行中发现的，随后在我国华南、西南、
华中、华北、东北等互联系统中均发生多次功率振荡，对系统稳定及电力系统设备造成了严重威胁[25~26]。
随着电网互联的发展，我国超大规模的交流同步互联或交直流混合互联电网己经或即将建成，如随着华中与华北5OOkV交流联
络线于2003年9月建成，一个由东北、华北、华中、川渝4大区域电网组成的、装机容量1.4亿kW的超大规模同步弱联系互联电网已
经实现。仿真分析和现场试验结果表明，跨区交流联网特别是弱联系交流联网将带来大扰动的暂态稳定问题和小扰动的动态稳定
问题，其中，大扰动后暂态功率的大范围传播和0.1 Hz左右的超低频振荡对互联电网的安全构成威胁，应进一步深入研究，并采
取有效措施加以解决。总之，低频振荡现象在大型互联电网中时有发生，常出现在长距离、重负荷输电线路随着互联电力系统规
模日益增大，系统互联引发的区域低频振荡问题已成为威胁互联电网安全稳定运行、制约电网传输能力的重要因素之一，有必要
全面认识电力系统低频振荡问题[27~30]。

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