新能源并網場景下失步振蕩中心遷移研究現狀綜述

毛雅茹，彭志煒，李登瑞，譚洪林

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

為了提高能源的利用率，保護環境，電力系統規模日益擴大，這大大增加了發生短路故障的可能性。故障會使系統運行在異步狀態，嚴重時造成系統發生失步振蕩引發電壓崩潰給國民經濟造成巨大損失[1]。隨著對環境造成污染的非再生能源逐漸被淘汰，風能、太陽能等可再生能源悄然登上舞臺，得到人們的重視，這類新能源都可以在大范圍內無污染地用于發電。隨著我國能源問題的日益突出，新能源在電力行業得到大力推廣和應用，近年來大規模的風電、光伏等新能源接入電網。新能源的接入使得傳統電網的結構發生了很大的變化，對于新能源本身則具有波動性與不確定性，這些都會給電力系統的安全與穩定控制帶來了極大的考驗[2]。風電、光伏等新能源具有與傳統同步機組不同的電氣特性[3-4]，而這些特性可能會影響系統失步振蕩中心遷移的規律。本文首先分析了失步振蕩原理及危害，然后分析總結近年來相關的文獻，從就地信息和廣域信息兩方面總結失步振蕩中心定位方法的研究現狀，并對新能源并網情況下影響失步振蕩中心遷移的因素進行綜述。最后，展望了新能源并網對失步振蕩中心遷移影響的研究方向。

1 失步振蕩原理及其危害

電力系統采取各種保證系統安全穩定運行的措施仍然無法避免系統運行在異步狀態，當系統處于這個狀態時間過長會引起嚴重后果，因此，必須采取措施消除異步狀態。我國消除電力系統異步狀態的手段是進行失步解列，這就要求準確定位最佳解列位置。

1.1 失步振蕩原理

電力系統正常時，系統中所有機組都是同步運行，即轉速相等。當各機組的轉速出現差異形成兩個同調機群導致電力系統失去同步，隨后兩個同調機群的功角擺幅將在0°～ 360°范圍內作周期變化，該過程稱為失步振蕩，其內在表現為出現危險大電流，外在表現為聯絡線上電壓強烈振蕩。振蕩中心是電力系統失去同步導致電壓跌落最嚴重的點；等值兩機系統發生失步振蕩以后，在一個功角差0°～ 360°變化的過程中，振蕩中心處會出現一個電壓幅值為零的位置定義該位置為系統的失步振蕩中心。隨著振蕩的蔓延，兩頻失穩過渡到多頻失穩，但研究證明上述定義在三頻失穩的情況下仍然適用[5]。

1.1.1 兩機等值系統異步分析

電力系統發生故障引發失步振蕩時，短時間內系統發生兩頻失穩可將系統中發電機等值為兩個機組。在失步初期，用圖1所示的等值系統分析在此過程中系統的電氣特性。兩頻失穩失步振蕩中心的研究主要對圖示系統采取以下假設[6-7]：

圖1 兩機等值系統Fig.1 Two-equipment equivalent system

（3）忽略分布電容；

（4）假定線路均勻且阻抗角恒定。

1.1.2 三機等值系統異步分析

失步系統因為沒有及時解列或發生大擾動導致系統進一步惡化，兩頻失穩的系統蔓延到系統發生三頻振蕩。多頻率異步系統電氣量變化比較復雜且對系統的危害更大。系統發生三頻振蕩時，電壓幅值為零的點可能出現在多處，也就是說失步振蕩中心是一個斷面并且會發生遷移。用三機等值系統分析失步過程中系統的電氣特性，等值系統如圖2所示。為進行簡便計算，現行對于三頻失穩的研究對圖示系統進行以下假設[4,8-9]：

（2）計算過程中各系統頻率恒定；

（3）不考慮中間負荷且忽略網絡阻抗的影響。

圖2 三機等值系統Fig.2 Three-machine equivalent system

1.2 電網發生失步振蕩危害

電網在失步過程中，會損傷系統中發電機組或線路，對危害整理如下：

（1）電力系統在異步運行引發失步振蕩時可能會導致系統電流不斷升高從而損害發電機定子繞組。

（2）振蕩中心是電網電壓跌落最嚴重的點，當該點位于輸電線路上時可能會導致負荷的運行方式遭到破壞；當該點臨近發電機機端或在發變組內部時，使得汽輪機轉速波動、鍋爐水位波動，壓力和溫度大幅度變化，造成鍋爐爆管。

（3）在功角差0°～ 360°擺動周期內電壓也隨之發生波動從而導致系統的低頻諧振。

（4）若不及時消除電網的失步狀態，電網可能由兩頻失穩蔓延到多頻振蕩失穩，失步狀態更加復雜從而引發更為嚴重的事故。

（5）當保護裝置無法區分失步狀態以及短路故障時，可能導致繼電保護誤動作，失去部分負荷造成損失。

（6）最嚴重時會導致系統癱瘓，從而引發大面積大面積停電，造成嚴重的電網事故。

2 失步振蕩中心定位方法

當電力系統發生失步振蕩會危及到電網發、輸、配、用各個環節的安全穩定性，這就需要電網工作者對失步的系統進行解列，如果要解列失去同步運行的系統就必須定位到系統的失步振蕩中心。隨著失步振蕩的危害越來越顯著，許多研究人員都對失步振蕩中心的定位進行了深入的研究并取得相應的成果。本文對失步振蕩中心定位方法進行綜述，主要可以分為基于就地信息定位和基于廣域信息定位兩大類。下面對這典型的定位方法進行展開介紹。

2.1 基于就地信息定位失步振蕩中心

這類定位方法的本質是通過線下計算出電壓幅值或者是測量阻抗等反映振蕩中心電氣量信息，通過這些信息定位系統在線運行時可能出現失步振蕩中心的位置，并在這些位置安裝解列裝置。下面列舉幾種基于就地信息的定位失步振蕩中心方法。

2.1.1 測量阻抗最小值定位失步振蕩中心

根據失步振蕩中心的定義，當兩等值機的電壓相角達到180°時為系統的失步振蕩中心，此時系統的測量阻抗最小,由此得出通過測量阻抗的變化軌跡的變化規律可以定位失步振蕩中心的位置[10]。此類方法通過對典型的兩機系統進行假設，等值電路如圖1，假設條件為等值兩機異步分析的假設，但也有文獻考慮了送受兩端電動勢幅值不等、全系統阻抗角不相同的情況。通過不同的假設條件計算出不同的測量阻抗表達式，再在阻抗復平面上追蹤系統阻抗軌跡的變化，最終確定振蕩中心的位置。文獻[11]根據測量阻抗定位法在線路一側安裝解列裝置定位失步振蕩中心。仿真驗證了所提失步振蕩中心定位方法的正確性。文獻[12]在如圖1的等值兩機系統假設條件下，考慮上述兩個附加條件，計算出系統測量阻抗軌跡與全系統阻抗折線的表達式，聯立兩者求得的解是失步中心。優點：原理清晰，易于實現。缺點：當系統運行方式變化振蕩中心發生遷移時且沒有落在裝設測量阻抗裝置時會影響測量阻抗的動態特性，自適應性差。

2.1.2 電壓幅值最低定位失步振蕩中心

該定位方法的原理是根據失步振蕩中心的定義，離線計算出表示系統電壓幅值的數值方程組，根據此方程組實時搜索電壓幅值最低的位置[13]，或是用求偏導法求得最小值定位系統的失步振蕩中心[14]。文獻[5]根據圖2的系統及其假設條件，假設在離線計算式時三機系統頻率保持不變，通過疊加定理計算出線路上任意一點的電壓表達式，找出電壓幅值為零的點即為系統的失步振蕩中心。該方法的優點：定義明確、簡單。缺點：在實際解列過程中，該方法因為難以確定整定值并且解列裝置需與線路保護配合使用，所以并不具有實用性。

圖3 等值向量圖Fig.3 Isometric vector diagram

2.2 基于廣域信息定位失步振蕩中心

隨著大數據產業與電子通訊的迅猛發展，廣域測量系統(WAMS)在各個行業得到很好的發展。WAMS具有在時空上統一角度、具有足夠的精度和速度等優點[16-18]，為電網失步振蕩中心定位方法帶來新的契機。

2.2.1 頻率信息定位失步振蕩中心方法

該方法利用PMU對線路兩端電壓頻率和電壓幅值這兩個電氣量進行實時監控，根據系統頻差的單調性的特點來判斷失步振蕩中心所在位置[19-20]。雖然該方法可以在理論上實時監控失步振蕩中心出現在哪條線路，且在系統發生多頻振蕩場景下也能適用，但在實際系統中，無法推導出理論計算得到的頻差表達式，從而可能造成失步振蕩中心所在線路與其他線路單調一致，不能準確定位失步振蕩中心。

與無功功率特征定位失步振蕩中心該定位方法首先通過WAMS在線監測系統電流變化量與電流整定值進行比較作為失步啟動判據，之后使用上節介紹基于就地信息的判據定位振蕩中心位置范圍，繼而利用PMU同時測量線路兩端無功功率，因無功功率與電壓具有強耦合的關系，根據其具有的特征便能定位失步中心[21]。系統的無功功率具有方向性，可使系統避免陷入存在電壓梯度無法搜尋失步振蕩中心斷面的問題，且該方法不受運行方式限制[22]。

3 新能源并網對失步振蕩中心遷移的影響

國內外的電氣學者已經對影響失步振蕩中心遷移因素做了大量的研究，包括系統發生兩群失穩情況和多頻失穩的情況。文獻[23]在兩機群基礎上得出系統兩側電動勢幅值存在差額是決定失步中心位置的主要因素。文獻[24]指出，系統發生失步振蕩的誘因是系統發生故障，但故障對失步振蕩中心遷移參與度很小，運行方式會影響失步振蕩中心。文獻[5]在兩機模型的基礎上分析出主導失穩模式改變、電動勢幅值失穩變化是導致振蕩中心遷移的主要因素。文獻[25]以南方電網多通道受電斷面為研究對象，分析得到電磁環網解環、低壓減載和高頻切機動作等改變電網拓撲結構的動作均會導致系統振蕩中心遷移。文獻[7]研究表明，系統在發生多頻振蕩的情況下會進一步對系統產生危害，擴大失步振蕩中心遷移范圍。

光伏、風電等新能源具有傳統的火電不具有的清潔、環保且可以無限使用等顯著優點，促使新能源在電力行業的使用越來越廣泛。近年來，我國建立了很多風力發電廠和光伏發電站帶來巨大好處的同時也給整個電力系統的安全穩定運行帶來了很多問題。風電、光伏等新能源具有與傳統同步機組不同的電氣特性，這些特性往往會在系統對整個系統振蕩模式以及失步振蕩中心的遷移造成影響。

3.1 風電并網對失步振蕩中心影響

隨著大規模的風電接入系統，改變了傳統電網的電氣特性，影響了系統的暫態穩定性。對風電并網對失步振蕩中心影響的研究主要包括四個方面：風機類型以及出力方式、電壓穿越特性以及電源脫網。

3.1.1 風機類型

典型的風機類型包括恒速異步、雙饋變速、和直驅同步三種風機。文獻[10]研究發現恒速異步型風機并網只會降低系統的穩定裕度，對系統振蕩失步振蕩中心遷移的影響較小。文獻[11]將雙饋風機接入圖1中的系統得出：有雙饋風機接入的系統發生失步振蕩時會擴大失步振蕩中心出現的范圍。

3.1.2 風電出力方式

風能是一種隨機性、季節性、地域性都很強的能源，不同地區、不同季節風電的出力分布和出力方式大不相同，造成系統穩定性受到影響。文獻[26]利用控制變量法對兩種極端的出力方式研究，表明系統不同的出力方式會降低系統穩定性，但不足以引發對失步振蕩中心遷移。

3.1.3 風電電壓穿越特性

我國風力發電場存在高低電壓保護或高低電壓穿越的電壓特性。部分久遠的風力發電場只存在高低電壓保護能力，而新建風電場具備高低電壓穿越特性，其作用是在故障情況下給系統提供有功和無功功率保證并網系統的安全穩定運行。但是，在系統已經發生失步振蕩的情況下，風電場的電壓穿越特性可能會影響系統失步振蕩中心的遷移。文獻[3]研究表明，具備高低電壓保護的風電場并網會導致振蕩中心發生遷移。

3.1.4 風機脫網

風電并網系統會因為嚴重的故障、機組不具備動態無功調節能力和低電壓穿越能力或是解列不當等原因而造成風機脫網[27]。目前對于風機脫網對系統的暫態穩定性的影響是有利還是有弊尚未有統一的定論。文獻[12-13]由于某些因素而導致風電大規模脫網的情況，會使得系統失步振蕩中心發生遷移。文獻[28]在雙饋風機并網的情況下，如果將風電場切除會減小失步振蕩中心遷移的范圍

3.1.5 其他因素對失步振蕩中心的影響

除了上述四種重要的原因影響失步振蕩中心之外風電場容量[29]、是否有無功補償[30]、風速的波動[31]、風電場不同的運行方式[14]等原因也會對系統的失步振蕩造成不同的影響從而對失步振蕩中心產生影響。

3.2 光伏并網對失步振蕩中心影響

近年來，我國建立了很多大型光伏電站不再只局限于分布式發電，這使得在關注發電量的同時也要考慮并網光伏對整個系統安全穩定性的影響，其中就包括對失步振蕩中心的影響[32-33]。光能具有隨機性、季節性等特點，使得光伏電源的出力具有間歇性和雜亂無規性。在研究光伏并網對失步振蕩中心影響時，研究人員主要對光伏出力的變化、電源是否脫網兩個方面來進行研究。

3.2.1 光伏出力變化

光伏電源的出力取決于光照強度，光照強度具有波動性從而導致光伏電源的出力不斷發生變化。在某些極端條件下，光照強度驟變而引發光伏電源出力驟升時會影響系統頻率的波動，系統的暫態穩定性受到影響，當出力過大時會引發系統失步振蕩中心發生遷移。

3.2.2 光伏電源是否脫網

當并網系統由于故障而誘發系統振蕩但光伏電源并未脫網時，若解列不及時系統的失步振蕩中心會隨著振蕩加深遷移到新能源一側；當系統故障而引發光伏電源脫網時，系統的暫態穩定性得到緩解，有利于系統的安全穩定運行[23]。大規模的光伏電源脫網可能會引發失步振蕩中心遷移，但還未有研究結果證實這一可能性。

3.2.3 其他因素對失步振蕩中心的影響

目前新能源并網場景下失步振蕩中心遷移影響的主要工作在于風電并網，光伏并網對失步振蕩中心遷移的影響還未進入深入研究，但已有文獻表明光伏的其他特性會對系統的安全穩定產生產生影響。光伏電源的控制技術及接入位置[34]、是否有浮云遮擋、不同的功率控制方式[35]、光伏電源的滲透率[36]等因素都會對并網系統的功角穩定產生積極或消極的影響，在并網系統發生失步振蕩的情況下，上述因素可能會導致失步振蕩中心整個電力系統遷移，這對后續研究提供了可研究的因素。

4 結論

本文論述了失步振蕩原理及危害，然后從基于就地信息和廣域信息兩個個方面分別綜述常用的失步振蕩中心定位方法研究現狀。最后闡述了風電、光伏并網場景下對失步振蕩中心影響的研究現狀。現對上述研究現狀中普遍存在的問題進行總結。（1）基于就地信息定位方法雖然原理清晰，但是缺點也很突出。這類定位方法大多在理想條件的兩機系統仿真得到，當實際系統發生失步振蕩時，離線仿真的結果可能與實際情況不同。（2）引入全局信息的廣域信息定位方法是現在比較主流的定位方法，也是今后研究的重點。PMU獲取在線信息傳輸到數據處理中心進行判斷是否存在失步振蕩中心的過程中存在快速求解與求解精度高的博弈問題。通過前面所論述的失步振蕩中心定位方法，基于就地信息與廣域信息都有各自的優點，但也有缺點。（3）在接下來研究中，將基于就地信息定位方法與廣域信息方法相結合，引入全局變量這會是將來失步振蕩中心定位的發展趨勢。對于新能源并網對失步振蕩遷移影響的研究，主要集中在對于風機并網發生兩群失穩的研究。（4）光伏并網的研究并未深入考慮光伏電源的控制技術、接入位置、是否有浮云遮擋、不同的功率控制方式、光伏電源的滲透率等關鍵性因素對失步振蕩中心遷移的影響。后續的研究可著重關注這些關鍵性因素。