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| 編輯推薦： |
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《电力系统低频功率振荡阻尼转矩分析理论与方法》可供电力系统领域科研人员、工程技术人员参考阅读。
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| 內容簡介： |
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《电力系统低频功率振荡阻尼转矩分析理论与方法》介绍电力系统低频功率振荡分析与阻尼控制中广泛应用的阻尼转矩分析法。首先以简单的单机无穷人电力系统为背景，介绍阻尼转矩分析的基本理论及应用于电力系统稳定器的原理；然后介绍阻尼转矩分析理论和方法在灵活交流输电系统控制中的应用；随后介绍阻尼转矩分析理论和方法在复杂多机电力系统巾的推广；最后介绍阻尼转矩分析理论和方法研究的最新进展，即图形解释法及其在新能源接入电力系统中的应用。
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| 目錄：
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前言
第1章电力系统低频功率振荡分析与阻尼控制 1
1.1电力系统低频功率振荡 1
1.2电力系统低频振荡分析 3
1.3电力系统低频振荡阻尼控制 5
1.4基于电压源换流器的电力系统稳定器 8
1.5可再生能源电源接入对电力系统振荡稳定性的影响 10
参考文献 11
第2章单机无穷大电力系统阻尼转矩分析一一电力系统稳定器 18
2.1装有电力系统稳定器的单机无穷大电力系统Phillips-Heffron线性化模型 18
2.1.1同步发电机数学模型 18
2.1.2同步发电机简化模型 19
2.1.3发电机励磁系统与自动电压调节器模型 20
2.1.4装有电力系统稳定器的单机无穷大电力系统简化模型 22
2.1.5装有电力系统稳定器的单机无穷大系统Phillips-Heffron线性化模型 25
2.2阻尼转矩分析法和电力系统稳定器设计 27
2.2.1阻尼转矩分析法 27
2.2.2阻尼转矩分析法的理论依据 29
2.2.3采用相位补偿法设计电力系统稳定器 31
2.3拳例 34
2.3.1系统及模型 34
2.3.2阻尼转矩分析 36
2.3.3电力系统稳定器设计 40
参考文献 45
第3章单机无穷大电力系统阻尼转矩分析——晶闸管控制型的灵活交流输电装置 46
3.1装有SVC稳定器的单机无穷大电力系统扩展Phillips-Heffron模型 46
3.1.1装有SVC稳定器的单机无穷大电力系统的非线性数学模型 46
3.1.2扩展Phillips-Heffron线性化模型 48
3.1.3考虑SVC电压和阻尼控制功能的扩展Phillips-Heffron模型 50
3.1.4初始补偿计算 52
3.2SVC稳定器阻尼转矩分析 55
3.2.1SVC稳定器提供的电磁转矩 55
3.2.2线路潮流的影响 56
3.2.3发电机参数的影响 57
3.2.4输电线路长度的影响 58
3.2.5SVC装设地点的影响 60
3.3采用相位补偿法设计SVC稳定器 61
3.4举例-SVC稳定器． 68
3.4.1系统线性化模型 68
3.4.2SVC稳定器控制分析 73
3.5装有晶闸管控制串联补偿器或晶闸管控制移相器的单机无穷大电力系统扩展Phillips-Heffron模型76
3.5.1装有晶闸管控制串联补偿器的单机无穷大电力系统扩展Phillips-Heffron模型 76
3.5.2装有晶闸管控制移相器的单机无穷大电力系统扩展Phillips-Heffron模型 78
3.6TCSC与TCPS稳定器的阻尼转矩分析 81
3.6.1TCSC与TCPS稳定器提供的阻尼转矩 81
3.6.2TCSC稳定器提供的阻尼转矩 82
3.6.3 TCPS稳定器提供的阻尼转矩 84
参考文献 85
第4章单机无穷大电力系统阻尼转矩分析一一静止同步补偿器或储能系统 86
4.1装有静止同步补偿器或储能系统的单机无穷大电力系统数学模型 86
4.1.静止同步补偿器与储能系统模型 86
4.1.2装有静止同步补偿器或储能系统的单机无穷大电力系统非线性模型 89
4.1.3装有静止同步补偿器或储能系统的单机无穷大电力系统的线性化Phillips-Heffron模型 92
4.2静止同步补偿器和储能系统电压控制阻尼转矩分析 97
4.2.1静止同步补偿器和储能系统提供的电磁转矩 97
4.2.2静止同步补偿器、储能系统交流电压控制环节及直流电压控制对系统振荡阻尼的影响 100
4.3静止同步补偿器和储能系统的附加阻尼控制 102
4.3.1发电机发出的有功功率 102
4.3.2静止同步补偿器和储能附加系统阻尼控制阻尼转矩分析 105
4.4举例1--装有静止同步补偿器的单机无穷大系统 107
4.4.1静止同步补偿器交流控制和直流控制 107
4.4.2静止同步补偿器的附加阻尼控制 112
4.5举例2--装有储能系统的单机无穷大系统 112
4.5.1储能系统的交流电压控制和直流电压控制 113
4.5.2储能系统的附加阻尼控制 116
参考文献 119
第5章单机无穷大电力系统阻尼转矩分析一一静止同步串联补偿器和统一潮流控制器 120
5.1装有静止同步串联补偿器的单机无穷大电力系统 120
5.1.1装有静止同步串联补偿器的单机无穷大电力系统模型 120
5.1.2装有静止同步串联补偿器的单机无穷大电力系统扩展Phillips-Heffron模型 123
5.1.3SSSC稳定器的设计 126
5.1.4举例——装有静止同步串联补偿器的单机无穷大电力系统 129
5.2装有统一潮流控制器的单机无穷大电力系统 133
5.2.1统一潮流控制器的动态模型 133
5.2.2装有统一潮流控制器的单机无穷大电力系统的非线性模型 136
5.2.3装有统一潮流控制器的单机无穷大系统的线性化模型 138
5.2.4选择统一潮流拄制器阻尼控制信号的附加方式 145
5.2.5电力系统运行点变化时阻尼控制的鲁棒性 147
5.2.6举例——装有UPFC稳定器的单机无穷大电力系统 149
参考文献 155
第6章装有电力系统稳定器的多机电力系统阻尼转矩分析 156
6.1多机电力系统Phillips-Heffron模型 156
6.2举例——建立线性化模型 1 61
6.2.1状态变量初始值的计算 162
6.2.2线性化模型 163
6.3电力系统稳定器阻尼转矩分析及安装地点和反馈信号的选择167
6.4举例——两机电力系统稳定器安装地点选择 172
6.5多机电力系统中电力系统稳定器的协调设计 177
6.6多机电力系统中电力系统稳定器非负交互影响设计 179
参考文献 182
第7章多机电力系统阻尼转矩分析——灵活交流输电装置 183
7.1装有晶闸管控制型灵活交流输电稳定器的多机电力系统线性化数学模型 183
7.1.1装有静止无功补偿器的多机电力系统线性化数学模型 183
7.1.2装有晶闸管控制串联补偿嚣的多机电力系统线性化数学模型 187
7.1.3装有晶闸管控制移相器的多机电力系统线性化数学模型 191
7.2装有静止同步补偿器或储能系统的多机系统线性化数学模型193
7.2.1多机电力系统数学模型 193
7.2.2装有静止同步补偿器或储能系统的多机电力系统 194
7.2.3装有静止同步补偿器或储能系统的多机电力系统线性化模型 197
7.2.4阻尼转矩分析 200
7.3举例1--静止同步补偿器 203
7.4举例2--储能系统 208
参考文献 217
第8章阻尼转矩分析的图形解释及其应用一一单机无穷大电力系统 218
8.1阻尼转矩分析的图形解释 218
8.2STATCOM控制对电力系统振荡稳定性影响 223
8.2.1理论分析 223
8.2.2举例 229
8.3BESS控制对电力系统振荡稳定性的影响 234
8.3.1理论分析 234
8.3.2举例 240
参考文献 245
第9章阻尼转矩分析的图形解释及其应用一一多机电力系统 246
9.1多机电力系统中阻尼转矩分析图形觯释原理的推广应用246
9.1.1多机电力系统中线路功率振荡的线性化表达式 246
9.1.2多机电力系统中稳定器向线路功率振荡提供正阻尼分量的形式249
9.1.3稳定器就地相位补偿设计 25 1
9.2多机电力系统中PSS就地设计的相位补偿法 252
9.3基于电压源变换器的电力装置的局部线性化模型 259
9.3.1DCAC电压源变换器电压控制的线性化模型 259
9.3.2DCAC电压源变换器的线性化动态方程 261
9.3.3DCAC电压源变换器接口电压的线性化变量 263
9.3.4与线路功率变化相关联的线性化模型 266
9.4燃料电池电厂稳定器设计 269
9.4.1固态氧化物燃料电池电厂的动态模型 269
9.4.2与线路功率变化相关联的燃料电池电厂的局部线性化模型 272
9.4.3使用就地补偿法设计附加稳定器实例 275
9.4.4接有燃料电池电厂的多机电力系统全系统的线性化模型 279
9.5多机电力系统中储能系统稳定器控制的鲁棒性分析 281
9.5.1多机电力系统中与线路功率变化相关联的储能系统局部线性化模型282
9.5.2储能系统稳定器控制的鲁棒性分析 284
9.5.3举例- 287
参考文献 294
第10章新能源接入单机无穷大电力系统阻尼转矩分析 296
10.1光伏发电厂接入电力系统阻尼转矩分析 296
10.1.1光伏发电厂非线性动态模型 296
10.1.2有光伏发电厂接入的单机无穷大电力系统动态模型 298
10.1.3光伏发电厂影响电力系统振荡稳定性的阻尼转矩分析 304
10.1.4举例 306
10.2风电场接入电力系统阻尼转矩分析 311
10.2.1双馈感应发电机的动态模型 311
10.2.2双馈感应发电机控制系统模型 3 1 3
10.2.3风电厂简化动态模型 3 1 6
10.2.4风电厂接入单机无穷大电力系统 319
10.2.5风电厂接入单机无穷大电力系统的线性化模型 320
10.2.6风电厂提供的阻尼转矩 327
10.2.7举例 332
爹考文献 334
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| 內容試閱：
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第1章 电力系统低频功率振荡分析与阻尼控制
1.1 电力系统低频功率振荡
电力系统低频功率振荡是发生在电力系统中的一种有功功率振荡，振荡频率通常在0.1～2Hz。近年来有学者认为，这种低频振荡可能与电力系统的非线性密切相关，或者是由系统中的某些特定干扰所造成的一种强迫振荡。但目前较为普遍的观点认为：电力系统低频功率振荡是电力系统机电振荡模式阻尼缺乏的结果[1-3]。本书介绍的工作是在这一观点的基础上展开的。为叙述简便，电力系统低频功率振荡在本书中简称为电力系统低频振荡或低频振荡。
电力系统低频振荡可能在系统遭受大干扰（如三相接地短路、输电线跳闸故障等）时发生，也可能在系统稳态运行情况下由小干扰而诱发。因此，电力系统低频振荡既属于大干扰功角稳定性问题，又属于小干扰功角稳定性问题[4]。为叙述方便，本书将其统称为电力系统低频振荡稳定性问题，或简称为电力系统振荡稳定性。如果电力系统低频振荡发生后，虽持续一段时间但最终能够平息，那么可认为这是系统振荡稳定的情况；如果低频振荡发生后，振荡幅值不断增加，最终导致电力系统崩溃，那么可认为这是系统振荡不稳定的情况。对于系统振荡稳定的情况，若振荡能够很快平息（系绕机电振荡模式阻尼比大于0.1），则一般可以认为系统振荡有较好的阻尼；若振荡持续数秒以上甚至几十秒才能平息，则认为系统振荡呈现弱阻尼，此时系统机电振荡模式阻尼比远小于0.1，这种弱阻尼的情况是不满足电力系统稳定运行要求的[1-3]。
1964年10月，美国西北电网和西南电网两个区域电网联合试运行时，在其联络线上观测到一个频率为O.lHz的持续功率振荡，这是世界上最早见诸报道的电力系统低频振荡事故。此后，许多实际电力系统曾出现电力系统低频振荡问题。
1 20世纪80年代，英国电网在连接苏格兰电网和英格兰电网的输电通道上多次发生频率为0.5Hz的低频振荡。为了寻找低频振荡发生的原因和解决办法，在1980～1985年英国国家电网公司进行了一系列有针对性的现场实验。结果表明，当该输电通道的负载增加到一定程度时，低频振荡就会出现。后来，在苏格兰电网的各个电厂装设了电力系统稳定器power system stabilizer，PSS，才使这一低频振荡问题得到了一定程度的解决[6]。
2文献[7]报道了1984年在中国台湾电网中发生的一起持续低频振荡事故。低频振荡发生在用电低谷时段，一条承担重负荷输送任务的高压输电线出现了持续低频功率振荡现象。后续研究发现：降低输电线负荷或者在合适地点装设电力系统稳定器可以有效地解决这个低频振荡问题[7]。
3 1996年8月10日美国西部电力系统Western Systems Coordinating Cou-ncil，WSCC发生了一起严重的大停电事故。事后调查表明：事故发生的主要起因是电力系统低频振荡。当时系统处于输电线过负载、低电压运行的恶劣条件，一条500kV输电线跳闸激发了一个0.23Hz的区域振荡模式的低频功率振荡；随后，事故很快扩散，更多的输电线和发电机组相继跳闸，最后导致全系统解列成4个孤岛电网。此次大停电持续了9个多小时，波及750万用户，造成了无法估计的经济损失。
随着我国电网规模的日益扩大、大容量机组在电网中的不断投运以及快速励磁的普遍使用，低频振荡自20世纪80年代以来就开始在我国电网中不断出现。1984年广东电网与香港电网联合运行时观测到弱阻尼低频功率振荡现象，这是我国互联电力系统发生低频振荡的首坎记录。在随后的三十年中，我国华南、西南、华中、华北、东北等互联系统中均发生过多次低频功率振荡，对我国电网的安全运行造成了极大威胁[9-16]。目前我国跨区互联电网正处在发展期，电网联系较薄弱，主要跨区联络线输送功率接近限额，加之部分设备陈旧落后，而一些新投入的跨区联网工程正处在设备故障率较高的时期，总体来看，大区电网的安全运行仍然处于相对困难的时期，安全稳定问题尤为突出。所以，电力系统低频振荡稳定问题在我国仍然是一个任重道远、需要研究和解决的重要课题。
在过去的四十多年里，无数电力系统科研和工程人员致力于电力系统低频振荡问题，期望揭示其本质并得到行之有效的解决办法。在已有研究成果的基础上，对机电振荡模式阻尼缺乏所造成的低频振荡的发生原因已经达成一定共识，认为低频振荡的发生一般与如下因素有关[1-3， 17-21]：
1大规模远距离输电。
2大区域电力系统的弱连接。
3高增益快速励磁系统的应用。
按照涉及的电力系统机电振荡模式的不同，将低频振荡分为如下几种：
1局部低频振荡（与局部机电振荡模式相关）。
2区域间低频振荡（与区域间机电振荡模式相关）。
3多机低频振荡（与多机机电振疡模式相关）。
与局部机电振荡模式相关联的电力系统局部低频振荡是指一台或者一组发电机相对于一个较大规模电力系统而发生的低频功率振荡，通常发生在一个发电厂远距离连接到大电网的输电线路上，振荡频率一般为1～2Hz。与区域机电振荡模式相关联的区域间低频振荡通常发生在连接两个区域电网的联络线上。它是系统中两个区域间的功率低频振荡，振荡频率比局部低频振荡的频率更低。多机低频振荡是电网中处于不同地点的多台（组）发电机共同参与的低频振荡，是电力系统低频振荡较复杂的情况。
1.2 电力系统低频振荡分析
电力系统低频振荡分析的目的是探讨系统发生功率振荡的机理，发现原因和寻找对策。电力系统本质上是非线性的，其数学模型自然也是非线性的。因此，在研究电力系统低频振荡问题的诸多方法中，目前最常用的是计算机仿真方法。但是，计算机仿真方法耗时较长，而且它并不是一种具有“解析”意义的分析方法。分析方法的优越之处不仅在于可以研究低频振荡是如何发生的，还可以揭示其发生的原因，为寻找有效的解决方法提供理论指导。与计算机仿真方法相同，实验室和现场实验方法所获得的结果一般不具备普遍适用性，只能用来佐证分析结论。
目前，常用的电力系统低频振荡分析方法是线性化方法，即在电力系统的线性化模型上展开分析的方法。线性化方法能够实现以下功能：
1判断系统是否振荡稳定、稳定程度如何（阻尼的多少）。
2寻找和分析发生低频振荡的原因。
3为研究有效抑制低频振荡的措施捉供指导。
当然，这种建立在线性化模型上的分析方法应该仅适用于与电力系统小干扰功角稳定性相关的低频振荡问题。但在研究和实践中人们发现：系统非线性动态响应与线性化分析获得的结果在大多数情况下是相同的。因此，目前线性化分析方法仍然是研究电力系统振荡稳定性问题的最常用方法，它主要包括两种：阻尼转矩分析方法和模式分析法。阻尼转矩分析方法最早是针对单机无穷大电力系统提出的，主要目的是研究励磁控制对系统小干扰功角稳定性的影响[22]。该方法提出的基础是单机无穷大电力系统的线性化Phillips-Heffron模型[23]，分析对象可以是系统中的各种控制装置（如励磁控制、电力系统稳定器等），分析的基本步骤是：首先计算控制装置向发电机机电振荡回路提供的电磁转矩，然后将电磁转矩分解成阻尼转矩和同步转矩两部分；同步转矩与发电机功角变化成正比，阻尼转矩与发电机转速变化成正比；正阻尼转矩表明控制装置对电力系统振荡稳定性是有利的，向系统低频振荡提供正阻尼；而负阻尼转矩表明控制装置对电力系统振荡稳定性是不利的，会导致系统低频振荡阻尼不足或发散。阻尼转矩分析建立在发电机转子运动所承受的电磁转矩这一物理概念之上，理论依据是经典控制理论。因此，它易于理解、便于应用。在一些合理的假设前提下，使用阻尼转矩分析常可以得到一般性的理论分析结果，从而加深对研究问题的理解。所以，自20世纪7年代以来，许多研究工作致力于将阻尼转矩分析方法推广应用于多机电力系统。其中，以Gibbard[24-28l和Wang[29-341的工作具有一定的代表性。Gibbard的研究工作是以传递函数框图分析多机电力系统中阻尼转矩的分配情况。在其分析过程中，当系统中发电机数量较多时，需要将所有发电机之间的动态联系表现在框图中，这样形成的框图就太过复杂。因此，为了简化分析，在Gibbard的早期工作中，只针对多机电力系统中的某台发电机展开阻尼转矩分析，获得阻尼转矩分配的数学表达形式[24，2 5]，并揭示多机电力系统中发电机的动态联系对阻尼转矩分配的影响。例如，Gibbard的研究清晰地显示：多机系统中的某台稳定器（电力系统稳定器）并非仅对安装地点的发电机提供阻尼转矩，还会通过该发电机与系统中其他发电机之间的动态联系，向其他发电机提供阻尼转矩。所以，在多机系统中协调设计多台稳定器（电力系统稳定器）时，就应该关洼各台发电机分配的所有阻尼转矩之和。在研究多机系统中灵活交流输电flexible ACtransmission systems，FACTS稳定器的阻尼控制作用时，Gibbard将阻尼转矩分析法建立在传递函数矩阵框图的基础之上，并且涉及发电机分配的阻尼转矩对于振荡模式阻尼的影响。该分析包含了两个部分：一部分是FACTS稳定器向每台发电机所提供的阻尼转矩；另一部分是各台发电机获得的阻尼转矩对某个振荡模式阻尼影响的总和[26-28]。
Wang的研究工作是在Phillips-Heffron模型的基础上，将阻尼转矩分析法扩展到多机电力系统。Wang早期的一项研究工作是基于静态无功补偿器static varcompensator，SVC的阻尼控制：针对装有SVC稳定器的多机电力系统，建立了矩阵形式的Phillips-Heffron模型[29]。在此基础上，Wang分析得到的结论是：多机系统中的SVC稳定器向每一台发电机提供阻尼转矩，进而影响系统中每一个振荡模式的阻尼。这个结论与Gibbard获得的结论非常相似：在一个多机电力系统中，阻尼转矩分配的全景应该是稳定器向每台发电机提供阻尼转矩，进而通过笈电机影响振荡模式的阻尼。Wang后来对其他类型FACTS稳定器的分析也得到了相同的结论[30-34]。文献[30]还专门给出了一个阻尼转矩分配的全景演示图，简单、清晰地说明了多机系统中的FACTS稳定器是如何影响系统机电振荡模式阻尼的。模式分析 modal analysis方法的基础是模式控制理论，它是现代控制理论的一个分支[35]。模式分析是建立在线性系统的状态空间模型之上的。
应用模式分析研究电力系统振荡稳定性问题的主要内容包括：①计算状态矩阵4的特征值和特征向量，从而获得电力系统的机电振荡模式oscillation mode及模态modeshape；②计算稳定控制的可控性指标、可观性指标和残差，从而预测稳定控制对电力系统振荡稳定性的影响，为稳定器的设计提供指导。模式分析在单机和多机系统中的应用步骤并没有太大区别，只是对于大规模多机电力系统，当状态矩阵的维数很高时，矩阵特征值计算将遭遇数值计算困难，这将给机电振荡模式的辨识造成不便。
模式分析计算是目前研究电力系统振荡稳定性问题的最流行方法，被工程和研究人员广泛使用，也已成为诸多电力系统分析专用软件的标准工具。模式分析法不仅可以用于研究系统的振荡稳定性，还可以用于设计电力系统稳定器以提高系统的振荡稳定性。模式分析法有许多优点，但也不可避免地存在若干缺陷。
1模式分析依赖数值计算，据此的确可以判断该系统在目前的运行状况下是否振荡稳定，但仅由计算结果并不能得出普适性的分析结论。因此，严格地讲，模式分析法只是一种依赖计算的案例型研究方法。
2模式分析的基础是模式控制理论，计算结果和物理概念之间的关系有时并不清楚。因此，一般而言，模式分析用于解决“怎么办”how的问题时更加有效，对于“为什么” why的问题常显得无能为力。作者认为模式分析是一种“黑箱”方法，在给定某个输入（如系统运行点、稳定器某个参数等）后，可以方便地由模式分析计算获得输出（知系统机电振荡模式及模态等）。但是为什么能够获得如此对应的输入、输出结果？这些结果的物理意义又是如何？此类问题常需要另外加以探讨。与之不同，阻尼转矩分析经常能够给出明确的物理意义，据此可以得到具有一般性指导意义
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