《电力系统次同步振荡及其抑制方法》肖湘宁，郭春林，高本锋等著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《电力系统次同步振荡及其抑制方法》

【作　者】肖湘宁，郭春林，高本锋等著

【页 数】 264

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2014.01

【ISBN号】978-7-111-44605-7

【价 格】58.00

【分 类】电力系统-次同步谐振

【参考文献】 肖湘宁，郭春林，高本锋等著. 电力系统次同步振荡及其抑制方法. 北京：机械工业出版社, 2014.01.

图书封面：

图书目录：

《电力系统次同步振荡及其抑制方法》内容提要：

本书以作者的研究成果为主，介绍了电力系统次同步振荡现象的基本理论、分析方法和抑制措施，并且与相关工程应用相结合，给出了利用FACTS、HVDC等多种电力电子换流装置抑制和消除次同步振荡的原理和控制方法。

《电力系统次同步振荡及其抑制方法》内容试读

第1章绪论

1.1电力系统的发展与面临的挑战

电能的利用是人类进步与发展的重要标志。如今，电能已成为现代科技与经济建设、社会文明和人们的日常生活不可或缺的主要能源形式。追溯电力工业的发展历程可以了解到，电力生产、传输和分配使用形成系统概念已有100多年。1882年，爱迪生电力照明公司在美国纽约主持建造了世界第一个完整的直流电力系统，包括6台12kW直流发电机，用

110V电压将电力线连接成网络为6000盏电灯供电。同一时期在我国，外商集资创办成立了

商业化运营的上海电光公司，为城市照明提供直流电力。电能开始进入人类生产和生活领域。1889年，第一条单相交流输电线路在美国俄勒冈州的维拉姆特瀑布和波特兰之间建成并投运，输电电压为4kV,距离为21km。1891年，第一条三相交流输电线路在德国投入运行，从拉芬镇到法兰克福全程178km,电压为15.2kV,输送功率为200kW,从此以后，三相交流输电很快取代了直流输电，成为电力系统大发展的里程碑。

100多年来，随着世界工农业生产和社会经济的快速发展，对能源的需求，尤其是对电力能源的需求急剧增加，这极大地推动了电力系统规模的持续扩张和电力科技水平的不断提高。时至今日，现代电力系统在保持传统电力系统以生产、输送和分配使用三相正弦形式交流电力为主的基本特征之外，其突出的变化是以大机组、大电网、高电压和高度自动化为特点，在一些国家或地域已经形成一个大容量、长距离、跨区/跨国电网互联、交直流混合输电的巨大人造动力学系统。

电能具有清洁实用以及便于传输、转换和控制的特点，并且由于电力生产是一次能源实现清洁转化利用的重要途径，能源消耗形式越来越多地向电力能源转移，统计数据表明，电能在能源总体消耗中的比重在不断提高，我国发电能源占一次能源消费比重将从目前的40%提高到约50%。从世界范围的能源危机来讲，化石能源的日益枯竭使人类面临着新能源的开发利用和节能增效的社会约束，到2020年，全世界非化石能源利用总量占一次能源消费比重将达到15%，其中转化为电力的非化石能源占84%。电力在能源转换利用体系中将发挥愈来愈重要的作用。另一方面，提高电能在终端用户消费中的比重同样是降低总能源消耗的一个重要途径。数据分析表明，“十二五”期间，电力消耗占一次能源消耗的比重上

升1%，单位GDP能耗将下降3%左右。可以看出，利用电力驱动（如电力机车、电驱动船

舶、电动汽车等)取代其他形式的动力驱动已经形成趋势，越来越多的领域更加广泛地实现着电气自动化。电气化水平的提升可以明显地提高能源综合利用效率，有利于能源消费总量控制目标的实现。有数据显示，到2020年，我国电能占终端消费能源比重有望从目前的21%提高到27%左右，2030年进一步提高到30%左右，将成为我国第一大终端消费能源」

随着我国国民经济持续稳步发展和对能源的巨大需求，我国电力工业建设在近几十年里

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电力系统次同步振荡及其抑制方法

增长速度名列世界前茅，取得了前所未有的辉煌成就。在传统发电和新能源发电能力方面，国家能源局发布的最新数据显示，到2012年底，全国电力装机容量达到11.4亿kW,这标志着我国已经成为世界第一电力能源生产大国。其中，水电装机容量达到2.49亿kW,居世界第一。风电装机容量迅速增加到6300万kW,成为世界第一风电大国，年发电量超过1000亿kWh。光伏发电装机容量由基本空白增加到700万kW。核电在建机组30台，共3273万kW,在建规模居世界第一。到2020年仅就风电而言，“三北”（华北、西北、东北)地区6个大型风电基地开发规模有望达到1.5亿kW。

在电力输送和电网建设方面，系统运行电压等级不断提高，网络规模也不断扩大，全国已经形成了东北电网、华北电网、华中电网、华东电网、西北电网和南方电网6个跨省的大型区域电网和电网间的互联。例如，我国第一个背靠背直流输电工程灵宝直流背靠背换流站，额定直流功率为360MW,可双向输送，将西北330kV电网和华中220kV电网非同步互联。我国东北一华北（高岭）500kV直流背靠背工程扩建输送能力达到3000MW,成为目前世界上单个换流容量最大的直流背靠背工程；另外，针对能源储备与转换和能源消费地域的严重不平衡，我国还将逐渐形成完整的、长距离输电的、跨大区源网协同的网架结构。在这方面已经投人商业运行的±800kV直流输电线路三回：①云南一广州特高压直流输电工程，额定输送容量为5000MW,直流线路全长1438km,是我国建成的第一条特高压直流输电工

程；②向家坝一上海特高压直流输电示范工程，额定输送容量为6400MW,直流线路全长

1907km;③新建的西电东送锦屏一苏州南特高压直流输电工程，额定输送容量为7200MW,直流线路全长2059km,是目前世界上输送容量最大、送电距离最远、电压等级最高的直流输电工程之一，代表了当前世界直流输电技术的最高水平。计划2015年至2020年，国家电网公司将逐步形成“两纵两横”、“五纵五横”的1000kV特高压交流同步网架结构，以及20多条±80OkV及以上的特高压直流输电骨干通道，连接“三北”的各大型煤电基地、水电基地、核电基地、可再生能源基地和以“三华”（华东、华中、华北）电网为主要受端的负荷中心，逐步建成交直流混合输电、各级电网协调发展、清洁安全、稳定可靠的网络平台。

需要强调，以电力电子器件的研发、功率换流器及连接设备等制造水平和应用技术的进步为基础，极大地提高了输配电系统的灵活性。其中，基于全控电力电子器件的柔性输电技术取得了长足的进步和发展。利用柔性输电技术可以在进行精确有功功率控制的同时对无功功率进行双向控制。而且柔性直流换流站可工作在无源换流的方式下，不需要外加的换相电压，可用于弱系统或无源系统供电；柔性直流输电技术基本不需要滤波和无功补偿装置，其换流站占地面积较同等容量的常规直流换流站要小，为交流系统提供快速动态的电压支撑，控制更加灵活，可大大提高供电可靠性。2011年我国首个柔性直流输电工程一上海南汇风电场柔性直流输电示范工程投运，输送容量为18MW,电压等级为±30kV;世界上第一个

五端柔性直流输电工程一舟山多端柔性直流输电重大科技示范工程即将实施，将在舟山北部主要岛屿间建设五座百兆瓦级换流站，加强诸岛之间的直流电气联系，提高供电可靠性，为就地分布式风能、太阳能等清洁能源利用奠定基础；世界上容量最大的柔性直流输电工程方案正在我国逐步落实，直流输送容量为1000MVA,直流电压为±320kV,用于解决跨城区电网增容及电力供应问题。

综上所述，电力系统的发展内涵在不断丰富，它不仅包括满足生产和输送电力的主网络基本概念，还包括将电力流、信息流、管理流三者密切结合的现代互联大系统。其中突出表

第1章绪论

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现为，充分利用先进的电力电子技术和广域信息技术，使原来基本不可控的电力系统转变为更加快速、准确和灵活控制的电力系统。近年来，在电力系统中“柔性交流输电系统

(FACTS)”得到了迅速发展和大量应用，基于电力变换的静止无功补偿器(SVC)、晶闸管

控制串联电容器(TCSC)、静止同步补偿器(STATCOM)等多种串并联形式的FACTS装置

有效地提高了电力系统灵活控制能力。并且在将广域相位测量技术(PMU/WAMS)与

FACTS装置相结合后，电力系统稳定控制进人了大电网协调最优控制的新时代。

我们应当认识到，电力电子技术在增强了电力系统可控性、灵活性的同时，也带来了新

的电力扰动问题，例如，高压直流输电(HVDC)以及各种功率控制器的快速电力调节，造

成系统阻尼能力发生变化或被削弱，由此引起机电耦合相互作用和产生系统次同步振荡

(SS0)问题，从而可能导致大型汽轮发电机组的轴系扭振；另外，实现快速功率调节控制

的电力电子装置之间的相互操控作用也愈加复杂起来，其影响将波及发电系统的安全稳定运行，近年来在国外文献中已经有关于双馈感应风机换流器控制与串联补偿线路之间次同步振荡问题的研究报道。

众所周知，电力系统正常运行以安全稳定为前提条件，以连续优质供应电力为其基本保证。随着科技的进步和事物不断地发展变化，虽然电力工业生产过程以及电力系统运行会提出许多新问题，但是就其物理本质和运动规律来看，动态系统的安全稳定依然是永恒的主题。当电网结构更加复杂，源网之间的耦合作用与影响更加紧密时，大电网和大型发电机组的安全稳定可靠运行问题会变得更加突出，系统失稳造成的损失将会是巨大的。如何应对系统在错综复杂的扰动下保证稳定运行仍然是重大的研究课题。变化中的电力系统将呈现出许多新现象、新问题，与此同时新概念、新思想、新方法也会不断涌现，电力系统稳定分析与控制研究领域将面临新的挑战。

进入21世纪以来，国际经济形势、能源形势发生了深刻变化，新一轮世界能源变革拉开了序幕，从发展清洁能源、保护生态环境、应对气候变化、保障能源安全、促进经济增长等需要出发，世界各国纷纷提出发展智能电网，智能电网已经成为全球电力行业研究和探讨的热点，成为了新世纪电力系统与电力产业发展的时代标签。

智能电网更加关注信息化、互动性和自愈性以及电力输送技术与通信、控制等技术的融合和基础设施建设，尽管如此，电力的高效转换、灵活传输、可靠供给仍然是电力系统的基础核心任务，电力系统的安全稳定和可靠运行的基本要求不会改变。随着智能电网建设的深入发展，无论是规模化或分布式新能源的传输与消纳，还是在应对电力扰动的耐受性和免疫力的提高上，对电力系统稳定性、安全性会提出更新的标准和要求。只有不断深入研究新条件下电力系统的现象机理和动态特性，不断丰富和完善电力系统稳定分析与控制的理论与方法，才能切实保障和促进智能电网的发展。可以说，高水平的电力系统安全稳定运行与控制是智能电网顺利发展的重要基石。

1.2电力系统的稳定性

1.2.1电力系统稳定性问题与分类

现代电力系统是一个巨大而复杂的动态系统，安全稳定性是其运行的基本要求。模型的

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电力系统次同步振荡及其抑制方法

高维性、运行方式的不确定性、元件的强非线性、扰动的随机性，使得电力系统稳定现象和

机理十分复杂。随着电网大规模互联，HVDC、FACTS等柔性输电技术广泛应用，以及新能

源电源比例不断提高，对电力系统动态机理与稳定性的分析与控制越来越困难2,35]。

电力系统稳定性是指，在给定初始运行条件下，电力系统受到物理扰动或者故障后，重新获得平衡运行状态，各种状态变量满足约束条件，从而保持全系统完整性的能力。

由于电力系统稳定性涉及多种多样的动态现象，从不同方面出发就有不同的分类方法，常见的有：根据稳定过程的特点，分为静态稳定性、暂态稳定性和动态稳定性；根据扰动的大小，分为小扰动稳定性和大扰动稳定性；根据稳定过程的时间，分为短时间稳定性、中长期稳定性和长期稳定性：根据稳定现象的不同，分为低频振荡、负荷稳定、次同步振荡和电气谐振等，其中次同步振荡又分为异步发电机效应、轴系扭转振荡和暂态扭矩放大作用等；根据稳定机理的不同，分为功角稳定（发电机稳定）、电压稳定、频率稳定、扭振稳定和滑差稳定等。

电力系统稳定性的定义与分类具有重要意义，清楚地、系统地理解不同类型稳定问题及其相互关系对于电力系统的良好设计和运行是非常必要的。因此，电力系统两大国际组

织一国际大电网会议(CIGRE)和美国电气电子工程师学会(EEE)多次给出过电力系

统稳定性的定义与分类，并且根据电力系统大规模互联、新技术不断应用带来的稳定问题的新变化，设立联合工作组，于2004年给出了新的电力系统稳定性的定义与分类，其给出的稳定问题的分类如图1-1所示[61。

电力系统稳定性

功角稳定

频率稳定

电压稳定

小扰动

大扰动

小扰动

大扰动

功角稳定

功角稳定

电压稳定

电压稳定

短期过程

短期过程

长期过程

短期过程

长期过程

图1-1EEE/CIGRE给出的电力系统稳定问题分类

与此同时，根据我国电力系统长期设计、运行实践和研究经验，国内在电力系统安全稳定方面的标准中也提出了对电力系统稳定性的定义与分类，其中建议的电力系统安全稳定计算技术规范对稳定问题的分类如图1-2所示。

这两种定义和分类在总体框架和主要概念上是基本一致的。两者的主要区别包括：在功

角稳定方面，后者除了包含EEE/CIGRE所给出的非周期性失稳、周期性失稳和暂态失稳三

种短期稳定过程之外，还给出了大扰动动态稳定的定义，是指在大扰动下，在包括慢速的自

动调节和控制装置的作用下，保持较长过程功角稳定性的能力。在电压稳定方面，IEEE/CI

GRE定义认为小扰动电压稳定也包括短期和长期过程，但是国内定义认为小扰动电压稳定

主要指静态电压稳定，不包括联锁反应等长期过程。

第1章绪论

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电力系统稳定性

功角稳定

频率稳定

电压稳定

小扰动

大扰动

小扰动

大扰动

功角稳定

功角稳定

电压稳定

电压稳定

短期过程

非周期性失稳

第一、二摆

周期性失稳

(暂态电压

长期过程

(静态稳定)

失稳（暂态

(大扰动动

稳定)

稳定)

态稳定)

周期性失稳

(小扰动动态

稳定)

短期过程

长期过程

图1-2电力系统安全稳定计算技术规范给出的电力系统稳定问题分类

1.2.2电力系统常见的稳定性问题

上面介绍了电力系统稳定性问题的多种分类方法，其中根据稳定机理进行的分类直接指出了稳定性问题的物理本质，与数学模型和分析方法密切联系，是一种广泛使用的分类方法。表1】给出了常见稳定现象与稳定机理之间的相关性，其中第一列是几种常见的稳定现象，第一行则是内在机理的分类，而▲的多少表示该种稳定机理在对应现象中起主导作用的可能性。需要说明的是，这里给出的是通常情况下的结果，而在特定条件中，这种相关性强弱程度有可能会与该表格不同。例如，负荷稳定现象通常与电压稳定、转差稳定关系较大，但是在特定的系统结构和运行条件下，频率稳定也可能成为更重要的因素。

表1-1常见稳定现象与稳定机理的相关性

稳定机理

功角稳定

电压稳定

频率稳定

扭振稳定

转差稳定

稳定现象

机电振荡（低频振荡）

▲▲▲

▲▲

4

负荷稳定

▲▲

▲▲▲

A▲

▲▲▲

异步发电机效应

AA△

次同步振荡

轴系扭转振荡

▲▲▲

暂态扭矩放大作用

▲A

▲▲▲

下面根据图1-2所示的基本分类体系对主要稳定性问题进行介绍，对其中涉及的机理和现象进行了介绍，同时补充了扭振稳定、转差稳定等概念，以形成更全面电力系统稳定问题的认识。

功角稳定性指互联系统中的同步发电机（包括等效固定频率电源）之间功角差不发散、保持同步运行的能力，主要与发电机及输电系统有关，也常常被称为发电机稳定性。功角稳定性常分为静态功角稳定性、小扰动动态功角稳定性、暂态功角稳定性和大扰动动态功角稳定性，功角失稳包括振荡失稳和爬行失稳两种情况，分别对应阻尼能力不足和同步能力不足两种原因。小扰动动态功角稳定性是指电力系统受到小扰动后保持同步运行的能力，它由系

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电力系统次同步振荡及其抑制方法

统初始运行状态决定。静态功角稳定性可以视为小扰动动态功角稳定性的简化形式，一般只考虑同步能力而不涉及阻尼能力，主要关注静稳极限和静稳储备问题，表现为系统“准稳态”变化时的稳定性，因而被称为“静态”稳定性。暂态功角稳定性是指系统发生大扰动后，保持同步运行的能力，与扰动类型和控制保护措施关系密切，一般要求系统在三相短路和单相永久短路及相应保护动作后能够保持暂态稳定。大扰动动态功角稳定性是指电力系统受到大的扰动后，在包括调速器等慢速装置的全部控制装置的作用下，保持长时间同步运行的能力

电压稳定性指扰动后系统电压能恢复到原先的电压值或是另一个允许的稳定平衡点的能力。由于电压是电力系统的基本参量，电压稳定性涉及各种动态现象。电压稳定性包括同步电压稳定性和异步电压稳定性两类，但是后者的影响较小，通常所说的电压稳定性就是指同步电压稳定性。

同步电压（工频电压）由电源激励产生，与潮流分布直接相关，局部电压失稳或崩溃后，将阻碍电能的有效传输，严重时可能导致全系统崩溃，造成巨大的经济与社会损失，因此受到了高度重视。同步电压的频率固定为工频，其稳定性表现为幅值的单调失稳，包括静态电压稳定性、暂态电压稳定性和中长期电压稳定性三种情况。与功角稳定性不同的是，电压稳定性对应特征方程中的实根，不存在振荡现象以及由此而来的同步和阻尼概念，因此静态电压稳定性就能够概括其小扰动下的稳定性。而在大扰动下，一些缓慢动作的控制器也会参与电压的调节过程，因此根据是否考虑慢速控制器的调节作用，将大扰动电压稳定性分为暂态电压稳定性和中长期电压稳定性。同步电压稳定性主要与无功功率的平衡有关，尤其在缺少无功支撑的大负荷中心容易出现这方面的问题。

异步电压稳定性问题包括异步发电机效应，轴系扭转振荡和暂态扭矩放大作用也可能伴随产生异步过电压现象。但是，由于电力系统正常运行时没有异步电源，产生异步电压稳定问题的范围和影响都是有限的。

频率稳定性指系统在发电机跳闸、系统解列、失去大负荷等大扰动导致有功功率不平衡下，通过调节系统的热备用出力和自动切除部分负荷，维持全系统或者解列后各子系统的频率不超出允许范围的能力。实现区域互联提高了电力系统调节有功功率平衡的能力，但是也容易产生区域间、区域内多种模态相结合的振荡，由此会导致关键线路被断开、关键机组被切除，从而威胁系统频率的稳定性。

扭振稳定性是随着大容量发电机组和远距离、大负荷输电技术应用而产生的问题，是指发电机-汽轮机轴系各质量块之间相对扭转振荡的稳定性，要求不发生持续、增幅扭转或者大幅度暂态扭转。在通常条件下，因为转子轴系刚度都很大，所以扭振稳定性只会发生振荡失稳而不会发生爬行失稳，关心的主要是扭转振荡的幅值和收敛性。扭振稳定性主要通过直接破坏轴系或者造成轴系疲劳寿命损耗累积而威胁发电机组的安全，对电网的影响范围和程度都比较小。

转差稳定性又称电动机稳定性，是指电动机负荷在扰动下保持正常运行，不出现大规模堵转或者被切除的问题。因为出现转差稳定性问题时，可以通过大量切除负荷保持系统稳定，所以传统上转差稳定性并不被电力系统视为重要的稳定性问题，而只是作为影响电压稳定性的因素之一。但是，转差稳定性具有独立于电压稳定性的机理和过程。实际运行经验和研究结果都说明，电动机动态特性及其控制保护功能对系统稳定性具有重要影响，以其为关

···试读结束···