新能源并网场景下失步振荡中心迁移研究现状综述

毛雅茹，彭志炜，李登瑞，谭洪林

（贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

为了提高能源的利用率，保护环境，电力系统规模日益扩大，这大大增加了发生短路故障的可能性。故障会使系统运行在异步状态，严重时造成系统发生失步振荡引发电压崩溃给国民经济造成巨大损失[1]。随着对环境造成污染的非再生能源逐渐被淘汰，风能、太阳能等可再生能源悄然登上舞台，得到人们的重视，这类新能源都可以在大范围内无污染地用于发电。随着我国能源问题的日益突出，新能源在电力行业得到大力推广和应用，近年来大规模的风电、光伏等新能源接入电网。新能源的接入使得传统电网的结构发生了很大的变化，对于新能源本身则具有波动性与不确定性，这些都会给电力系统的安全与稳定控制带来了极大的考验[2]。风电、光伏等新能源具有与传统同步机组不同的电气特性[3-4]，而这些特性可能会影响系统失步振荡中心迁移的规律。本文首先分析了失步振荡原理及危害，然后分析总结近年来相关的文献，从就地信息和广域信息两方面总结失步振荡中心定位方法的研究现状，并对新能源并网情况下影响失步振荡中心迁移的因素进行综述。最后，展望了新能源并网对失步振荡中心迁移影响的研究方向。

1 失步振荡原理及其危害

电力系统采取各种保证系统安全稳定运行的措施仍然无法避免系统运行在异步状态，当系统处于这个状态时间过长会引起严重后果，因此，必须采取措施消除异步状态。我国消除电力系统异步状态的手段是进行失步解列，这就要求准确定位最佳解列位置。

1.1 失步振荡原理

电力系统正常时，系统中所有机组都是同步运行，即转速相等。当各机组的转速出现差异形成两个同调机群导致电力系统失去同步，随后两个同调机群的功角摆幅将在0°～ 360°范围内作周期变化，该过程称为失步振荡，其内在表现为出现危险大电流，外在表现为联络线上电压强烈振荡。振荡中心是电力系统失去同步导致电压跌落最严重的点；等值两机系统发生失步振荡以后，在一个功角差0°～ 360°变化的过程中，振荡中心处会出现一个电压幅值为零的位置定义该位置为系统的失步振荡中心。随着振荡的蔓延，两频失稳过渡到多频失稳，但研究证明上述定义在三频失稳的情况下仍然适用[5]。

1.1.1 两机等值系统异步分析

电力系统发生故障引发失步振荡时，短时间内系统发生两频失稳可将系统中发电机等值为两个机组。在失步初期，用图1所示的等值系统分析在此过程中系统的电气特性。两频失稳失步振荡中心的研究主要对图示系统采取以下假设[6-7]：

图1 两机等值系统Fig.1 Two-equipment equivalent system

（3）忽略分布电容；

（4）假定线路均匀且阻抗角恒定。

1.1.2 三机等值系统异步分析

失步系统因为没有及时解列或发生大扰动导致系统进一步恶化，两频失稳的系统蔓延到系统发生三频振荡。多频率异步系统电气量变化比较复杂且对系统的危害更大。系统发生三频振荡时，电压幅值为零的点可能出现在多处，也就是说失步振荡中心是一个断面并且会发生迁移。用三机等值系统分析失步过程中系统的电气特性，等值系统如图2所示。为进行简便计算，现行对于三频失稳的研究对图示系统进行以下假设[4,8-9]：

（2）计算过程中各系统频率恒定；

（3）不考虑中间负荷且忽略网络阻抗的影响。

图2 三机等值系统Fig.2 Three-machine equivalent system

1.2 电网发生失步振荡危害

电网在失步过程中，会损伤系统中发电机组或线路，对危害整理如下：

（1）电力系统在异步运行引发失步振荡时可能会导致系统电流不断升高从而损害发电机定子绕组。

（2）振荡中心是电网电压跌落最严重的点，当该点位于输电线路上时可能会导致负荷的运行方式遭到破坏；当该点临近发电机机端或在发变组内部时，使得汽轮机转速波动、锅炉水位波动，压力和温度大幅度变化，造成锅炉爆管。

（3）在功角差0°～ 360°摆动周期内电压也随之发生波动从而导致系统的低频谐振。

（4）若不及时消除电网的失步状态，电网可能由两频失稳蔓延到多频振荡失稳，失步状态更加复杂从而引发更为严重的事故。

（5）当保护装置无法区分失步状态以及短路故障时，可能导致继电保护误动作，失去部分负荷造成损失。

（6）最严重时会导致系统瘫痪，从而引发大面积大面积停电，造成严重的电网事故。

2 失步振荡中心定位方法

当电力系统发生失步振荡会危及到电网发、输、配、用各个环节的安全稳定性，这就需要电网工作者对失步的系统进行解列，如果要解列失去同步运行的系统就必须定位到系统的失步振荡中心。随着失步振荡的危害越来越显著，许多研究人员都对失步振荡中心的定位进行了深入的研究并取得相应的成果。本文对失步振荡中心定位方法进行综述，主要可以分为基于就地信息定位和基于广域信息定位两大类。下面对这典型的定位方法进行展开介绍。

2.1 基于就地信息定位失步振荡中心

这类定位方法的本质是通过线下计算出电压幅值或者是测量阻抗等反映振荡中心电气量信息，通过这些信息定位系统在线运行时可能出现失步振荡中心的位置，并在这些位置安装解列装置。下面列举几种基于就地信息的定位失步振荡中心方法。

2.1.1 测量阻抗最小值定位失步振荡中心

根据失步振荡中心的定义，当两等值机的电压相角达到180°时为系统的失步振荡中心，此时系统的测量阻抗最小,由此得出通过测量阻抗的变化轨迹的变化规律可以定位失步振荡中心的位置[10]。此类方法通过对典型的两机系统进行假设，等值电路如图1，假设条件为等值两机异步分析的假设，但也有文献考虑了送受两端电动势幅值不等、全系统阻抗角不相同的情况。通过不同的假设条件计算出不同的测量阻抗表达式，再在阻抗复平面上追踪系统阻抗轨迹的变化，最终确定振荡中心的位置。文献[11]根据测量阻抗定位法在线路一侧安装解列装置定位失步振荡中心。仿真验证了所提失步振荡中心定位方法的正确性。文献[12]在如图1的等值两机系统假设条件下，考虑上述两个附加条件，计算出系统测量阻抗轨迹与全系统阻抗折线的表达式，联立两者求得的解是失步中心。优点：原理清晰，易于实现。缺点：当系统运行方式变化振荡中心发生迁移时且没有落在装设测量阻抗装置时会影响测量阻抗的动态特性，自适应性差。

2.1.2 电压幅值最低定位失步振荡中心

该定位方法的原理是根据失步振荡中心的定义，离线计算出表示系统电压幅值的数值方程组，根据此方程组实时搜索电压幅值最低的位置[13]，或是用求偏导法求得最小值定位系统的失步振荡中心[14]。文献[5]根据图2的系统及其假设条件，假设在离线计算式时三机系统频率保持不变，通过叠加定理计算出线路上任意一点的电压表达式，找出电压幅值为零的点即为系统的失步振荡中心。该方法的优点：定义明确、简单。缺点：在实际解列过程中，该方法因为难以确定整定值并且解列装置需与线路保护配合使用，所以并不具有实用性。

图3 等值向量图Fig.3 Isometric vector diagram

2.2 基于广域信息定位失步振荡中心

随着大数据产业与电子通讯的迅猛发展，广域测量系统(WAMS)在各个行业得到很好的发展。WAMS具有在时空上统一角度、具有足够的精度和速度等优点[16-18]，为电网失步振荡中心定位方法带来新的契机。

2.2.1 频率信息定位失步振荡中心方法

该方法利用PMU对线路两端电压频率和电压幅值这两个电气量进行实时监控，根据系统频差的单调性的特点来判断失步振荡中心所在位置[19-20]。虽然该方法可以在理论上实时监控失步振荡中心出现在哪条线路，且在系统发生多频振荡场景下也能适用，但在实际系统中，无法推导出理论计算得到的频差表达式，从而可能造成失步振荡中心所在线路与其他线路单调一致，不能准确定位失步振荡中心。

与无功功率特征定位失步振荡中心该定位方法首先通过WAMS在线监测系统电流变化量与电流整定值进行比较作为失步启动判据，之后使用上节介绍基于就地信息的判据定位振荡中心位置范围，继而利用PMU同时测量线路两端无功功率，因无功功率与电压具有强耦合的关系，根据其具有的特征便能定位失步中心[21]。系统的无功功率具有方向性，可使系统避免陷入存在电压梯度无法搜寻失步振荡中心断面的问题，且该方法不受运行方式限制[22]。

3 新能源并网对失步振荡中心迁移的影响

国内外的电气学者已经对影响失步振荡中心迁移因素做了大量的研究，包括系统发生两群失稳情况和多频失稳的情况。文献[23]在两机群基础上得出系统两侧电动势幅值存在差额是决定失步中心位置的主要因素。文献[24]指出，系统发生失步振荡的诱因是系统发生故障，但故障对失步振荡中心迁移参与度很小，运行方式会影响失步振荡中心。文献[5]在两机模型的基础上分析出主导失稳模式改变、电动势幅值失稳变化是导致振荡中心迁移的主要因素。文献[25]以南方电网多通道受电断面为研究对象，分析得到电磁环网解环、低压减载和高频切机动作等改变电网拓扑结构的动作均会导致系统振荡中心迁移。文献[7]研究表明，系统在发生多频振荡的情况下会进一步对系统产生危害，扩大失步振荡中心迁移范围。

光伏、风电等新能源具有传统的火电不具有的清洁、环保且可以无限使用等显著优点，促使新能源在电力行业的使用越来越广泛。近年来，我国建立了很多风力发电厂和光伏发电站带来巨大好处的同时也给整个电力系统的安全稳定运行带来了很多问题。风电、光伏等新能源具有与传统同步机组不同的电气特性，这些特性往往会在系统对整个系统振荡模式以及失步振荡中心的迁移造成影响。

3.1 风电并网对失步振荡中心影响

随着大规模的风电接入系统，改变了传统电网的电气特性，影响了系统的暂态稳定性。对风电并网对失步振荡中心影响的研究主要包括四个方面：风机类型以及出力方式、电压穿越特性以及电源脱网。

3.1.1 风机类型

典型的风机类型包括恒速异步、双馈变速、和直驱同步三种风机。文献[10]研究发现恒速异步型风机并网只会降低系统的稳定裕度，对系统振荡失步振荡中心迁移的影响较小。文献[11]将双馈风机接入图1中的系统得出：有双馈风机接入的系统发生失步振荡时会扩大失步振荡中心出现的范围。

3.1.2 风电出力方式

风能是一种随机性、季节性、地域性都很强的能源，不同地区、不同季节风电的出力分布和出力方式大不相同，造成系统稳定性受到影响。文献[26]利用控制变量法对两种极端的出力方式研究，表明系统不同的出力方式会降低系统稳定性，但不足以引发对失步振荡中心迁移。

3.1.3 风电电压穿越特性

我国风力发电场存在高低电压保护或高低电压穿越的电压特性。部分久远的风力发电场只存在高低电压保护能力，而新建风电场具备高低电压穿越特性，其作用是在故障情况下给系统提供有功和无功功率保证并网系统的安全稳定运行。但是，在系统已经发生失步振荡的情况下，风电场的电压穿越特性可能会影响系统失步振荡中心的迁移。文献[3]研究表明，具备高低电压保护的风电场并网会导致振荡中心发生迁移。

3.1.4 风机脱网

风电并网系统会因为严重的故障、机组不具备动态无功调节能力和低电压穿越能力或是解列不当等原因而造成风机脱网[27]。目前对于风机脱网对系统的暂态稳定性的影响是有利还是有弊尚未有统一的定论。文献[12-13]由于某些因素而导致风电大规模脱网的情况，会使得系统失步振荡中心发生迁移。文献[28]在双馈风机并网的情况下，如果将风电场切除会减小失步振荡中心迁移的范围

3.1.5 其他因素对失步振荡中心的影响

除了上述四种重要的原因影响失步振荡中心之外风电场容量[29]、是否有无功补偿[30]、风速的波动[31]、风电场不同的运行方式[14]等原因也会对系统的失步振荡造成不同的影响从而对失步振荡中心产生影响。

3.2 光伏并网对失步振荡中心影响

近年来，我国建立了很多大型光伏电站不再只局限于分布式发电，这使得在关注发电量的同时也要考虑并网光伏对整个系统安全稳定性的影响，其中就包括对失步振荡中心的影响[32-33]。光能具有随机性、季节性等特点，使得光伏电源的出力具有间歇性和杂乱无规性。在研究光伏并网对失步振荡中心影响时，研究人员主要对光伏出力的变化、电源是否脱网两个方面来进行研究。

3.2.1 光伏出力变化

光伏电源的出力取决于光照强度，光照强度具有波动性从而导致光伏电源的出力不断发生变化。在某些极端条件下，光照强度骤变而引发光伏电源出力骤升时会影响系统频率的波动，系统的暂态稳定性受到影响，当出力过大时会引发系统失步振荡中心发生迁移。

3.2.2 光伏电源是否脱网

当并网系统由于故障而诱发系统振荡但光伏电源并未脱网时，若解列不及时系统的失步振荡中心会随着振荡加深迁移到新能源一侧；当系统故障而引发光伏电源脱网时，系统的暂态稳定性得到缓解，有利于系统的安全稳定运行[23]。大规模的光伏电源脱网可能会引发失步振荡中心迁移，但还未有研究结果证实这一可能性。

3.2.3 其他因素对失步振荡中心的影响

目前新能源并网场景下失步振荡中心迁移影响的主要工作在于风电并网，光伏并网对失步振荡中心迁移的影响还未进入深入研究，但已有文献表明光伏的其他特性会对系统的安全稳定产生产生影响。光伏电源的控制技术及接入位置[34]、是否有浮云遮挡、不同的功率控制方式[35]、光伏电源的渗透率[36]等因素都会对并网系统的功角稳定产生积极或消极的影响，在并网系统发生失步振荡的情况下，上述因素可能会导致失步振荡中心整个电力系统迁移，这对后续研究提供了可研究的因素。

4 结论

本文论述了失步振荡原理及危害，然后从基于就地信息和广域信息两个个方面分别综述常用的失步振荡中心定位方法研究现状。最后阐述了风电、光伏并网场景下对失步振荡中心影响的研究现状。现对上述研究现状中普遍存在的问题进行总结。（1）基于就地信息定位方法虽然原理清晰，但是缺点也很突出。这类定位方法大多在理想条件的两机系统仿真得到，当实际系统发生失步振荡时，离线仿真的结果可能与实际情况不同。（2）引入全局信息的广域信息定位方法是现在比较主流的定位方法，也是今后研究的重点。PMU获取在线信息传输到数据处理中心进行判断是否存在失步振荡中心的过程中存在快速求解与求解精度高的博弈问题。通过前面所论述的失步振荡中心定位方法，基于就地信息与广域信息都有各自的优点，但也有缺点。（3）在接下来研究中，将基于就地信息定位方法与广域信息方法相结合，引入全局变量这会是将来失步振荡中心定位的发展趋势。对于新能源并网对失步振荡迁移影响的研究，主要集中在对于风机并网发生两群失稳的研究。（4）光伏并网的研究并未深入考虑光伏电源的控制技术、接入位置、是否有浮云遮挡、不同的功率控制方式、光伏电源的渗透率等关键性因素对失步振荡中心迁移的影响。后续的研究可着重关注这些关键性因素。