基于能量函数的电力系统低频振荡阻尼分析

低频振荡是大型互联电网安全运行的重要问题。阻尼是影响低频振荡的关键因素。目前对阻尼的理解，主要基于阻尼转矩的概念。阻尼转矩分析基于传递函数，存在不能考虑非线性、仅在平衡点附近局部有效的缺点，且应用于多机系统时还存在其它困难。振荡是一种广泛存在的运动形式，能量损耗产生阻尼效应。本项目利用能量函数分析电力系统的阻尼，将能量函数沿轨迹的下降认为是阻尼的表现。能量函数理论上有多种形式，而不同振荡模式阻尼不同，本项目首先从理论上研究能量函数下降率和系统阻尼之间的关系。在此基础上，利用一种基于基尔霍夫电流定律和积分的能量函数构造方法，研究并建立基于能量函数的阻尼分析和阻尼转矩分析、特征分析的联系。研究阻尼的数值分析方法，利用数值积分识别沿轨迹的能量损耗，避免能量函数的构造困难。通过计算网络和各节点产生的能量损耗，分析电网中阻尼的来源。此研究将对认识阻尼机理、了解阻尼来源具有重要的理论和现实意义。

阻尼是电力系统低频振荡分析中的一个关键因素。本项目利用能量的概念研究电力系统低频振荡问题以及低频振荡的阻尼。首先在发电机的Heffron-Phillips 模型中严格证明发电机能量消耗和其阻尼转矩的一致性，能量消耗产生阻尼，可以利用元件的能量消耗评估其阻尼特性。为了克服能量函数构造的困难，项目提出了基于量测数据计算网络中振荡能量流的方法，所说的振荡能量和暂态能量一致，流入元件的振荡能量流包括元件暂态能量的变化和能量消耗，并提出了振荡能量消耗的实用计算方法。推导了发电机内部的振荡能量流，分析了振荡能量流的物理意义，流入发电机励磁、阻尼绕组的振荡能量的功率，就是从发电机传输到对应绕组的真实电功率。证明了振荡能量法和阻尼转矩法、特征分析法的一致性，定义了发电机能量消耗系数，单机系统中能量消耗系数和阻尼转矩系数一致，多机系统中振荡模式特征值实部与所有发电机能量消耗系数之和成比例，比例系数为负数，即特征值实部与总能量消耗反号，系统的阻尼比来源于各台发电机的能量消耗，发电机的能量消耗系数可定量评估其阻尼特性。振荡能量法建立了局部元件阻尼和整体系统阻尼比的联系，说明了系统中阻尼的来源。电力系统振荡过程中，除了负阻尼机组外，强迫振荡扰动源元件也向系统注入振荡能量，因此可通过网络中的振荡能量流定位振荡源，能量源就是振荡源，是振荡的起因。此外，振荡能量的概念还可用于阻尼控制的研究，本项目基于振荡能量消耗设计了HVDC、SVC的附加阻尼控制策略。本项目建立了一套基于振荡能量的低频振荡分析的理论和方法体系，提出了基于振荡能量消耗的阻尼机理和阻尼评估方法，对认识电力系统阻尼及其来源具有重要理论意义，并提出了基于振荡能量流的低频振荡分析和振荡源定位方法，振荡发生后在线识别振荡源，帮助调度运行人员采取有效措施快速平息振荡，对于电网调度运行防御低频振荡具有重要实用价值。