电力系统小信号模型稳定性分析
一．课题背景和意义
小信号稳定又称小干扰稳定，是指系统在遭受小扰动情况下保持同步的能力[1]。此处小扰动是指扰动造成的影响足够小，可以对系统模型进行线性化而不至影响分析精度[2]，电力系统时刻经受着小干扰如负荷随机波动、部分参数缓慢变化等，因此，一个设计良好的电力系统，首先小信号必须是稳定的，否则，即使在稳态情况下系统也无法正常运行[3]。在电力系统发展初期，并列运行机组间曾出现过小扰动下转子相对摇摆振荡问题，通过发电机的阻尼绕组即可解决，故此后人们关注的中心是系统暂态稳定[4]。随着现代大功率发电机组采用快速、高增益励磁技术，导致在重负荷系统中出现了机电振荡问题，此时已无法采用发电机阻尼绕组解决，电力系统稳定器被提出并广泛应用以解决此问题[5]。但近几十年来由于系统进一步互联以取得更大的经济效益，随之出现了大规模互联电力系统的低频振荡，上世纪60年代北美建立的互联电力系统就曾出现增幅振荡；1996年8月，北美西部互联电力系统因为低频振荡引发系统解列导致大停电事故发生，2003年美加大停电事故发展过程中出现的异常网络结构下跨国电网低振荡，引起了电力行业对互联电力系统小信号稳定性高度重视[6]。
近年来，事实表明大规模同步互联电力系统极容易出现小信号不稳定问题，尤其是在系统互联初期系统之间联系还比较薄弱的情况下，由于缺乏足够的系统阻尼往往导致传输线路低频功率振荡且难以进行跨区的协调控制[7]。随着三峡电站建成投产、西电东送工程逐步实施，我国区域电力系统之间互联形成全国大联网的目标正在实现。在获得大联网带来的经济与社会效益的同时必须对系统中潜在的稳定性危险有清醒的认识和对策，才能保证电力系统的安全稳定运行。因此，对正在形成中的大规模互联电力系统进行小信号稳定性分析，制定低频振荡的抑制措施，优化设计各种小信号稳定控制器，是一个值得高度重视的研究领域。
二．国内外研究现状
小信号分析工具( Small Signal Analysis Tool, SSAT )，这是一个用于分析和缓解大型互联电力系统小信号稳定性问题的综合软件工具[8]。它不仅包括用于确定不同类型模式的各种特征值计算选项，而且还包括一套有用的系统研究功能，例如，输入数据自定义和表示选项，意外事件分析，特征值灵敏度分析，根轨迹(模式轨迹)分析，频率响应计算，小信号稳定极限确定，输出结果分析和可视化工具，用户友好的程序界面[9, 10]。
控制系统调谐工具箱( Control System Tuning Toolbox, CSTT )，这是满足工业要求的一种发展，要求能够系统地确定和调整控制器的参数以增强阻尼[11]。CSTT使用优化技术确定或调整电力系统中控制器的参数，以满足目标性能要求(主要是阻尼标准)。在这一领域已有一些类似的发展，但使 CSTT 独一无二的是以下独特的能力：
- CSTT 是基于线性和非线性分析技术，采用 SSAT 和商用时域仿真程序( A Commercial Time-domain Simulation Program, TSAT )作为其计算引擎[12]。这除了确保对调谐控制器的鲁棒性进行足够的验证外，还提供了足够的建模和计算能力。
- 可以使用高度自定义或完全自动的方法来执行调优。可以同时调谐多个控制器。这为不同的应用程序目标提供了灵活性，从而提供了最佳结果。虽然在小信号稳定性分析技术方面取得了很大的进步，已经开发了许多工具，但是还存在尚未令人满意地解决以下重要问题。一个充分的系统模型是成功地评估小信号稳定性的关键。建立一个适合这种研究的系统模型并不是一件容易的事情。过去的经验表明，在大多数情况下，为规划目的建立的模型不太可能产生结果。需要在以下几个方面作出改进：主要设备的建模精度和细节，如励磁系统和调速器；在常规稳定性研究中通常不代表的模型的增加；系统运行条件的选择，如负荷水平和功率转移。局部振荡模式的控制是相对简单的任务，在大多数情况下，它可以通过应用电力系统稳定器来解决。然而，在某些情况下，局部振荡问题也很难控制。区域间模式的控制提出了更大的挑战，并已成为许多研究项目的焦点，然而，尚未制定得到广泛接受和有效的普遍做法。这是一个需要更进一步调查和行业经验的领域。
由于传输系统正日益受到压力，许多电力系统的工作极限受小的信号稳定性的限制。这最终需要进行在线小信号安全评估( Signal Security Assessment, SSA )[13]。计算能力中大部分已经在新一代小信号稳定性分析软件中获得。因此，在技术上可以结合在线 SSA，特别是在已经实现在线暂态安全评估( Transient Security Assessment, TSA )的地方，由于 SSA 可以与 TSA 共享大部分数据。
三．文献综述
