• 2015年3月6日01：08，哈密北部麻黄沟地 区出现振荡，频率在49.64～50.15Hz之间波 动，电压236~240kV之间波动。
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新疆哈密三塘湖电网振荡
宽 洋 录 波 数 据 from新 疆 电 科 院
120
110kV电 压 /kV
100
35kV电 压 /kV
系统电流/A
80
60
（1）实部全为负，衰减振荡包含弱阻尼振荡； （2）有实部为正的共轭复根，增幅振荡； （3）有实部为零的虚根，等幅振荡。
只能分析平衡点局部无穷小邻域的振荡特性！
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电力系统振荡到底基于何种振荡机理？
• 电力系统为强非线性系统，其振荡到底是何种机理？ 目前尚未完全清楚，多种振荡并未得到合理的解释。
传统电力系统保护已不适用
• 电力电子装置短路后模型（电压/流源？依赖控 制）差别大
• 电力电子设备保护动作时间（几十微秒级甚至 更小）比现有保护动作时间短，保护配合困难
--线路保护动作慢，保护选择性实现难度大 --采用交流、直流断路器隔离故障的模式要变化
• 现有算法提取故障特征太慢（20ms以上） • 现有保护装置的动作速度太慢-直流断路器？
多变流器并联微电网的三种振荡模式
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恒功率源的振荡分析
sLs

sLs

id iq


Rs
Ls
Ls
Rs


id iq


u1d u1q
usd usq

逆变器输出电流的微分方程
u1d id* u1q iq* P
-180
传递函数GUi-I1(s)波特图 传递函数GUi-I2(s)波特图 传递函数GI1-I2(s)波特图
-270
102
103
104
频率 (Hz)
Cf无串联电阻时易发生振荡
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弱系统下电力电子装置的振荡问题
• 某风电场STATCOM运行中的谐波放大问题
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电力电子恒功率源的振荡问题
uS
i
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一、电力电子化系统面临的新问题与挑战
• 发、输、配、用系统正日益电力电子化 • 传统电参量理论已不适应-时间尺度过大 • 电力系统的特性发生了大的变化 • 稳定问题正在发生变化 • 传统电力系统保护已不适用 • 现有高速信息网无法满足广域控制的要求
--现有WAMS广域信息存在10ms级的延时，无法满足电力电 子装置电磁暂态稳定控制要求（广域信号延时≤1ms）
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Inverter output current [pu]
风电场串补电容引起次同步谐振SSR
河北沽源风电场 通过串联补偿电 容线路输电
河北沽源、吉林 瞻榆风电场均出 现SSR
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沽源风电场SSR问题-2012年12月
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风电场SSR期间波形分析
220kV a相电压与电流
次同步频率电流分析
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洋山港四象限变频提升机引起的功率振荡
• 当供电母线所带桥吊群的有功冲击足够大时，引发10Hz左 右的低频功率振荡，进而激发电压闪变。
2009年12月10日14时2分49秒 10kV进线电流基波功率趋势
6
4
P1 (MW)
2 0 -2
-4
1
1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5
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动力学系统的振荡原理
• 非线性动力学系统周期解-极限环 • 非周期的不重复振荡-混沌解 • 非线性系统平衡点附近的振荡问题-弱阻尼问题 • 线性系统的振荡问题-纯虚数特征根
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电力系统的数学模型
1
dx(t )

dt

f (x(t ),y(t ))
g(x(t), y(t)) 0
• 目前均基于平衡点线性化分析而得到，都是因弱阻尼 引起的振荡。在低频振荡、次同步振荡（谐振）分析 中莫不如此。-理论上不完善
• 应加强电力系统周期解、混沌解机理分析，才能完全 清楚电力系统振荡问题！
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多变流器并联的微电网中振荡分析
V1 L1
grid Vg Lg Ig Rg
R1 VC1 L11 R11 Vload
u1q id* u1d iq* Q 0
认为逆变器输出无功为 0，输出有功恒定。
id ,q

1 1 sL1
KP
id*,q

1
1 s
id*,q
在较高频段，忽略控制 器中积分项的影响。
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特征根分析-τ需大于某一值才稳定
1,2 tr(A)
(tr(A))2 4 det(A) , where
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多变流器并联运行的振荡问题
• 四象限电力机车与牵引网振荡问题
--1995年，苏黎世首次；2007年12月，大秦线HXD1型 机车机网；京哈线、京津线多次出现机网振荡
• 上海洋山港四象限变频提升机引起功率振荡 • 多APF、STATCOM并联运行的振荡 • 补偿电压源型非线性负荷的并联振荡问题 • 新疆哈密三塘湖电网多次发生振荡
--周期振荡解（极限环）、非周期振荡（混沌解）、线性化后系统小信号振荡问题
• 电力电子系统的三类振荡：
-电力电子装置的内部振荡如变流器与LCL的振荡
-电力电子装置之间的振荡；
-电力电子系统与传统系统之间的振荡
• 恒功率或负载源的振荡问题
• 电力电子装置在弱系统中的振荡问题
• 新的机电振荡（次同步振荡）问题
u1 P jQ u2
IL
Inverter terminal voltage [pu]
LS
RS
L1
2
UL
1 0
P,Q const
-1
-2
4
decreases from
1.0 ms to 0.1 ms
2
0
-2
-4 1.8 1.85 1.9 1.95
2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 Time [s]
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电力系统的特性发生了大的变化
• 惯性变小-风力发电、光伏发电等惯性小； • 短路容量减小-电力电子设备快速闭锁； • 动负荷特性变化显著-变频器大量应用； • 输电特性、配电特性变化大—直流输电、电力电子
变压器大量应用； • 有功-频率、无功-电压特性变化大— 可控性增强； • 频带大幅拓宽—电力电子设备的响应速度≤几十毫
秒，提高了一个数量级以上。
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稳定问题正在发生变化
• 功角稳定、电压稳定过渡过程缩短-—电网特性 变化引起。
• 次同步、超同步振荡逐步显现—振荡频率由低 频向高频移动（机电暂态稳定问题）。
• 电磁暂态稳定问题初步显现-电磁暂态失稳（ LVRT）与高频振荡
• 系统快速控制能力大大增强，可控性增强
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t (s)
5
Q1 (Mvar)
0
-5
1
1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5
t (s)
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APF补偿电压源型非线性负荷的振荡问题
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新疆哈密三塘湖电网多次出现振荡
• 2015年1月5日，宽洋东方民生风电场出现 振荡；
• 2015年2月8日，宽洋风电场的STATCOM进 行测试，恒无功运行时出现振荡，导致 110kV振荡异常；
Ls P U12 ,Ls Rs P2 U14 max
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电力电子装置在弱系统中的振荡问题
• STATCOM电流跟踪控制系统典型框图（Kpwm=1）
Us0(t),Us1(t) 分别为并网点系统电压与测量电压
U s1(s)

1
1
Ts
U s0(s)
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变流器中常用的deadbeat控制
解1、2：振荡解。若系统运行在解0，受到较大的扰动
后可能处于解1或2的振荡状态。
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非线性自治系统的非周期振荡解-混沌解
d dt


H

d dt

Pm
D Pe(1 cos t)sin


1 2 1 2
Pe cos t 电磁功率扰动
10
9m/s
9
8m/s
8
7m/s
6m/s
7
5m/s
4m/s
6
频率 (Hz)
5
4
3
2
-8
-6
-4
-2
0
2
特征值实部 (1/s)
并网发电机台数和风速对SSR特性的影响
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沽源风电场SSR原因分析
jXe xr
rs rT1 xs xT1
n n nir n n
Kp rr
xm
ns
n
rL xL xC
--弱系统下的振荡问题 --与并联、串联电容器的振荡问题 --恒功率源的振荡问题
• 多变流器并联运行的振荡问题 • 电力电子装置与传统电机的振荡问题
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电力电子装置内部振荡问题
100
C
ui
XL RL
i1 L1
iL
i2
L2 Cf
is
us
Ls
相位 (deg)
幅值 (dB)
50
0
-50
-100 90 0 -90
DG1
I1 C1
I11
Rload
R22 L22 VC2 R2
I22
C2