什么是电力系统振荡

电力系统振荡是电力系统在遭受扰动后，发电机转子之间相对角度发生周期性摆动的失稳现象。它源于系统动态平衡被打破，表现为功率、电压和频率的周期性波动。这种振荡不仅威胁电网安全稳定运行，还可能引发连锁故障，导致大面积停电。理解其机理、类型、成因与抑制策略，对于构建坚强智能电网至关重要。

       当我们谈论现代社会的基石时，稳定可靠的电力供应无疑位居前列。然而，支撑起万家灯火的庞大电力网络，并非总是风平浪静。在肉眼看不见的领域，一种被称为“电力系统振荡”的动态过程时常悄然发生，它如同电力网络的“心跳失常”，轻则导致电能质量下降，重则引发系统性崩溃与大范围停电。本文将深入剖析这一复杂而关键的现象，从基本概念到深层机理，从类型划分到实际案例，力求为您呈现一幅关于电力系统振荡的完整图景。

       一、 振荡的本质：失去同步的“机械舞”

       要理解电力系统振荡，首先需把握电力系统稳定性的核心——同步运行。一个互联的电力系统中，所有并网运行的同步发电机必须保持相同的电气角速度（即同步转速），其转子间的相对功角保持恒定或在小范围内变化，从而稳定地输送功率。电力系统振荡，本质上就是这种同步状态遭到破坏后的动态响应过程。当系统受到一个足够大的扰动（如大容量负荷投切、大型发电机跳闸、输电线路故障等）后，各发电机的机械功率与电磁功率平衡被打破，转子开始加速或减速。由于各发电机与原动机的惯性、所在位置、与扰动点的电气距离不同，它们的转速变化并不同步，导致转子之间的相对角度（功角）不再恒定，而是发生周期性或非周期性的摆动。这种摆动的能量通过电网相互传递，便表现为系统中功率、电压、电流乃至频率的周期性波动，这就是电力系统振荡。

       二、 稳定性的分野：静态、暂态与动态

       根据中国《电力系统安全稳定导则》等技术标准，电力系统稳定性主要分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定。振荡与这三者息息相关。静态稳定指系统受到小扰动后，恢复到原始运行状态的能力；与之对应的是静态失稳，通常表现为增幅振荡，系统无法平息微小扰动引起的功率摆动。暂态稳定则关乎系统遭受大扰动（如短路故障）后，发电机能否在第一个或前几个振荡周期内保持同步；暂态失稳往往表现为功角非周期性增大（滑失）。而动态稳定，关注的是系统在小扰动或大扰动后，经历暂态过程，在自动控制系统（如自动电压调节器、调速器、电力系统稳定器）作用下，保持长过程同步运行的能力；动态失稳常表现为增幅振荡或持续振荡。我们通常讨论的电力系统振荡，更多涉及静态稳定和动态稳定的范畴。

       三、 振荡的主要类型与特征

       根据振荡的特性、范围和机理，可对其进行多维度分类。按振荡幅度可分为小扰动振荡（线性振荡）和大扰动振荡（非线性振荡）。按振荡模式可分为本地模式振荡（涉及单台发电机或单个电厂与系统其余部分之间的振荡，频率通常在0.7赫兹至2.0赫兹）、区域模式振荡（涉及一个区域内的多台发电机与另一区域发电机群之间的振荡，频率通常在0.2赫兹至0.7赫兹）以及全局模式振荡（涉及系统中大部分发电机，频率低于0.2赫兹）。按振荡的稳定性可分为衰减振荡（阻尼为正，振幅逐渐减小）、等幅振荡（阻尼为零）和增幅振荡（阻尼为负，振幅逐渐增大，最为危险）。此外，还有由直流输电、风力发电、光伏发电等电力电子设备接入引发的次同步振荡和超同步振荡等新型振荡问题。

       四、 追根溯源：振荡产生的根本原因

       振荡的产生是系统固有特性与外部扰动共同作用的结果。其根本原因在于系统缺乏足够的“阻尼”。阻尼是消耗振荡能量、平息摆动的力量。当系统阻尼为负时，任何微小扰动都可能被放大，导致增幅振荡。具体成因包括：其一，输电断面重载，导致电气距离增大，同步能力减弱。其二，快速高顶值励磁系统的广泛使用，在提高暂态稳定极限的同时，可能向系统引入负阻尼。其三，长距离、大容量输电，特别是串联电容补偿的应用，可能激发次同步振荡。其四，大规模电力电子设备（如风电、光伏逆变器）接入，其控制策略与电网动态特 互，可能引发宽频带振荡。其五，系统运行方式薄弱，如重要联络线断开、备用不足等。

       五、 数学模型：理解振荡的钥匙

       分析电力系统振荡离不开数学模型。通常采用基于同步发电机经典二阶模型或更详细的五阶、六阶模型的“小扰动稳定分析”方法。通过线性化系统在某一运行点附近的微分代数方程组，得到系统状态矩阵。对该矩阵进行特征值分析，每个特征值对应一个振荡模式。特征值的实部反映了该模式的阻尼（负实部表示正阻尼，正实部表示负阻尼），虚部决定了振荡频率。特征值对应的特征向量则揭示了该振荡模式中，各发电机状态变量的参与程度，即参与因子，用于识别主导振荡机组和振荡区域。这套分析方法为振荡的量化评估、机理研究和控制策略设计提供了坚实的理论基础。

       六、 振荡的危害：从波动到崩溃

       电力系统振荡绝非无害的“涟漪”。其危害是渐进且可能致命的。在振荡初期，表现为联络线或设备上功率、电流的周期性摆动，可能导致继电保护装置（特别是基于功率方向的保护、距离保护）误动，误切线路或发电机，使故障范围扩大。持续的电压波动会严重影响电能质量，干扰精密工业生产和居民用电设备。剧烈的功率摇摆会使发电机承受交变的应力，可能损伤大轴等机械部件。对于增幅振荡，若不能及时抑制，功角摆开幅度将越来越大，最终导致发电机失去同步，系统解列为几个异步运行的部分，引发频率和电压崩溃，造成灾难性的大面积停电事故。历史上多次重大停电事故的初始阶段，都观测到了明显的系统振荡。

       七、 监测与辨识：电网的“听诊器”

       及时发现和辨识振荡是采取应对措施的前提。现代电网主要通过广域测量系统来实现。广域测量系统基于同步相量测量单元，能够以高达每秒数十帧的频率，同步采集电网不同节点的电压、电流相量（幅值和相位），并通过高速通信网络传至主站。在主站，利用诸如傅里叶变换、小波变换、模态分析等算法，对海量相量数据进行实时或事后分析，可以精准提取振荡的频率、振幅、阻尼比、传播路径等关键信息。这相当于为电网装上了高精度的“听诊器”和“心电图仪”，使得运行人员能够实时感知系统的动态“脉搏”，为稳定控制提供决策依据。

       八、 第一道防线：电力系统稳定器

       抑制低频振荡最经典、应用最广泛的装置是电力系统稳定器。它是一种附加在发电机自动电压调节器上的辅助控制环节。其工作原理是：检测发电机的转速偏差或功率偏差等信号，经过适当的相位补偿（通常引入超前滞后环节），产生一个附加的励磁控制信号。该信号的作用是在系统发生振荡时，通过调节励磁电压，产生一个与转速变化同相的电磁转矩分量，即正的阻尼转矩，从而抵消系统固有的负阻尼，增强整个系统的阻尼特性，有效抑制本地模式和区域模式的低频振荡。电力系统稳定器的参数需要针对特定机组和系统运行方式进行精心整定，以确保其在各种工况下都能提供正阻尼。

       九、 灵活交流输电系统装置的应用

       随着电力电子技术的进步，灵活交流输电系统装置成为抑制振荡的新锐力量。诸如静止无功补偿器、静止同步补偿器、统一潮流控制器等，它们能够快速、平滑地调节输电线路的参数（如电压、阻抗、相角）。在振荡发生时，通过接收广域测量系统信号或本地测量信号，这些装置可以实施阻尼控制策略。例如，通过调制其输出的无功功率或有功功率，在关键联络线上产生一个与振荡频率同步、相位合适的功率调制，从而对振荡机组施加有效的电气制动，提供强大的阻尼作用。灵活交流输电系统装置响应速度快（毫秒级），控制灵活，为抑制区域间振荡提供了非常有效的手段。

       十、 调度与运行层面的预防措施

       除了安装专门的控制装置，在电网调度和日常运行中，一系列预防性措施是避免振荡发生的基石。这包括：进行详细的在线或离线稳定计算，评估不同运行方式下的阻尼特性，识别薄弱环节和振荡风险。优化电网结构，避免出现过于薄弱的远距离、重负荷输电断面。合理安排运行方式，保持必要的旋转备用和电压支撑。优化机组组合，确保系统有足够的惯量和阻尼来源。在电力市场环境下，还需要将稳定约束纳入交易计划，实现安全与经济性的协调。这些“治未病”的措施，是从系统全局层面提升抗振荡能力的根本。

       十一、 新型电力系统带来的振荡挑战

       以高比例可再生能源、高比例电力电子设备为特征的“双高”新型电力系统，正在给振荡问题带来全新挑战。风力发电机组和光伏逆变器通过电力电子换流器并网，其物理特性与传统同步发电机迥异，惯量和阻尼匮乏。它们的控制环（如锁相环、电流环）动态特性复杂，可能与电网发生不利交互，引发数赫兹至数百赫兹的宽频带振荡，包括次同步振荡和超同步振荡。这类振荡机理新颖、分析困难、抑制手段与传统方法不同。此外，直流输电系统的控制也可能引发振荡。这要求研究人员和工程师发展新的建模、分析和控制理论，以应对新型电力系统的稳定运行需求。

       十二、 历史镜鉴：振荡引发的重大事故案例

       回顾历史，能让我们更深刻地认识振荡的危害。1996年，北美西部电网发生的两次大停电事故是经典案例。在事故过程中，系统出现了剧烈的区域间低频振荡（约0.25赫兹），由于阻尼不足，振荡未能衰减，最终导致系统解列，波及数百万人。事故调查指出，输电线路重载、系统阻尼弱是主因。另一起著名案例是2011年中国南方电网的“4.28”事故，过程中也观测到了明显的低频振荡。这些事故促使全球电力行业更加重视小扰动稳定和阻尼分析，推动了广域测量系统和电力系统稳定器等技术的广泛应用与升级。

       十三、 安全稳定控制系统的角色

       面对可能危及全局的增幅振荡，电力系统还部署了最后一道快速防线——安全稳定控制系统。该系统实时监测关键断面的功率、功角、频率等指标。当监测到系统发生失步振荡或即将失步时，会根据预设的控制策略，在几十到几百毫秒内迅速执行切机、切负荷、解列等控制措施。例如，在检测到两个区域间功角超限并持续摆开时，系统会自动在振荡中心附近选择解列点，将系统异步运行的部分解列开来，防止事故扩大，保全主要电网。这是一种“壮士断腕”式的紧急控制，其策略的合理性和动作的快速性至关重要。

       十四、 仿真技术：振荡研究的数字实验室

       在真实电网上进行振荡试验风险极高，因此数字仿真技术成为不可或缺的研究工具。机电暂态仿真程序，如中国电力科学研究院开发的综合稳定程序，能够模拟大规模电力系统受到扰动后的机电动态过程，是分析低频振荡的主要工具。电磁暂态仿真程序则能更精细地模拟电力电子设备、控制系统的快速开关过程，用于研究次同步振荡等新型问题。近年来，实时数字仿真器的发展，使得能够将真实的物理控制装置接入仿真闭环进行测试，大大提高了控制策略验证的可靠性和效率。这些仿真工具构成了研究、分析和解决振荡问题的“数字实验室”。

       十五、 未来展望：从被动抑制到主动免疫

       未来电力系统振荡防御技术的发展方向，是从“被动抑制”走向“主动免疫”和“自适应恢复”。一方面，随着人工智能、大数据技术的发展，基于广域测量系统海量数据的深度学习算法，有望实现振荡模式的在线实时精准辨识、溯源和早期预警。另一方面，自适应控制、模型预测控制等先进控制理论将被应用于电力系统稳定器和灵活交流输电系统装置，使其能根据系统实时运行状态自动优化控制参数，适应更复杂的工况。最终目标是构建一个具有强韧性的电网，能够感知、抵御、吸收振荡扰动并快速恢复，确保供电的持续稳定。

       十六、

       电力系统振荡，这一隐藏在稳定供电背后的动态挑战，是电力工程领域经久不衰的研究课题。它从简单的机械类比出发，却延伸至复杂的数学、控制、电力电子等多学科交叉前沿。理解振荡，不仅是为了应对威胁，更是为了深刻把握电力系统作为一个复杂动态巨系统的内在规律。从传统的同步机世界迈向“双高”新型电力系统，振荡的形式在变，机理在变，但对其“阻尼”的追求——即对系统自身平息扰动、回归平衡能力的追求——始终不变。这需要一代代电力科技工作者持续探索，也值得我们每一位享受电力文明成果的人投以关注与了解，因为电网的稳定，关乎现代社会的每一次脉动。