汽輪機功率擾動對電力系統低頻振蕩的影響

0低頻振蕩機理研究低頻振蕩是電氣系統中常見的動態穩定性問題之一。隨著我國電力需求的不斷增長以及互聯大電網的形成,電網低頻振蕩問題顯得尤為突出。2005—2006年我國南方電網、華北電網和華中電網多次發生大范圍的低頻振蕩,有些振蕩產生的原因還不清楚。電力系統低頻振蕩一旦發生,可能會持續一段時間消失,也可能振蕩幅值保持增長,破壞系統的穩定性。因此,對低頻振蕩機理進行研究并采取相應的抑制措施具有非常重要的意義。負阻尼機理是解釋低頻振蕩的重要理論。文獻運用阻尼轉矩概念對單機無窮大系統的低頻振蕩進行了分析。經過多年的完善和實踐的檢驗,負阻尼原理成為公認的低頻振蕩的機理。按照它的思想設計的電力系統穩定器,對低頻振蕩起到了很好的抑制作用。但是,隨著更多的低頻振蕩被記錄下來,有些低頻振蕩現象通過負阻尼機理無法解釋。例如,在北美曾出現過不同尋常的振蕩過程,在我國河北南部電網的安保線也多次發生等幅的低頻振蕩,按照負阻尼機理安裝了PSS,但是振蕩依然時有發生。針對未知機理的低頻振蕩,國內外學者展開了大量的研究。分歧理論和混沌現象是考慮電力系統非線性而提出的新理論;參數諧振理論主要在設計和制造時加以考慮;文獻中最早提到了電機自振角速度與外加機械轉矩振蕩角速度相近所造成的振蕩。文獻從頻率角度分析了強制功率振蕩在單機和多機系統中的振蕩情況。文獻在原動機輸出功率上加正弦擾動,其頻率與電力系統自然頻率接近,結果系統出現大幅值的等幅功率振蕩,這個仿真結果與河北南部電網發生的低頻振蕩的振蕩特征十分相似,從而說明在現場中存在共振機理低頻振蕩這一現象。文獻通過仿真得出了汽輪機蒸汽壓力脈動可能引起電力系統共振機理低頻振蕩。文獻通過仿真得出了汽輪機調節汽門擾動可能引發電力系統共振機理的低頻振蕩。本文綜合考慮汽輪機調速系統和電氣系統的相互影響,從調速系統中尋找共振機理低頻振蕩的擾動源。通過建立機網耦合模型,分析調速系統擾動是否會引起汽輪機調節汽門開度變化,從而引發電力系統低頻振蕩。1阻尼等幅振蕩角頻率的變化對于單機無窮大系統,發電機采用二階經典模型表示,將轉子運動方程在工作點處線性化可得式中:H為轉子慣性常數;KD為阻尼系數;KS為同步力矩系數;Δδ為轉子角偏移;ΔPm為機械功率變化。式(1)為二階常系數非齊次微分方程,其解包括通解和特解兩部分。通解即是對應的齊次方程的解,其解的形式為:式中:ω0為系統無阻尼自然振蕩角頻率,;β為阻尼因子,β=KD/4H;A0和φ0是由初始條件決定的兩個積分常數A0e-βt可以看作是隨時間變化的振幅。。而特解則跟機械功率變化△Pm有直接關系。假設△Pm=Rcosωt,則特解形式為:式中:r=2H;ω為原動機功率變化角頻率。可見,特解的振蕩頻率與原動機功率變化角頻率一致。綜合式(3)和式(4),可得式(1)的解當系統阻尼為正時,與阻尼有關的通解衰減以后,余下的特解表現為等幅振蕩。如果原動機功率的變化頻率與系統固有低頻振蕩頻率接近,這個等幅振蕩的幅值會非常大,這就是共振機理的低頻振蕩。對式(3)中的振幅,用求極值的方法可以得到振幅達到極大值時對應的角頻率為:至此,問題的關鍵是原動機功率是否會出現低頻擾動,哪些因素可能導致原動機功率發生變化。2配線速度變動率的靜態特性調速系統的基本功能是控制轉速和負荷。老式機組采用機械液壓調速系統;后來出現了電子液壓調速系統,它提供了更多的靈活性和自適應能力;新投產的大型機組采用數字電液調速系統,由于能用軟件實現控制功能,所以具有相當大的靈活性。各種類型的調速系統,一般都由感應機構、傳動放大機構、執行機構和反饋機構四大部分組成。在穩定工況下,調速系統的輸入量(轉速變化△ω)與輸出量(汽門開度變化△uT)之間的對應關系稱為調速系統的靜態特性。調速系統的靜態特性是由感應機構、傳動放大機構、執行機構和反饋機構共同決定的。速度變動率和遲緩率是衡量調速系統靜態特性的兩個指標。速度變動率R定義為:式中:ωNL為空載穩態轉速;ωFL為滿載穩態轉速;ω0為額定轉速。速度變動率不宜過大或過小。速度變動率過大,靜態特性曲線過陡,會使汽輪機在甩負荷時轉速上升過大,發生超速以至影響汽輪機的安全運行;速度變動率過小,又會使靜態特性曲線過于平緩,容易引起負荷擺動。所以速度變動率R的值通常在3%～6%范圍內,一般取5%。在理想情況下,調速系統的靜態特性曲線是一條斜線,即速度變動率恒定,如圖1所示;但是,實際上調速系統靜態特性曲線并不是一條斜線,即速度變動率各段可能不同,如圖2所示。可能出現某段的速度變動率過小,靜態特性曲線過于平緩,當汽輪發電機轉子速度波動時,汽輪機調節汽門將會出現較大變化。3發電機各參數的計算圖3所示的調速系統模型中,各參數為KG=20(5%速度變動率),TSR=0.1s,TSM=0.3,速率限制LC1=0.1p.u./s(開啟),LC2=-0.1p.u./s(關閉)。調節汽門開度擾動引起的汽輪機功率變化可以用圖4所示的汽輪機模型來表示。該模型中的各參數采用文獻中提供的數值。FHP=0.3,FIP=0.3,FLP=0.4,TCH=0.2s,TRH=7.0s,TCO=0.5s。以單機無窮大系統為例,汽輪機機械功率擾動與發電機電磁功率之間的關系可以用圖5表示。圖5中各參數為:H=3.5s,KD=0,K1=0.7643,K2=0.8649,K3=0.3230,K4=1.4187,K5=-0.1463,K6=0.4168,T3=2.365,TR=0.02,Gex(s)=200;KSTAB=6.34,TW=1.4s,T1=0.154s,T2=0.033s。經過計算:KS=K1+KS(AVR+PSS)=0.8743,KD=KD(AVR)+KD(PSS)=6.443,H=3.5s。將上述數據代入到式(5)中,可以得到系統共振的角頻率ωr=6.263rad/s,對應的共振頻率為fr=0.997Hz。4全液壓調節系統動態特性對調速系統靜態特性曲線存在速度變動率局部過小的情況進行仿真分析,取局部KG=50(2%速度變動率)。假定輸入汽輪機調速系統的轉子速度偏差擾動頻率為系統共振頻率0.997Hz,脈動形式為△uT==Asin(2πft+φ),擾動幅值為0.004p.u.,擾動時間起始時刻為第5s,擾動消失時刻為第20s。仿真結果如圖6～9所示。從仿真得出的結果可以看出,如果汽輪機調速系統靜特性不理想,存在速度變動率局部過小的問題,那么在該運行點轉子速度偏差很小的擾動將會引起很大的調節汽門開度變化。當擾動頻率與系統固有振蕩頻率接近時,可能引起電力系統較大幅值的功率振蕩。目前電力系統中還有一部分機組采用全液壓調速系統,該調速系統中轉速的測量是通過脈沖泵來實現的。在應用全液壓調節系統時,經常出現油泵所產生的油壓是脈動的。這種干擾測量轉速的脈動油壓,會引起油動機活塞的振動,從而引起汽輪機功率的波動。由于脈沖泵出口壓力和轉速的平方成正比,可以列出如下的關系式:式中:n為脈沖泵的轉速;K為比例常數;p為脈沖泵的出口壓力。對上式線性化,則:速度變動率為:若速度變動率δ=5%,油泵出口壓力P=0.49MPa,則△pmax=0.049MPa。也就是說,當油泵壓力有0.049MPa的變化時,閥門開度將變化100%。在仿真時,假定油壓按△p=Asin(2πft+Φ)形式脈動,幅值為0.03p.u.,頻率為系統固有頻率0.997Hz,擾動時間起始時刻為第20s,擾動消失時刻為第35s,則仿真結果如圖10～12所示。可見,如果全液壓調速系統油壓按正弦規律脈動,其頻率與固有頻率接近時,可以引起電力系統共振機理的低頻振蕩。5電力系統