基于共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉健+郄凱旋+王德周+吳強(qiáng)

摘 要：本文分析了電力系統(tǒng)中共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源的應(yīng)用，闡述了在當(dāng)前形勢(shì)下，加強(qiáng)對(duì)共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的重要性，針對(duì)目前共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：共振機(jī)理；低頻振蕩擾動(dòng)源；電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM 712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

電力系統(tǒng)中發(fā)生低頻振蕩的問(wèn)題，其共振機(jī)理是解釋這一問(wèn)題的理論之一，本文主要通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)功率變化的原因進(jìn)行研究，并結(jié)合MATLAB建立了相關(guān)的機(jī)網(wǎng)耦合模型。通過(guò)對(duì)鍋爐燃燒率擾動(dòng)和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)擾動(dòng)的分析，進(jìn)而達(dá)到研究的目的。

1低頻振蕩的概念和發(fā)生條件

低頻振蕩主要是指在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，由于發(fā)電機(jī)組在干擾下轉(zhuǎn)子之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)搖擺，并且輸電線路上的功率會(huì)發(fā)生頻率很低的振蕩。低頻振蕩的產(chǎn)生主要分為兩個(gè)方面：一是長(zhǎng)距離、重負(fù)荷輸電線上；二是采用的是勵(lì)磁系統(tǒng)。低頻振蕩發(fā)生后可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，但有可能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致震蕩幅值持續(xù)增長(zhǎng)引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞。

2低頻振蕩的共振機(jī)理

在電力系統(tǒng)中，通常發(fā)電機(jī)采用二階經(jīng)典模型表示單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)，二階常系數(shù)非齊次微分方程式通過(guò)將轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程在工作點(diǎn)處線性化得到：

（1）

式中，H 為轉(zhuǎn)子慣性常數(shù)，為阻尼系數(shù)，為同步力矩系數(shù)，為轉(zhuǎn)子角偏移，為機(jī)械的功率變化。通常我們將原動(dòng)機(jī)功率的變化忽視后，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式也發(fā)生了相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)化為二階常系數(shù)齊次微分方程，而當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率不能進(jìn)行忽略時(shí)，會(huì)采用特解進(jìn)行對(duì)方程式的解讀。通過(guò)上述方程可用求極值的方式算出當(dāng)振幅達(dá)到最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的角的頻率為：

（2）

式中為系統(tǒng)無(wú)阻尼自然振蕩角頻率，為阻尼因子。

通過(guò)該公式可以看出角頻率比系統(tǒng)無(wú)阻尼自然振蕩角頻率要小。

3汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性

控制轉(zhuǎn)速和負(fù)荷是調(diào)速系統(tǒng)的基本功能，現(xiàn)在主要使用的是數(shù)字電液調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定的靈活性。調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為四個(gè)部分：感應(yīng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及反饋機(jī)構(gòu)。速度變動(dòng)率不能太大也不能太小。如果變動(dòng)率過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升引起汽輪機(jī)出現(xiàn)安全運(yùn)行的問(wèn)題；如果速度變動(dòng)率過(guò)小，則會(huì)引起負(fù)荷擺動(dòng)的現(xiàn)象。因此速度變動(dòng)率的值一般取為5%。實(shí)際情況下速度變動(dòng)率各段的數(shù)值是不一樣的。如圖1所示。在某一個(gè)階段的速度變動(dòng)力過(guò)小，靜態(tài)特性曲線出現(xiàn)平穩(wěn)的情況，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)會(huì)出現(xiàn)比較大的變化。

4仿真模型及結(jié)果

在圖2的調(diào)速系統(tǒng)模型中，各參數(shù)為，，，速度限制p.u./s（開(kāi)啟），p.u./s（關(guān)閉）。

調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)度擾動(dòng)引起的汽輪機(jī)功率變化可以用汽輪機(jī)模型來(lái)表示，，，，，.

參數(shù)為：

經(jīng)過(guò)計(jì)算：

，

，

。將上述帶入到（2）中?？沙觯瑢?duì)應(yīng)的共振頻率為。

仿真結(jié)果：

在對(duì)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線進(jìn)行仿真分析時(shí)，取局部（2%速度變動(dòng)率）。如果輸入汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子速度偏差擾動(dòng)頻率為系統(tǒng)共振頻0.997Hz，脈動(dòng)形式為，擾動(dòng)幅值為0.003p.u.

從仿真的結(jié)果我們可以看出，假如汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)靜特性結(jié)果不在理想的范圍內(nèi)，并且速度變動(dòng)率存在局部過(guò)小的問(wèn)題，這樣就會(huì)使調(diào)節(jié)汽門(mén)的開(kāi)度變化受到運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)子速度擾動(dòng)偏差較小時(shí)產(chǎn)生較大的影響。引起電力系統(tǒng)較大幅值的震蕩的原因可能是當(dāng)擾動(dòng)頻率與系統(tǒng)固有振蕩頻率接近。

全液壓調(diào)速系統(tǒng)在當(dāng)前的電力系統(tǒng)中仍然有一部分的機(jī)組還在使用，通過(guò)脈沖泵對(duì)該調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)在進(jìn)行使用時(shí)，通常油泵會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)生脈動(dòng)的油壓，而該脈動(dòng)油壓會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量進(jìn)行干擾，導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)活塞出現(xiàn)振動(dòng)的情況，直接引起汽輪機(jī)功率產(chǎn)生波動(dòng)。其原因是當(dāng)全液壓調(diào)速系統(tǒng)油壓按照正弦規(guī)律脈動(dòng)時(shí)，油壓脈動(dòng)的頻率和電力系統(tǒng)固有頻率相接近。

結(jié)語(yǔ)

綜上，針對(duì)目前共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源問(wèn)題，本次研究對(duì)共振機(jī)理、汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性以及建立仿真模型進(jìn)行研究，希望能為技術(shù)實(shí)踐提供有益參考。

參考文獻(xiàn)

[1]徐千茹，文一宇，張旭航.電力系統(tǒng)低頻振蕩綜述[J].電力與能源，2014（01）：38-42.

[2]韓軍，田俊生.電力系統(tǒng)低頻振蕩研究綜述[J].長(zhǎng)治學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（05）：61-65.endprint

摘 要：本文分析了電力系統(tǒng)中共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源的應(yīng)用，闡述了在當(dāng)前形勢(shì)下，加強(qiáng)對(duì)共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的重要性，針對(duì)目前共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：共振機(jī)理；低頻振蕩擾動(dòng)源；電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM 712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

電力系統(tǒng)中發(fā)生低頻振蕩的問(wèn)題，其共振機(jī)理是解釋這一問(wèn)題的理論之一，本文主要通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)功率變化的原因進(jìn)行研究，并結(jié)合MATLAB建立了相關(guān)的機(jī)網(wǎng)耦合模型。通過(guò)對(duì)鍋爐燃燒率擾動(dòng)和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)擾動(dòng)的分析，進(jìn)而達(dá)到研究的目的。

1低頻振蕩的概念和發(fā)生條件

低頻振蕩主要是指在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，由于發(fā)電機(jī)組在干擾下轉(zhuǎn)子之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)搖擺，并且輸電線路上的功率會(huì)發(fā)生頻率很低的振蕩。低頻振蕩的產(chǎn)生主要分為兩個(gè)方面：一是長(zhǎng)距離、重負(fù)荷輸電線上；二是采用的是勵(lì)磁系統(tǒng)。低頻振蕩發(fā)生后可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，但有可能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致震蕩幅值持續(xù)增長(zhǎng)引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞。

2低頻振蕩的共振機(jī)理

在電力系統(tǒng)中，通常發(fā)電機(jī)采用二階經(jīng)典模型表示單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)，二階常系數(shù)非齊次微分方程式通過(guò)將轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程在工作點(diǎn)處線性化得到：

（1）

式中，H 為轉(zhuǎn)子慣性常數(shù)，為阻尼系數(shù)，為同步力矩系數(shù)，為轉(zhuǎn)子角偏移，為機(jī)械的功率變化。通常我們將原動(dòng)機(jī)功率的變化忽視后，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式也發(fā)生了相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)化為二階常系數(shù)齊次微分方程，而當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率不能進(jìn)行忽略時(shí)，會(huì)采用特解進(jìn)行對(duì)方程式的解讀。通過(guò)上述方程可用求極值的方式算出當(dāng)振幅達(dá)到最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的角的頻率為：

（2）

式中為系統(tǒng)無(wú)阻尼自然振蕩角頻率，為阻尼因子。

通過(guò)該公式可以看出角頻率比系統(tǒng)無(wú)阻尼自然振蕩角頻率要小。

3汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性

控制轉(zhuǎn)速和負(fù)荷是調(diào)速系統(tǒng)的基本功能，現(xiàn)在主要使用的是數(shù)字電液調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定的靈活性。調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為四個(gè)部分：感應(yīng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及反饋機(jī)構(gòu)。速度變動(dòng)率不能太大也不能太小。如果變動(dòng)率過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升引起汽輪機(jī)出現(xiàn)安全運(yùn)行的問(wèn)題；如果速度變動(dòng)率過(guò)小，則會(huì)引起負(fù)荷擺動(dòng)的現(xiàn)象。因此速度變動(dòng)率的值一般取為5%。實(shí)際情況下速度變動(dòng)率各段的數(shù)值是不一樣的。如圖1所示。在某一個(gè)階段的速度變動(dòng)力過(guò)小，靜態(tài)特性曲線出現(xiàn)平穩(wěn)的情況，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)會(huì)出現(xiàn)比較大的變化。

4仿真模型及結(jié)果

在圖2的調(diào)速系統(tǒng)模型中，各參數(shù)為，，，速度限制p.u./s（開(kāi)啟），p.u./s（關(guān)閉）。

調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)度擾動(dòng)引起的汽輪機(jī)功率變化可以用汽輪機(jī)模型來(lái)表示，，，，，.

參數(shù)為：

經(jīng)過(guò)計(jì)算：

，

，

。將上述帶入到（2）中?？沙?，對(duì)應(yīng)的共振頻率為。

仿真結(jié)果：

在對(duì)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線進(jìn)行仿真分析時(shí)，取局部（2%速度變動(dòng)率）。如果輸入汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子速度偏差擾動(dòng)頻率為系統(tǒng)共振頻0.997Hz，脈動(dòng)形式為，擾動(dòng)幅值為0.003p.u.

從仿真的結(jié)果我們可以看出，假如汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)靜特性結(jié)果不在理想的范圍內(nèi)，并且速度變動(dòng)率存在局部過(guò)小的問(wèn)題，這樣就會(huì)使調(diào)節(jié)汽門(mén)的開(kāi)度變化受到運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)子速度擾動(dòng)偏差較小時(shí)產(chǎn)生較大的影響。引起電力系統(tǒng)較大幅值的震蕩的原因可能是當(dāng)擾動(dòng)頻率與系統(tǒng)固有振蕩頻率接近。

全液壓調(diào)速系統(tǒng)在當(dāng)前的電力系統(tǒng)中仍然有一部分的機(jī)組還在使用，通過(guò)脈沖泵對(duì)該調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)在進(jìn)行使用時(shí)，通常油泵會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)生脈動(dòng)的油壓，而該脈動(dòng)油壓會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量進(jìn)行干擾，導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)活塞出現(xiàn)振動(dòng)的情況，直接引起汽輪機(jī)功率產(chǎn)生波動(dòng)。其原因是當(dāng)全液壓調(diào)速系統(tǒng)油壓按照正弦規(guī)律脈動(dòng)時(shí)，油壓脈動(dòng)的頻率和電力系統(tǒng)固有頻率相接近。

結(jié)語(yǔ)

綜上，針對(duì)目前共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源問(wèn)題，本次研究對(duì)共振機(jī)理、汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性以及建立仿真模型進(jìn)行研究，希望能為技術(shù)實(shí)踐提供有益參考。

參考文獻(xiàn)

[1]徐千茹，文一宇，張旭航.電力系統(tǒng)低頻振蕩綜述[J].電力與能源，2014（01）：38-42.

[2]韓軍，田俊生.電力系統(tǒng)低頻振蕩研究綜述[J].長(zhǎng)治學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（05）：61-65.endprint

摘 要：本文分析了電力系統(tǒng)中共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源的應(yīng)用，闡述了在當(dāng)前形勢(shì)下，加強(qiáng)對(duì)共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的重要性，針對(duì)目前共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：共振機(jī)理；低頻振蕩擾動(dòng)源；電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM 712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

電力系統(tǒng)中發(fā)生低頻振蕩的問(wèn)題，其共振機(jī)理是解釋這一問(wèn)題的理論之一，本文主要通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)功率變化的原因進(jìn)行研究，并結(jié)合MATLAB建立了相關(guān)的機(jī)網(wǎng)耦合模型。通過(guò)對(duì)鍋爐燃燒率擾動(dòng)和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)擾動(dòng)的分析，進(jìn)而達(dá)到研究的目的。

1低頻振蕩的概念和發(fā)生條件

低頻振蕩主要是指在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，由于發(fā)電機(jī)組在干擾下轉(zhuǎn)子之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)搖擺，并且輸電線路上的功率會(huì)發(fā)生頻率很低的振蕩。低頻振蕩的產(chǎn)生主要分為兩個(gè)方面：一是長(zhǎng)距離、重負(fù)荷輸電線上；二是采用的是勵(lì)磁系統(tǒng)。低頻振蕩發(fā)生后可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，但有可能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致震蕩幅值持續(xù)增長(zhǎng)引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞。

2低頻振蕩的共振機(jī)理

在電力系統(tǒng)中，通常發(fā)電機(jī)采用二階經(jīng)典模型表示單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)，二階常系數(shù)非齊次微分方程式通過(guò)將轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程在工作點(diǎn)處線性化得到：

（1）

式中，H 為轉(zhuǎn)子慣性常數(shù)，為阻尼系數(shù)，為同步力矩系數(shù)，為轉(zhuǎn)子角偏移，為機(jī)械的功率變化。通常我們將原動(dòng)機(jī)功率的變化忽視后，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式也發(fā)生了相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)化為二階常系數(shù)齊次微分方程，而當(dāng)原動(dòng)機(jī)功率不能進(jìn)行忽略時(shí)，會(huì)采用特解進(jìn)行對(duì)方程式的解讀。通過(guò)上述方程可用求極值的方式算出當(dāng)振幅達(dá)到最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的角的頻率為：

（2）

式中為系統(tǒng)無(wú)阻尼自然振蕩角頻率，為阻尼因子。

通過(guò)該公式可以看出角頻率比系統(tǒng)無(wú)阻尼自然振蕩角頻率要小。

3汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性

控制轉(zhuǎn)速和負(fù)荷是調(diào)速系統(tǒng)的基本功能，現(xiàn)在主要使用的是數(shù)字電液調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定的靈活性。調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為四個(gè)部分：感應(yīng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及反饋機(jī)構(gòu)。速度變動(dòng)率不能太大也不能太小。如果變動(dòng)率過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升引起汽輪機(jī)出現(xiàn)安全運(yùn)行的問(wèn)題；如果速度變動(dòng)率過(guò)小，則會(huì)引起負(fù)荷擺動(dòng)的現(xiàn)象。因此速度變動(dòng)率的值一般取為5%。實(shí)際情況下速度變動(dòng)率各段的數(shù)值是不一樣的。如圖1所示。在某一個(gè)階段的速度變動(dòng)力過(guò)小，靜態(tài)特性曲線出現(xiàn)平穩(wěn)的情況，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)會(huì)出現(xiàn)比較大的變化。

4仿真模型及結(jié)果

在圖2的調(diào)速系統(tǒng)模型中，各參數(shù)為，，，速度限制p.u./s（開(kāi)啟），p.u./s（關(guān)閉）。

調(diào)節(jié)汽門(mén)開(kāi)度擾動(dòng)引起的汽輪機(jī)功率變化可以用汽輪機(jī)模型來(lái)表示，，，，，.

參數(shù)為：

經(jīng)過(guò)計(jì)算：

，

，

。將上述帶入到（2）中?？沙?，對(duì)應(yīng)的共振頻率為。

仿真結(jié)果：

在對(duì)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線進(jìn)行仿真分析時(shí)，取局部（2%速度變動(dòng)率）。如果輸入汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子速度偏差擾動(dòng)頻率為系統(tǒng)共振頻0.997Hz，脈動(dòng)形式為，擾動(dòng)幅值為0.003p.u.

從仿真的結(jié)果我們可以看出，假如汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)靜特性結(jié)果不在理想的范圍內(nèi)，并且速度變動(dòng)率存在局部過(guò)小的問(wèn)題，這樣就會(huì)使調(diào)節(jié)汽門(mén)的開(kāi)度變化受到運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)子速度擾動(dòng)偏差較小時(shí)產(chǎn)生較大的影響。引起電力系統(tǒng)較大幅值的震蕩的原因可能是當(dāng)擾動(dòng)頻率與系統(tǒng)固有振蕩頻率接近。

全液壓調(diào)速系統(tǒng)在當(dāng)前的電力系統(tǒng)中仍然有一部分的機(jī)組還在使用，通過(guò)脈沖泵對(duì)該調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)在進(jìn)行使用時(shí)，通常油泵會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)生脈動(dòng)的油壓，而該脈動(dòng)油壓會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量進(jìn)行干擾，導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)活塞出現(xiàn)振動(dòng)的情況，直接引起汽輪機(jī)功率產(chǎn)生波動(dòng)。其原因是當(dāng)全液壓調(diào)速系統(tǒng)油壓按照正弦規(guī)律脈動(dòng)時(shí)，油壓脈動(dòng)的頻率和電力系統(tǒng)固有頻率相接近。

結(jié)語(yǔ)

綜上，針對(duì)目前共振機(jī)理的低頻振蕩擾動(dòng)源問(wèn)題，本次研究對(duì)共振機(jī)理、汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性以及建立仿真模型進(jìn)行研究，希望能為技術(shù)實(shí)踐提供有益參考。

參考文獻(xiàn)

[1]徐千茹，文一宇，張旭航.電力系統(tǒng)低頻振蕩綜述[J].電力與能源，2014（01）：38-42.

[2]韓軍，田俊生.電力系統(tǒng)低頻振蕩研究綜述[J].長(zhǎng)治學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（05）：61-65.endprint