電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩非線性現(xiàn)象的研究

摘 要：電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致了機(jī)電振蕩現(xiàn)象，對(duì)機(jī)電振蕩現(xiàn)象的研究，有利于區(qū)域電網(wǎng)的研究。電力系統(tǒng)作為一個(gè)非線性系統(tǒng)，其非線性特性一定會(huì)對(duì)機(jī)電振蕩產(chǎn)生影響。所以，采用非線性化的分析方法，通過(guò)獲得電力系統(tǒng)的機(jī)電振蕩響應(yīng)軌跡，能夠更準(zhǔn)確的得出系統(tǒng)在非線性程度不同時(shí)，響應(yīng)曲線的變化。基于此，本文就電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩的非線性現(xiàn)象展開分析。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；機(jī)電振蕩；非線性現(xiàn)象

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.205

0 前言

電力系統(tǒng)的非線性特性能夠直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定分析效果，因此受到了廣大電力研究人員大重視。電力系統(tǒng)非線性特性影響機(jī)電振蕩隨時(shí)間的推移，改變Prony分析等結(jié)果。近年來(lái)關(guān)于電力系統(tǒng)機(jī)電振蕩的非線性現(xiàn)象的研究，主要以模態(tài)級(jí)數(shù)法和正規(guī)形方法兩種，這兩種研究方法，都是將非線性方程應(yīng)用泰勒級(jí)數(shù)在平衡點(diǎn)處展開，然后通過(guò)高階項(xiàng)來(lái)反映出不同振蕩現(xiàn)象之間的交互作用。

1 影響電力系統(tǒng)變化的條件

電力系統(tǒng)的機(jī)電振蕩時(shí)，發(fā)電機(jī)的頻率、轉(zhuǎn)速、輸出電磁的功率也都會(huì)隨之發(fā)生變化。為更加清晰的分析電力系統(tǒng)的非線性現(xiàn)象，我們依據(jù)電力系統(tǒng)軌跡辨識(shí)技術(shù)中的時(shí)域仿真技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)仿真環(huán)境。在這一仿真環(huán)境中，給發(fā)電機(jī)一端加以三相短路故障，并給予不同的擾動(dòng)條件，然后觀察其功角、轉(zhuǎn)速以及輸出電磁功率的響應(yīng)曲線[1]。當(dāng)擾動(dòng)量為3個(gè)周波時(shí)間時(shí)，發(fā)電機(jī)的功角會(huì)發(fā)生連續(xù)突變，在電力系統(tǒng)的影響下，慢慢最時(shí)間逐漸減小，系統(tǒng)也漸漸恢復(fù)運(yùn)行穩(wěn)定的狀態(tài)。

當(dāng)擾動(dòng)量增大時(shí)，電力系統(tǒng)也會(huì)遭受更大的沖擊，當(dāng)非線性電力系統(tǒng)運(yùn)行的初始點(diǎn)開始遠(yuǎn)離穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，電力系統(tǒng)的故障響應(yīng)曲線的初始峰值會(huì)隨之增大，振蕩周期也相應(yīng)邊長(zhǎng)，頻率降低。電力系統(tǒng)的整體規(guī)模越大，其運(yùn)行系統(tǒng)就離穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)越遠(yuǎn)，非線性程度就會(huì)越強(qiáng)。這時(shí)如果發(fā)生機(jī)電振蕩，電力系統(tǒng)的頻率就會(huì)降低，甚至可能低于0.1Hz。當(dāng)擾動(dòng)量增大到一定程度時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)失去穩(wěn)定。

2 影響機(jī)電振蕩相應(yīng)變化的因素

準(zhǔn)確研究機(jī)電振蕩過(guò)程中的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功角、輸出電磁功率的變化現(xiàn)象，有利于機(jī)電振蕩抑制器的研究。在上述的仿真環(huán)境中，擾動(dòng)量達(dá)到6.5各周波時(shí)間時(shí)，電力系統(tǒng)會(huì)失去穩(wěn)定，當(dāng)擾動(dòng)量到達(dá)6個(gè)周波時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的初始振幅達(dá)到最大，非線性特性的影響作用也達(dá)到了穩(wěn)定域的最大值。當(dāng)擾動(dòng)量設(shè)置到6各周波時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)的阻尼也隨時(shí)間增加，減少振蕩幅值。這時(shí)，由于電力系統(tǒng)的非線性特性，當(dāng)振蕩周期達(dá)到短路故障時(shí)的最大值時(shí)，發(fā)電機(jī)的功角、轉(zhuǎn)速、輸出電磁功率的振蕩周期也會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸減少[2]。

利用來(lái)源于電力系統(tǒng)軌跡辨識(shí)技術(shù)和非線性特性的方法，如Prony 分析法、正規(guī)形方法等，都能夠獲取到系統(tǒng)的線下化低階模型，從而得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)，并由此確定電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。著中方法的應(yīng)用，能夠?yàn)檫M(jìn)一步設(shè)計(jì)機(jī)電振蕩抑制器提供有效參考。

3 無(wú)窮大電源存在小擾動(dòng)時(shí)電力系統(tǒng)的機(jī)電振蕩變化

電力系統(tǒng)中的負(fù)荷波動(dòng)與勵(lì)磁調(diào)速系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定性，會(huì)為系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)持續(xù)性的小量擾動(dòng)。在一定條件下，可能會(huì)引起電力系統(tǒng)的大幅度功率震蕩。當(dāng)功率震蕩出現(xiàn)增幅狀態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致電力系統(tǒng)的解列。為此，我們簡(jiǎn)要研究一下小擾動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的機(jī)電振蕩的影響[3]。

首先，重新設(shè)置仿真環(huán)境如下：當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電源節(jié)點(diǎn)的電壓無(wú)窮大，其頻率、電壓、相角值都處于穩(wěn)定狀態(tài)，在無(wú)窮大電源穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，增加一定的小擾動(dòng)。當(dāng)無(wú)窮大電源節(jié)點(diǎn)內(nèi)擾動(dòng)量的頻率逐漸增大時(shí)，無(wú)窮大電源節(jié)點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小的擾動(dòng)量，電力系統(tǒng)的機(jī)電振蕩就會(huì)隨著其擾動(dòng)頻率的變化人變化。隨著道東頻率的不斷增加，機(jī)電振蕩的功角、轉(zhuǎn)速和電磁功率都會(huì)隨之呈現(xiàn)先增大再逐漸降低，并趨于穩(wěn)定的變化曲線。

根據(jù)此種變化影響，當(dāng)發(fā)電機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，存在振蕩頻率。當(dāng)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)頻率與電力系統(tǒng)的原有振蕩頻率逐漸接近時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生強(qiáng)迫功率振蕩現(xiàn)象[4]。在重新設(shè)置的仿真環(huán)境中，無(wú)窮大電源內(nèi)部的振動(dòng)頻率在1.1-1.2Hz時(shí)，當(dāng)擾動(dòng)頻率也處于該區(qū)間時(shí)，電力系統(tǒng)的振蕩幅值會(huì)處于峰值。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文以仿真環(huán)境為基礎(chǔ)，分析了電力系統(tǒng)的機(jī)電振蕩的非線性現(xiàn)象。當(dāng)仿真模型中增加擾動(dòng)量達(dá)到6.5各周波時(shí)間時(shí)，電力系統(tǒng)會(huì)失去穩(wěn)定。電力系統(tǒng)的非線性特性，會(huì)因地機(jī)電振蕩過(guò)程中，響應(yīng)曲線不一致的衰減速度，且非線性程度越高，其衰減速度越快；非線性程度越低，衰減速度也就越慢。當(dāng)對(duì)電力系統(tǒng)施加小量擾動(dòng)時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)出現(xiàn)強(qiáng)迫功率震蕩。電力系統(tǒng)阻尼對(duì)于機(jī)電振蕩現(xiàn)象能夠起到調(diào)節(jié)作用，但不能起到?jīng)Q定性作用。當(dāng)電力系統(tǒng)阻尼處于較強(qiáng)狀態(tài)時(shí)，擾動(dòng)頻率與原有頻率接近時(shí)，依舊會(huì)出現(xiàn)較大振蕩幅值的機(jī)電振蕩現(xiàn)象。

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作者簡(jiǎn)介：余冬平（1981-），男，浙江嘉興人，大專，助理工程師，主要研究方向：施工管理。endprint