電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在電廠中的應(yīng)用分析

閔廣鑫

摘 要：隨著科技水平的不斷提高，電網(wǎng)的應(yīng)用和范圍也隨之不斷擴(kuò)大。隨之而來的不僅僅是用電范圍的擴(kuò)大，同樣也伴隨著低頻振蕩等現(xiàn)象陸續(xù)的密集出現(xiàn)。而電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的低頻振蕩等現(xiàn)象，會(huì)引起電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)線的過電現(xiàn)象等從而引起電流跳閘等故障的發(fā)生，此外，由于電流的不穩(wěn)定也會(huì)在一定程度上加大電網(wǎng)運(yùn)載時(shí)的負(fù)荷。為了要解決這一現(xiàn)象的出現(xiàn)就要在電網(wǎng)中應(yīng)用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器來進(jìn)行維持電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的工作。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；低頻振蕩；應(yīng)用分析

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展勢必會(huì)在一定的程度上帶動(dòng)其他方面的進(jìn)步，而隨著國家電網(wǎng)工程覆蓋程度的逐漸加深，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)在不斷地?cái)U(kuò)大，同時(shí)也是由于這樣的原因電網(wǎng)本身也在逐漸變得更加復(fù)雜。大機(jī)組不斷增多，電網(wǎng)不斷的復(fù)雜化無疑在一定程度上加速了用電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，進(jìn)一步加大了用電網(wǎng)絡(luò)所具有的影響范圍和影響力。同時(shí)人們對生活中用電需求的不斷擴(kuò)大，也進(jìn)一步刺激了電網(wǎng)建設(shè)的擴(kuò)大。而不斷擴(kuò)大的電網(wǎng)中大范圍的，遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)以及電網(wǎng)中存在的自然阻尼也就決定了在實(shí)際的輸電送電過程中，有時(shí)會(huì)發(fā)生由系統(tǒng)內(nèi)自發(fā)產(chǎn)生的低頻振蕩現(xiàn)象。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響到了人們正常的生活用電，也阻礙了電網(wǎng)的深入建設(shè)。

1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器中低頻振蕩分析

想要對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的工作原理進(jìn)行全面的介紹，那么除了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器本身的相關(guān)介紹外，還需要進(jìn)行對于低頻振蕩這一現(xiàn)象的研究，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定器的主要工作對象就是低頻振蕩這一電磁現(xiàn)象，也就是說，只有將低頻振蕩現(xiàn)象的規(guī)律以及特點(diǎn)進(jìn)行全面分析，才能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定器進(jìn)行全面的了解，甚至通過對低頻振蕩現(xiàn)象的研究，可以對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器進(jìn)行一定程度的優(yōu)化。

1.1 低頻振蕩的含義

在最初的電廠和電網(wǎng)建立中，由于發(fā)電機(jī)之間存在的聯(lián)系較為密切，在阻尼的產(chǎn)生方面能夠產(chǎn)生足夠的阻尼，以減少低頻振蕩的發(fā)生。自從上世紀(jì)六、七十年代以來國外部分發(fā)達(dá)國家開始陸續(xù)出現(xiàn)了電網(wǎng)的低頻功率振蕩，也因此成為部分區(qū)域的電路故障引起了大量的經(jīng)濟(jì)損失，隨著電網(wǎng)范圍的不斷擴(kuò)大，發(fā)生這種低頻振蕩的事件也在逐漸增多，這一現(xiàn)象也引起了電力工作人員和相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。

低頻振蕩是一種常見于發(fā)電機(jī)以及輸電網(wǎng)絡(luò)中的電磁現(xiàn)象，在電力工作中通常情況下是指關(guān)聯(lián)較為微弱的電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)之間或通過電網(wǎng)產(chǎn)生微弱聯(lián)系的發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)組之間的有功振蕩現(xiàn)象。而在現(xiàn)代的電力系統(tǒng)中，低頻振蕩的頻率十分場低的，一般來說只有0.2到2.5赫茲之間，在建立了關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)中，低頻振蕩會(huì)通過本機(jī)振蕩以及系統(tǒng)振蕩兩種方式出現(xiàn)。

（1）本機(jī)振蕩是在電廠中發(fā)生的發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)的運(yùn)行中發(fā)生的擺動(dòng)現(xiàn)象，相對于其他情況下的振蕩來講，這種本機(jī)低頻振蕩頻率較低（通常情況下在0.7到2.0赫茲之間），影響的范圍和振蕩的局限較?。ㄍǔＪ前l(fā)生在機(jī)組的部分和電廠中的某個(gè)機(jī)組中），這也就使得本機(jī)振蕩實(shí)際影響的范圍較小，而且由于振蕩造成的影響也較為容易消除。

（2）系統(tǒng)振蕩主要是在電力系統(tǒng)中，不同機(jī)組之間發(fā)生的相對振蕩。振蕩的頻率較小一般在0.1到0.7赫茲之間，而發(fā)生的范圍主要是通過電網(wǎng)連接的兩個(gè)聯(lián)系較為薄弱的發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)組之間。

1.2 低頻振蕩的發(fā)生機(jī)理

低頻振蕩的發(fā)生并不是偶然的，它是由一系列相對獨(dú)立的機(jī)制或特征引起的復(fù)雜電磁現(xiàn)象。通過一系列的實(shí)驗(yàn)、分析、推理我們可以得出結(jié)論：引起低頻振蕩現(xiàn)象的主要因素包括欠阻尼機(jī)理、電力系統(tǒng)的非線性特征、發(fā)電機(jī)中的電磁慣性以及混沌振蕩等。也正是由于形成因素的繁雜也使得對低頻振蕩進(jìn)行研究時(shí)會(huì)有較大的難度，而且就很多因素進(jìn)行研究時(shí)還要構(gòu)建數(shù)學(xué)模型幫助進(jìn)行分析，而且在這其中由于參數(shù)不斷發(fā)生變化，得出的結(jié)論也有可能受此影響，進(jìn)而影響分析結(jié)論的最終成果。

1.3 抑制低頻振蕩的措施

對低頻振蕩的抑制方式主要可以根據(jù)低頻振蕩的產(chǎn)生原理分為一次系統(tǒng)的相關(guān)對策和二次系統(tǒng)的相關(guān)對策兩種方式來進(jìn)行對低頻振蕩的抑制工作。

（1）一次對策解決低頻振蕩問題的主要切入點(diǎn)是對于低頻振蕩發(fā)生機(jī)理的解決，也就是我們通常理解的從源頭解決，這種解決方式主要的著手點(diǎn)可以是通過對設(shè)施設(shè)備的合理改善，也可以是對輸電方式的改變來進(jìn)行。這其中較為重要的是：首先，可以從電力系統(tǒng)也就是電網(wǎng)之間的相互聯(lián)系入手，加強(qiáng)電廠間的聯(lián)系，減少運(yùn)行的負(fù)荷；之后是可以利用直流輸電的方式，直流電的輸送中電流并不會(huì)產(chǎn)生頻率波動(dòng)，因此也就從根本上杜絕了低頻振蕩的產(chǎn)生，最后是采用一定的設(shè)備，通過對輸電過程中的電壓進(jìn)行支持，將整個(gè)電網(wǎng)進(jìn)行改善。

（2）二次系統(tǒng)在改善低頻振蕩現(xiàn)象的過程中主要是靠利用一些其他方面的裝置來進(jìn)行，包括下文重點(diǎn)介紹的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、信號(hào)測量阻尼控制裝置等，這種控制形式在于一次控制的方式進(jìn)行對比不難得見，在安全性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性等方面都有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，而且在利用這些裝置對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，對低頻振蕩的消除能力要高于一次系統(tǒng)對策的。因此，目前二次系統(tǒng)對策中設(shè)計(jì)的相關(guān)設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了輸電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，并隨著電網(wǎng)建設(shè)的擴(kuò)大而不斷擴(kuò)大應(yīng)用的范圍。

2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在電廠中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（簡稱PSS），是對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行附加控制的一種特殊裝置，借助于能夠自動(dòng)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的相關(guān)裝置，對阻尼等電力系統(tǒng)中存在的元素進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，最后達(dá)到限制低頻振蕩等電路中不正常的電磁現(xiàn)象。

2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的工作原理

為了減小低頻振蕩的發(fā)生頻率，常將電力系統(tǒng)穩(wěn)定器加入到電網(wǎng)的系統(tǒng)當(dāng)中，而電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的技術(shù)核心是對附加勵(lì)磁的控制技術(shù)，勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器的工作中，將一種由于設(shè)備軸速的附加信號(hào)進(jìn)行引入，此時(shí)會(huì)形成一個(gè)正阻尼的轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn)矩就會(huì)對遠(yuǎn)門勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中負(fù)阻尼產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩起到中和的作用，這樣一來原本電網(wǎng)中的阻尼水平就會(huì)得到提高，也就可以解決在電網(wǎng)中發(fā)生的低頻振蕩問題了。在工作過程中，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器能夠?qū)φ袷幇l(fā)生的有關(guān)信號(hào)進(jìn)行分析，例如發(fā)電機(jī)的有功功率或者發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)產(chǎn)生的各種參數(shù)，然后將這些信息進(jìn)行分析，并根據(jù)分析的信號(hào)控制生成的相關(guān)阻尼對電網(wǎng)中產(chǎn)生的負(fù)阻尼進(jìn)行中和。

2.2 有PSS作用的小階躍試驗(yàn)

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器旨在減小有功功率振蕩，其作用與有功功率振蕩方向相反成為判斷PSS功能是否正確的首要標(biāo)準(zhǔn)。以某電廠的2號(hào)機(jī)為例，在給機(jī)組3%小階躍響應(yīng)過程中，隨著有功的增加，端電流增加，PSS作用減小勵(lì)磁電流，減小無功，減小電磁功率，來抑制機(jī)組的有功增加。PSS使得勵(lì)磁變化波形與有功相反。PSS起作用只是個(gè)短暫過程，在振蕩時(shí)，有功突然增加，PSS減小勵(lì)磁，有功突然減小，PSS增加勵(lì)磁。這個(gè)過程只是為了給有功變化一個(gè)緩沖，從而平息有功波動(dòng)。

2.3 反調(diào)試驗(yàn)

無功功率的“反調(diào)”是指增加機(jī)械功率輸入時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率會(huì)減少；相反，在減少機(jī)械功率輸入時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率會(huì)增加。PSS的原理是通過勵(lì)磁系統(tǒng)的作用抑制有功功率的低頻振蕩，可以說PSS是通過無功功率的波動(dòng)來抑制有功功率的波動(dòng)。采用單一電功率輸入信號(hào)的PSS在調(diào)整機(jī)組的機(jī)械功率輸入時(shí)會(huì)出現(xiàn)無功功率的“反調(diào)”現(xiàn)象。

某電廠采用雙輸入PSS，一個(gè)輸入量是ω，一個(gè)是P，三級超前滯后環(huán)節(jié)。原理是利用ω和P計(jì)算發(fā)電機(jī)機(jī)械功率ΔPm和電磁功率ΔPe，二者相減得到發(fā)電機(jī)的加速功率ΔPa，這樣當(dāng)機(jī)組單方向增負(fù)荷或單方向減負(fù)荷時(shí)，加速功率等于零，PSS不起作用即不產(chǎn)生無功反調(diào)。只有當(dāng)機(jī)組有功增減變化即振動(dòng)時(shí)，PSS才起作用，抑制系統(tǒng)低頻振蕩。以該廠8號(hào)機(jī)為例，當(dāng)機(jī)組有功負(fù)荷從90MW下降到80MW再上升到90MW的連續(xù)快速變化過程，大約經(jīng)歷了40s，平均調(diào)節(jié)速度為0.5%/s。在此試驗(yàn)過程中，未發(fā)現(xiàn)無功功率與有功功率調(diào)整方向相反的變換，機(jī)端電壓和無功功率基本保持穩(wěn)定。由此判斷，PSS投入閉環(huán)沒有給勵(lì)磁控制系統(tǒng)帶來功率反調(diào)問題，可以投入實(shí)際運(yùn)行。

盡管 PSS已是成熟的普遍技術(shù)，但它仍是消除互聯(lián)電網(wǎng)負(fù)阻尼低頻振蕩最經(jīng)濟(jì)有效的方法，從電廠的實(shí)際投入PSS裝置運(yùn)行以來，能抑制低頻振蕩、加強(qiáng)系統(tǒng)阻尼、提高電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

由于低頻振蕩在電網(wǎng)系統(tǒng)中的偶發(fā)性和廣泛性，因此在進(jìn)行電網(wǎng)擴(kuò)大化的建設(shè)過程中，有必要將電力系統(tǒng)穩(wěn)定器大范圍的引入，并應(yīng)用到電力系統(tǒng)當(dāng)中。而電力系統(tǒng)穩(wěn)定器也是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的電網(wǎng)穩(wěn)定裝置，根據(jù)多個(gè)頻段電力系統(tǒng)穩(wěn)定器共同作用的方式，將低頻振蕩以及其他電網(wǎng)頻率問題的發(fā)生頻率降至最低，并通過與電網(wǎng)同時(shí)進(jìn)行應(yīng)用范圍擴(kuò)大的方式使電網(wǎng)覆蓋范圍擴(kuò)大得更加穩(wěn)定。

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