（电气工程专业论文）普光电厂接入系统的振荡模式分析.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 电网日益增大使低频振荡问题日益突出，新建电厂接入系统时需要考虑对系 统稳定性的影响。本文从实际需要出发，以实际的山西电网为研究对象，研究在 建的普光电厂接入电网后对山西电网低频振荡的影响。分析了山西电网的特点， 建立了山西电网主要机组在内的小干扰稳定分析模型，在此基础上用m a t l a b 编制 了小干扰稳定分析程序，对山西电网进行低频振荡模式分析，总结了普光电厂接 入系统后对整个山西电网低频振荡的影响，最后给出山西电网在典型运行方式下 普光电厂p s s 配置的建议。对于实际工作有一定的指导意义。 关键词：低频振荡，电力系统稳定器，模式分析，普光电厂，阻尼 a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gn e t w o r km a k e sl o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o nm o r ea n dt h e s t a b i l i t yn e e d st ob ec o n s i d e r e dw h e nt h en e w l yf o u n d e de l e c t r i c p l a n ti s c o n n e c t e dw i t ht h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t ，t a k i n gs h a n x i p o w e rn e t w o r ka ss u b j e c ti n v e s t i g a t e d ，t h ep a p e rs t u d i e st h ee f f e c to fp u g u a n g p l a n to nl o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o no fs h a n x ip o w e rg r i d t h ep a p e ra n a l y s e st h e f e a t u r eo fs h a n x ip o w e rg r i d ，e s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i cm o d e lt h a ti sf i tf o r s t a b i l i t ya n a l y s i sw i t hs m a l lt u r b u l e n c e ，p r o g r a m ss m a l ld i s t u r b a n c es t a b i l i t ya n a l y s i s p r o g r a ma n da n a l y s e st h el o w 一丘e q u e n c yo s c i l l a t i o no f s h a n x ip o w e rg r i d f i n a l l nw e s u m m a r i z et h ee f f e c to nl o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o no fs h a n x ip o w e rg r i dw h e nt h e p u g u a n gp l a n ti sc o n n e c t e dw i t ht h ep o w e rs y s t e ma n dm a k eas u g g e s t i o no n a r r a n g e m e n to fp s so fp u g u a n gp l a n tu n d e rt h et y p i c a lm o d eo fo p e r a t i o no fs h a n x i p o w e rg r i d t h ep a p e rh a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c eo np r a c t i c a lo p e r a t i o no f p o w e rg r i d w uz h o n g d a ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a os h u q i a n ga n dl ij i a n s h e k e yw o r d s ：l o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n ，p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r , m o d a la n a l y s i s ， p u g u a n ge l e c t r i cp o w e rp l a n t ，d a m p i n g 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文普光电厂接入系统的振荡模式 分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了游意。 娜s p 6 f | 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阕； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期： 口6 ，1 日期：丝堕! - f f 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的提出 自从2 0 世纪6 0 年代美国的西北与西南联合系统试行互联时，首次观察到低频振荡 ( l o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n ：l f o ) 现象以来，l f o 一直是电力系统稳定运行中备受关注的 重要问题之一“1 。在电力系统中，发电机经输电线路并列运行时，在小扰动的作用 下，发电机转子之间会发生相对摇摆，这时电力系统如果缺乏必要的阻尼就会失去 动态稳定。由于电力系统的非线性特性，动态失稳表现为发电机转予间的持续的振 荡，同时输电线路上功率也发生相应的振荡，影响了功率的正常输送。由于这种持 续振荡的频率很低，一般在0 2 2 5 h z 之间，故称为低频振荡。同一电力系统可 能会出现多个不同频率的低频振荡，每一种频率的振荡称为一个低频振荡模式。低 频振荡模式都是机电振荡模式，即与发电机转子运动和电磁回路都相关的振荡模 式，由于发电机组的惯性比较大，因此它们表现为低频振荡。系统l f o 一经开始， 可能持续一段时间后消失，也可能振荡幅值持续增长，以致破坏两互联系统之间的静稳 定，最终使互联系统解列；长时间的持续振荡可i i i i 起继电保护及其自动装置的误动作 和运行人员的误操作。由于l f o 频率较低、周期较长、波及面较广，给电力系统带来的 危害也就较大。 电力系统低频振荡在国内外均有发生，通常出现在远距离、重负荷输电线路上， 或者互联系统的弱联络线上，在采用快速响应高放大倍数励磁系统的条件下更容易 出现。在国外，首次观察到低频振荡是在美国的西部系统，1 9 6 6 年在其西北系统与 西南系统试行互联时观察到每分钟6 周的低频振荡。在国内，1 9 7 9 年4 月在广东到 九龙的弱联络线上首先观察到低频振荡，其后如南通一崇明岛传输线“、河北省的 安( 上安电厂) 一保( 保定) 传输线1 、南方互联电网“”、四川二滩电厂“”及湖北葛洲 坝“”等地区均发生了不同程度的低频振荡。 低频振荡有两种表现方式：一种称为区间振荡模式，它是系统的一部分机群相 对于另一部分机群的振荡，其频率为0 2 0 6 h z ；另一种则称为局部振荡模式，其 频率为0 6 2 5 h z ，它是同一电厂内的发电机( 或电气距离很近的几个发电厂的发 电机) 与系统内的发电机之间的振荡。 一般认为，发生低频振荡的主要原因是，现代电力系统的特点造成了电气距离 的增大，系统对于机械模式( 其频率由等值发电机的机械惯性决定) 的阻尼减少了， 特别是远距离重负荷输电对；同时由于励磁系统的滞后特性，使得发电机产生一个 负的阻尼转矩，导致了低频振荡的发生。 目前，电力紧缺成为制约我国经济发展的一大拦路虎。电力供需形势紧张，电荒的 华北电力大学工程硕士学位论文 大范围出现，使电力发展的问题备受瞩目，各大发电集团公司纷纷加大了电源建设的力 度。为了缓解晋南地区用电紧张的局面和促进山西、华j b 地区经济快速发展，隶属于中 国电力投资集团的山西永济电厂开始了技改扩建建设，该工程( 又称普光电厂) 装机容 量为2 3 0 0 m w ，只通过一条2 5 公里5 0 0 k v 输电线路与系统相连，将于2 0 0 4 年1 2 月 开工2 0 0 6 年9 月首台机组发电投产，由于晋南与晋北的联系较弱，所以对于新建电厂 接入系统后对系统的稳定性影响以及整个系统的动态稳定性需要重新进行分析。低频振 荡作为互联电网动态稳定性分析的一个重要方面，是不容忽视的。所以本文以普光电厂 接入系统后振荡模式的分析为课题有重要的实际意义。 1 2 多机电力系统低频振荡的分析方法 传统上，电力系统低频振荡属于小干扰稳定性的研究范畴，研究电力系统小干 扰稳定性问题，可以采用频域分析方法，也可以采用时域分析方法。 用频域法研究电力系统小干扰稳定性的最大优点是可以纵观全局。在一个计第 研究结果中，可以得到全系统所有机电振荡模式的阻尼特性的信息，据此即可知道 在一个n 机电力系统中是否存在负阻尼、零阻尼或弱阻尼振荡模式，还可以知道这 些模式的振荡频率、衰减系数和阻尼比。当进一步采用特征向量分析、参与矩阵分 析或特征根灵敏度分析方法进行研究后，还可以找出产生负阻尼的原因、地点。 频域法的主要缺点是，它采用了线性化的电力系统数学模型，不能很好地考虑 各种非线性因素：所研究系统的同步电机的台数不能太多，而且同步发电机一般只 采用e 。变化模型：电力系统中负荷的模型还不能考虑其动特性，上述因索综合起 来。使计算的结果往往偏于严重。 时域法分析电力系统小干扰稳定性，又可以分两种情况，一种是对系统的特征 方程式进行时域求解，其结果与频域法的结果是完全符合的：另一种方法是利用暂 态稳定分析程序，施以适当的小干扰后求解时域响应特性。 时域法研究小干扰稳定性时的稳定判据是系统状态变量对时间的响应曲线。当 响应曲线是增幅性振荡时，阻尼为负，系统是不稳定的：响应曲线为等幅振荡时， 阻尼为零，系统处于临界状态，也属不稳定之列：响应曲线为衰减振荡时，阻尼为 正，系统是稳定的；当响应曲线为单调增长时，系统将出现滑行失步，系统也是不 稳定的。 时域法( 指用暂态稳定分析程序) 的主要优点是结果清晰、明了、直观，可以考 虑更多的机组，每台机组可以用更高阶数的方程描述从而得到更准确的模型还可 更详细地考虑负荷的静特性和动特性，因而使研究结果更接近于实际。 时域法的主要缺点是不能纵观全局，对一个复杂的多机系统，时域法不能同时 获得全系统所有机电模式的全部信息。一个状态量的时域响应曲线，包含了所有模 式的信息以不同比例的合成。时域响应曲线还和施加扰动量的大小、地点有关。当 2 华北电力大学i ：毪硕士学位论文 时域解的响应曲线表明系统是不稳定时，要找出振荡源出现在系统的哪一部分比较 困难。但当需要具体研究某个电厂的机组是否出现不稳定时，由于时域法具有结果 直观，能考虑更多因素的优点，它可以得到满意的结果。特别需要指出的是，当要 用系统试验的方法来研究或考核频域法的研究结果时，在系统试验前用时域法进行 研究是必要的和有益的。 由于在实际多机系统低频振荡分析中，多采用频域法进行分析研究，下面仅对 频域法中的不同分析方法进行概述。 1 2 1 线性分析方法 特征分析法，又称复频域法，即根据系统在某个运行点线性化后的全系统状态 方程，求出其特征根和特征向量，并以此为基础分析系统的振荡情况。特征分析法 的核心是计算系统状态矩阵的特征根。近几十年来，矩阵特征根计算一直是数学上 一个活跃的研究领域，但到目前为止，矩阵特征根还不能表示成矩阵元素的解析函 数，特征根计算不得不采用数值方法，这就必然存在误差和收敛问题。从原理上来 看，计算特征值有全部特征值分析方法和部分特征值分析方法。 全部特征值分析方法是利用q r 变换一次求出系统的全部特征值，从而判断所 给定的稳态运行情况的静态稳定性。其优点是：( 1 ) 所有模式都可以一次求出，不 会漏掉不稳定的和弱阻尼的模式；( 2 ) 特征向量标明了不同振荡模式与系统变量及 参数等因素间的关系；( 3 ) 可以方便的求出特征值对系统参数和运行方式的灵敏度， 以便深入了解系统的动态特性和用于控制器的协调配置及参数设计。 但是，随着系统维数的增加，其局限性日益显露出来。q r 法需要存储矩阵的全 部元素，占用计算机内存量大，而且其计算量约与系统系数矩阵阶数的三次方成正 比，使大规模系统所需要的计算时间达到难以接受的程度。当矩阵高达数百阶( 例 如4 0 0 5 0 0 阶) 时，将可能产生显著的计算误差，或甚至不能得出计算结果。因此 这种方法一般适用于中等规模的电力系统。 实际上，对于不同的静态稳定分析目的，所关心的只是矩阵中部分与分析目 的密切相关的特征值。为此，人们提出了多种只求取部分特征值的方法，大致可分 为两类，即降阶选择模式分析法和全维部分特征值分析法。 降阶选择模式分析法的主要思想是在全系统的线性化方程式中，将全部状态变 量x 按某种原则分为两部分a x 和x 。，然后消去x ：，只保留a x ，以求出与其 相关的部分特征值，这些特征值是研究问题所关心的。其主要代表是a e s o p s 算法 和s m a 法。 a e s o p s 算法( a n a l y s i so fe s s e n t i a l l ys p o n t a n e o u s0 s c i l l a t i o n si np o w e rs y s t e m s ) 又名自激法，是目前为止大规模系统特征根计算的主要方法之一。其基本原理是， 对某台发电机施加外部“扰动”转矩，并将受扰发电机的功角增量6 和转速增量 华北电力大学工程硕士学位论文 u 选为保留变量，通过数学运算消去系统中的其它状态变量，从而得到一个含有 “扰动”转矩的特征方程。然后从一个初始估计值开始搜索，直到共振频率为止。 对系统中的各发电机逐台施加“扰动”转矩，可得到一系列系统的机电振荡模式。 该法能有效地节省计算工作量及存储量，可用于大规模系统，且能很快得出结果。 如果事先能大致了解系统中弱阻尼的模式则该方法是十分有效的。 s m a ( s e l e c t i v em o d a la n a l y s i s ) ”1 分析法是通过保留与低频振荡相关的状态量 6 和u 而消去其它状态量，使状态方程阶数大大降低，然后用迭代的方法求取 低频振荡模式和模态。这种方法可以把一个n 机系统状态方程降为2 n 阶，大大缓 解了“维数灾”问题，并能完整的考虑励磁系统与调速系统的影响，也能提供灵敏 度等信息。 全维部分特征值分析的主要思路是，将全系统微分方程式的系数矩阵a ，经过 适当的变换后成为另一个维数与它相同的矩阵a t 。使a 阵中所关心的一个或- - 4 部 分特征值相应地映射成a 。中绝对值( 即模) 最大的一个或较大的几个特征值，然后采 用适合于计算矩阵中按模最大或一部分按模递减特征值的计算方法求出a 中的这些 特征值，最后再通过所用的映射关系得出矩阵a 的主导特征根。其中，主要有s 矩 阵法“卸和分数变换法7 。 这些方法只计算一部分对稳定性判别有关键影响的特征值，计算精度、速度都 可以满足大型电力系统的要求。但是必须指出，以上这些只求取部分特征值的方法 大都存在个共同问题，即难以保证所有具有负阻尼或阻尼不足的机电振荡模式不 被遗漏。 为了解决这些问题，人们徽了许多改进。文献 2 1 提出了一种改进的s 矩阵法， 称为多重c a y l e y 变换法，这种方法比s 矩阵变换有更好的映射特性，能够可靠的 求出主导特征值，但迭代次数随系统规模成倍增加，计算收敛性值得关注；文献 1 1 提出划分等值机群的方法。该方法首先按参与因子和特征向量划分机群，然后利用 部分惯量中心等值，把一个多机系统等值成一系列的二机系统，这样就把多机系统 特征值分析等值为两机系统，加快了计算速度，同时又克服了“维数灾”问题。 1 2 2 非线性分析方法 由于电力系统本身就是复杂的非线性系统，所以有人直接利用非线性理论分析 电力系统的低频振荡问题。这样便可充分考虑电力系统的非线性特性，用特征值并 结合高阶多项式从数学解空间结构上来分析系统的稳定性，能够解决在临界点附近 的稳定问题。文献 2 2 、 2 3 应用分歧理论分析电力系统中复杂的振荡现象，提出 了h o p f 分歧的算法。文献 2 4 利用分歧理论和中一t l , 流型理论，把发电机模型扩展 到四阶，针对多个系统参数，揭示了低频振荡中存在的非线性奇异现象。 文献 2 5 则采用能量方法分析电力系统区域间的振荡，并引入了能量模态的概 4 华北电力大学工程硕士学位论文 念，每一个能量模态是两个振荡模态的结合，所以系统中的能量模态远远多于系统 中振荡模态。文章指出，系统中能量交换模式不同于发电机转子振荡模式，通过对 发电机的能量模态进行分析，可以确定在振荡过程中相互交换能量的机群，这可以 进一步理解区域间功率振荡的本质，有利于采取控制措施进行抑制。 文献 2 6 则引入了内共振的概念，考虑非线性后，系统机组之间存在模态耦合， 耦合较强的甚至发生内共振。当一种振动激发起另一种振动的现象，被称为非线性 系统特有的内共振现象。内共振引起的耦合导致能量从低模态完全传递到高模态。 如果某一模态经由内共振与具有大阻尼系数的另一模态耦合，则在该模态的能量将 更迅速的衰减。内共振可用于调节给定模态的衰减速率。 以上方法对系统规模和方程阶次有限制，即当系统规模较大时，计算的工作量 相当大，有时甚至计算不出矩阵的特征值。同时，现有的非线性理论的算法大都基 于简单、特定系统，对于复杂的多机系统尚需进一步研究。 1 3 抑制电力系统低频振荡的研究现状 为防止低频振荡的产生，可以采取两方面对策，即一次系统方面的对策和二次 系统方面的对策。 一次系统的对策主要有：( 1 ) 增强网架，减少重负荷输电线，减少送受端间的 电气距离，从而减少送、受电端的转予角差，特别是在线路需停电检修时，应合理 安排电网运行方式，避免长线路重负荷运行；( 2 ) 采用可控串联电容补偿( t c s c ) ， 减小送、受电端的电气距离，并通过适当控制，向系统提供附加正阻尼。( 3 ) 采用 直流输电方案，使送、受端间不发生功率振荡。( 4 ) 在长距离输电线中部装设静止 无功补偿器( s v s ) 作电压支撑，并通过其控制系统改善系统动态性能。 二次系统的对策主要有：采用电力系统稳定器( p s s ) 作励磁附加控制，适当整 定p s s 参数可提供抑制低频振荡的附加阻尼力矩；利用s v s 装置的附加控制及直流 输电附加控制( s u p p l e m e n t a r yc o n t r 0 1 ) 或直流功率调制( p o w e rm o d u l a t i o n ) 提供 低频振荡的附加阻尼。二次控制措施宜装置在大容量、快速响应的动态元件上，以 便取得良好的抑制低频振荡的效果。这三种方法在电力系统中均有应用，并取得了 良好的效果。特别是p s s 装置已被广泛用于抑制低频振荡，提高稳定极限。此外， 还可用线性最优励磁装置或非线性励磁控制装置改善系统动态特性，抑制低频振 荡。利用二次系统来抑制低频振荡的方法具有价格低、易实现、易维修以及性能良 好、经济效益显著等明显优点，是抑制低频振荡的重要方法。 关于p s s 参数整定，最早提出了所谓的“补偿法”，用来整定单机一无穷大系 统的p s s 参数，按发电机需要补偿的相位滞后角来确定p s s 参数。该法对单机一无 穷大系统是简单且有效的。后来多机电力系统中所采用的一些方法很多都是沿用或 改进这一方法。 华北电力大学工程硕士学位论文 当把p s s 推广应用与多机电力系统时，主要存在两个问题：一个是需要确定在 哪些发电机祖上配置p s s ，即最佳安装地点问题：另一个问题则是多个p s s 参数协 调问题。 关于前者，f p d e m e l l o 最早作了研究，他认为，每一台机组或惯性群都会对 一个或多个振荡模式有主导影响，对某个机组提供阻尼，可以对某些特定的振荡模 式产生主导影响，因此对p s s 的安装位置有选择的必要。这种观点就是所谓的“相 关特性”或“解藕关系”，对后来的研究有重要的影响。有的文献采用模态分析法 确定最佳安装地点，其分析是在开环基础上建立的。而考虑闭环情况的具体做法是： 通过特征值及特征向量的计算，选择出对拟镇定特征值提供最大阻尼的机组安装 p s s ，然后重新计算特征值及特征向量，再选择下一台p s s 的安装地点，依此类推， 直至系统稳定。该法有一定的实用价值，考虑了先装的p s s 对后装的影响，但并没 有考虑后者对前者的影响，且每台p s s 参数整定都是按单机一无穷大系统进行的。 一些学者注意到模态分析法不是很可靠，因为右特征向量的大小和相位只反映 了某一振荡模式对物理量( 如a6 0 和6 ) 的影响，并不反映物理量对振荡模式的作 用程度。为此，提出了参与因子( 相关因子) 的概念，它在一定程度上克服了模态分 析的缺点，被后来的研究人员广泛采用，用它来确定最佳安装地点。 以上介绍的各种方法。都是基于单机一无穷大系统模型，并且没有直接考虑多 种运行方式，因此，尽管有的文献称其方法具有鲁棒稳定性，但毕竟是极其有限的， 对运行方式的较大变化无法适应。 直接考虑多种运行方式的p s s 参数协调方法最早见于文献 8 ，文中采用了非 线性规划方法，按使多种运行方式下最严重的低频振荡模式得到最大衰减的原则建 立目标函数，把参数的整定和位置的选择统一进行。具体方法是在可能安装p s s 的 机组上都预先安装上p s s ，然后统一优化，按优化结果来确定p s s 参数及最佳安装 地点。该法克服了传统方法基于单机一无穷大系统的局限性，摆脱了传统方法对单 机一无穷大系统物理概念的过分依赖，而使多机p s s 参数的优化建立在严格的数学 计算基础上，存在的问题是计算量很大，而预先在可能的机组上均安装p s s 这种方 法人为的扩大了问题的规模，没有考虑实际系统的特点，实际优化的结果也很难有 效的选择出最佳安装地点。 文献 9 采用非线性规划的方法，提出了一种多机电力系统在多种运行方式下， p s s 和0 e c 参数统一协调以抑制系统低频振荡的方法，该文建立了一种新的目标函 数并采用了优化算法，利用了参与因子对系统模型进行降阶简化，同时改进了计算 特征值和特征向量的方法，使总体解题速度大为提高。 文献 3 2 利用大系统理论中的有关概念和定理，从理论上证明了多机电力系统 中的p s s 的分散控制结构，能够分散镇定低频振荡，达到稳定全系统的目的。而对 于多运行方式，则涉及同时镇定( s i m u l t a n e o u ss t a b i l i z a t i o n ) 的理论和概念。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 由于山西电网和电源建设迅速发展，新建电厂与系统的联系较弱，接入系统时 必须可靠稳定运行，所以需要进行电厂接入系统后的振荡模式分析，所以本文主要 工作如下： ( 1 ) 收集整理山西电网以及普光电厂的相关参数，建立适于低频振荡分析的数学 模型； ( 2 ) 对山西电网进行等值化简，并选择典型运行方式进行潮流计算，使之与电网 实际潮流相吻合： ( 3 ) 进行振荡模式分析，掌握各种低频振荡模式的分布和参与机组情况，主要分 析和普光电厂相关的振荡模式，总结其特点： ( 4 ) 对与普光电厂相关的负阻尼和弱阻尼振荡模式进行p s s 参数整定使其阻尼 比达到中等阻尼以上，给出普光电厂配置p s s 的建议。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章山西电网简介及普光电厂励磁系统介绍 2 1 山西电网简介 2 0 0 1 年，山西省电力装机容量1 5 0 0 万千瓦。近年来，全省建成和在建的装机 容量为1 3 0 0 万千瓦，总投资6 0 0 亿元。新上项目一是坚持无条件脱硫；二是安装 空冷机组，解决缺水和污染量增加的问题。同时对原有的1 5 0 0 万千瓦的机组进行 脱硫改造，减少污染物的排放。随着5 0 0 k v 架空线路的增多，山西电网步入了以5 0 0 k v 和2 2 0 k v 为骨干网架，高、中、低压电网协调，一、二次系统同步发展的升级换代 的新阶段，向“高电压、大潮流、远距离、高可靠性”的现代化电网迈进。2 0 0 0 年 以来，山西省电力建设总投资达到8 0 0 多亿元，超过了过去5 0 年的投资总和。 截至2 0 0 3 年底，山西电网装机见表2 一l 。 表2 - 1山西电网装机容量表单位：m w 装机容量机组容量 总计1 15 0 4 水电 1 2 0 8 火电 1 1 2 2 4 霍州电厂 4 0 04 1 0 0 娘子关电厂 4 0 04 1 0 0 漳泽电厂1 0 4 04 2 1 0 + 2 1 0 0 神二电厂 1 0 0 02 5 0 0 神头一电厂 1 3 5 01 5 0 + 6 2 0 0 + 2 6 0 河坡电厂 3 0 02 1 0 0 + 2 5 0 太二电厂 8 2 54 5 0 + l 2 5 + 3 * 2 0 0 晋田电厂 1 0 02 5 0 榆社电厂 2 0 02 1 0 0 阳光电厂 1 2 0 04 3 0 0 火电 柳林电厂 2 0 02 2 0 0 太一电厂 1 2 7 54 x3 0 0 + 1 5 0 + 1 2 5 河津电厂7 0 02 3 5 0 永济电厂 3 0 04 5 0 + 1 l o o 大一电厂 5 02 2 5 大热电厂 1 2 02 6 0 大唐云岗电厂 4 4 02 2 2 0 侯马电厂 1 0 04 2 5 巴公电厂 2 42 1 2 大同二厂 1 2 0 06 x2 0 0 天桥电厂1 2 82 3 6 + 2 2 8 水电 万家寨电厂 1 0 8 06 1 8 0 华北电力人学j ：程硕士学位论文 除以上所列主要电厂外，山西各地还分布有很多地区小电厂，其主要分布情况 见表2 2 ： 表2 - 2 2 0 0 3 年底地区小电厂合计 单位：m w 地区小电厂合计火电水电 大同 5 8 o o5 8 0 0o 0 0 朔州 4 8 o o 4 8 o oo o o 忻州 1 1 6 2 41 0 6 5 09 7 4 太原 1 6 0 0 01 4 8 0 01 2 o o 吕梁 1 0 9 0 01 0 6 5 02 5 0 阳泉1 6 i 6 0 1 6 0 o o1 6 0 晋中 1 5 2 6 51 4 7 5 0 5 1 5 临汾 1 8 7 8 21 8 5 o o2 8 2 运城 4 3 4 0 04 3 4 0 0o 0 0 长治2 9 1 4 72 5 4 5 03 6 9 7 晋城 2 0 2 9 01 5 6 5 04 6 4 0 合计1 9 2 1 6 8 1 8 0 4 5 01 1 7 1 8 其中，水电装机容量为1 3 9 7 1 8 m w ， 量表可以看出，山西电网以火力发电为主 位于晋东北地区( 参见附录一) 。 火电装机容量为13 0 2 8 5 m w 。由装机容 只有两个水电厂，而且属于忻州电网。 随着“西部大开发”、“西电东送”战略的实施，山西电网加快了5 0 0 k v 网络建 设。到0 3 年底，山西电网内部有5 0 0 k v 线路8 条，长度为9 7 2 ，4 3 0 k m 。2 2 0 k v 线 路1 4 4 条，总长度为5 6 ”：1 2 2 k m 。已逐步形成了以5 0 0 k v 神头电厂、大同电厂为 电源中心，运城地区的5 0 0 k y 运城变、临汾地区的5 0 0 k v 临汾变、太原地区的5 0 0 k v 侯村变以及大同地区的雁同变形成的5 0 0 k v 主干网络，见图2 1 。最后，通过5 0 0 k v 大同一房山线使山西电网与华北电网5 0 0 k v 相联结。 华北电网 湖 房山变 图2 - 12 0 0 3 年底山西电网5 0 0 k v 网络接线 华北电力大学工程硕士学位论文 2 2 山西电网特点 在山谣电网统调装机1 1 5 0 4 m w 中，水电装机容量为1 2 0 8 m w ，占总装机的1 l ， 火电装机容量为1 1 2 2 4 m w ，占总装机的8 9 。充分体现了山话是我国煤炭大省的特 点，其装机以火电机组为主。 同时从山西电网各发电厂所处的地理位置以及装机容量来看，山西电网的电源 分布极不平衡，电源多集中的北部，南部用电需要北部支援，通过5 0 0 k v 线路由北 向南送电( 图2 - 1 ) 。当南部负荷较大，而5 0 0 k v 线路输送容量有限的情况下，有可 能会出现“北部窝电南部缺电”的情况，所以5 0 0 k v 电网需要改进。 山西是全国外送电最早、外送电量最大的省份，有1 4 的电力装机用于省外送电。 山西担负着向北京、华北和华东送电的任务，其中北京用电量的l 4 来自山西，通过大 ( 同) 一房( 山) 线支援首都用电。随着电网的发展，山西电网将成为多通道外送电的开 放性电网。 2 3 山西电网发展规划 山西省煤炭资源北多南少，决定了电源北部多、南部少的布局，电网“北部窝 l i 、南部缺l = ! l ”的特点要把北部的充裕电力送往经济发展较快的南部负荷中心， 必须建设“北电南送”的电力输送通道。为缓解山西南部严重缺电而山西电源布局 北多南少的局面。山西省建成了省内“北电南送”的电力输送高速路，输送能力从 5 0 万千瓦提高到1 5 0 万千瓦。实施了北中南部二 干输电嘲和城市配f t l 刚改造。i ：程， 投运了晋巾5 0 0 干伏变咆站、榆社5 0 0f 伏丌闭站，采取技术措施，安装了南送 b 稳定控制装铃，调攘优化电嘲运行方式，提高了供电能力，扩大南送电力负荷4 0 几千： j ：= ，定程度卜缓解了南部地k 严重缺电的崩而。 “西电东送”北通道首批开工项目、河曲电厂一期2 6 0 万千瓦l 号机组6 0 万 千瓦机组，已于0 4 年底正式并网发电，大大缓解华北地区电力紧张的局面。山西 0 4 年建成投产发电机组共有7 台，其中省内自用电项目1 3 0 万千瓦，“西电东送” 项目1 1 0 万千瓦。0 3 年开工建设的“西电东送”北通道6 个项目中，山西省内有4 个，总装机容量为4 6 0 万千瓦。 在建设电源点的同时，山西还加快建设“西电东送”电力通道。今年完成了河 曲一神头一保定的5 0 0 k v 双回输电线路，建成了华北地区最大、承担四个百万电厂 电力交换任务的神头二电厂5 0 0 k v 升压站，使之成为华北电网的重要枢纽。所以0 4 年底5 0 0 k v 网架结构如图2 2 。 根据规划，山西省还将结合“西电东送”电源项目，促进建设大同二厂至北京 房山第三回、神头二电厂至保定徐水双回、太原侯村至石家庄、长治经邯郸东至山 东、晋城至华中的5 0 0 千伏线路。根据国家西电东送、南北互供、全国联网的整体 规划，山西电网超前研究适应点对网、网对网、多通道向外送电的开放性电网格局。 华北电力大学工程硕士学位论文 加快电源建设。目前，山西“甄电东送”准备建设的项目有向天津送电的神头二电 厂二期2 x5 0 万千瓦机组，向京津唐电网送电的大同二电厂二期2 6 0 万千瓦机组， 新建向京津唐电网送电的河曲电厂一期2 x 6 0 万千瓦机组，新建向河北南网送电的 娘子关二电厂2 6 0 万千瓦机组，新建向山东送电的王曲电厂2 x 6 0 万千瓦机组， 正在建设中的向江苏送电的阳城电厂5 、6 号2 x3 5 万千瓦机组。 橡二电厂n 曲e g f 神头一厂 图2 22 0 0 4 年底山西电网5 0 0 k v 网络接线 针对省内经济快速增长的需求，供省内用电建设的项目有河津电厂二期2 3 0 万千瓦机组、古交电厂2 3 0 万千瓦机组、榆社电厂二期2 3 0 万千瓦机组、漳泽 电厂三期2 3 0 万千瓦机组、霍州电厂2 3 0 万千瓦机组。到2 0 0 5 年，全省发电机 装机容量将达到2 0 0 0 万千瓦。 2 4 山西电网与其它电网联系情况 北部通过大同二电厂至房山的双回5 0 0 千伏线路向京滓唐电网送电：以单回5 0 0 千伏线路和双回2 2 0 千伏线路与内蒙古电网相连；中部娘子关电厂以双回2 2 0 千伏 线路并入河北南网。忻州地区以1 l o 干伏线路向陕西榆林供电，阳城电厂通过三回 5 0 0 千伏线路向江苏送电。 2 5 普光电厂励磁系统介绍 普光电厂位于山西永济热电厂以西、 侧荒坡地上，交通便利。装机2 3 0 0 m w 。 榆林村及老厂铁路专用线以南的中条山北 做为电厂的主要设备，发电机由哈尔滨电机 厂制造。发电机拟采用进口( 励磁变压器除 外其余部件散件进口) 的自并励静止励磁 系统，其主系统接线图见( 图2 3 ) 。 由机端励磁变压器t 、整流装置和a v r | f fj 图2 3 自励发电机主系统 罗卜窄 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 自动电压调节器) 组成。基本参数如下： 顶值电压2 5 倍额定励磁电压( 恒电阻) ： 允许强励持续时间：2 0 秒； 高起始响应，即o 1 秒内达到顶值电压与额定励磁电压之差的9 5 ； 励磁系统响应比( v ) 即电压上升速度，不低于3 5 8 倍秒。 励磁系统的可控硅整流装置采用三桥并联运行，一桥故障退出运行时，能满足 发电机强励和i 1 倍额定励磁电流运行的要求：整流装置并联元件有均流措施，整 流元件的均流系数不低于o 9 ；励磁装置的可控硅元件以及其它设备能承受直流侧 短路故障、发电机滑极、异步运行等工况而不损坏。 励磁调节器( a v r ) 采用数字微机型，具有在线参数整定功能和录波功能，并 具有微调节和提高发电机暂态稳定的特性。各参数及各功能单元的输出量能显示， 显示的参数为数字模型中的实际值，显示的输出值为实用量值或标么值。同时a v r 设有过励磁限制、过励磁保护、低励磁限制、电力系统稳定器、v h 限制及保护、 转子过电压和p t 断线闭锁保护等单元。其附加功能包括转子一点接地保护、转子 温度测量、串口通讯模块、跨接器( c r o w b a r ) 、智能均流、高次谐波过滤等内容。 a v r 设置两个完全相同且独立的自动通道运行。各通道装设独立的p t 、c t 、稳压电 源，各通道自动相互跟踪达到无扰动切换。每个通道功能齐全，都具有独立工作能 力。当个通道调节器出现问题时，它将自动退出运行，并发出报警。单个通道调 节器独立运行时，完全能满足发电机各种工况下的正常运行。同时每一个通道还设 有手动电路作为备用，手动、自动电路能相互自动跟踪：当自动回路故障时能自动 无扰切换到手动。设有独立的备用手动通道，能满足发电机试验、零起升压试验的 要求。自动励磁调节器保证在发电机空载额定电压的3 0 1 1 0 范围内进行稳定、平 滑调节，整定电压的分辨率不大于额定电压的0 2 。手动控制回路保证发电机励磁 电压在空载额定励磁电压的2 0 至f j 额定励磁电压的1 3 0 范围内进行稳定、平滑调节， 调压范围。具备四种运行方式：机端恒压运行方式、恒励磁电流运行方式、恒无功 功率运行方式、恒功率因数运行方式。自动励磁调节器有与d c s 直接连接的硬接线 接口，并留有通讯接口与d c s 系统实现数字接口。并负责与d c s 的接口配合与转换。 自动电压调节器( 包括p s s ) 保证投入率不低于9 9 。 励磁回路装设性能良好、动作可靠的自动灭磁装置。对发电机任何负载均能可 靠灭磁，强励状态下灭磁时发电机转子过电压值不超过4 6 倍额定励磁电压值。 灭磁开关的额定参数按励磁系统强励工况( 机端电压额定，强励倍数2 5 倍额定励 磁电压) 选择。 励磁变压器有静电屏蔽及必要的监视和保护装置。能适应带整流负荷的要求， 并能承受出口三相短路和不对称短路而不产生有害变形；其设计已充分考虑整流负 载电流分量中高次谐波所产生的热量，使励磁变压器温升在允许范围内；励磁变 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 压器采用室内干式变压器，采用y 接线，铜绕组，绝缘等级为f 级，运行最大温 升不超过1 0 0 k 。励磁变高压侧绝缘耐压水平按3 5 k v 等级考虑。励磁变压器备有测 温装置( 远方及就地) ，具有超温报警及过热跳闸功能，能提供远方信号的引出接 点。励磁交压器的设计考虑在高压侧接6 k v 厂用电源时，能满足汽轮发电机短路、 空载试验1 3 0 额定机端电压的要求。励磁变压器高、低压侧每相均提供3 组套管 c t ，二组用于保护，一组用于测量。保护c t 精度等级为5 p 2 0 ，测量精度为0 5 容量约为3 0 v a 。 采用3 8 0 va c 整流起励电源起励方式。当发电机电压上升到规定值时，起励 回路自动脱开。起励过程中，当发电机电压不小于1 0 时，起励装置保证a v r 能可 靠投入。励磁变压器容量满足强励及发电机各种运行工况的要求，在环境温度一5 + 4 5 下，保证连续运行不超温。 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章 研究低频振荡的数学模型及特征分析法 对电力系统进行稳定研究，必须先建立系统的数学模型。它是对电力系统物理 过程的数学描述，是电力系统动态研究的基础。但由于电力系统的复杂性，我们不 可能也没有必要用一组非常复杂的方程组来精确无误地完全描述整个电力系统物 理过程，否则将会使计算工作繁重而复杂，甚至无法进行分析计算。在电力系统实 际分析研究中，可以根据研究问题的不同，采用不同的实用化模型，使它包括与研 究问题紧密相关的部件，简化或忽略次要或无关的部件，从而使整个分析计算工作 大大简化，同时又能突出问题的实质。 3 1 用于低频振荡研究的系统模型 3 1 1发电机的数学模型 在电力系统低频振荡过程中，由于频率较低，发电机阻尼绕组中感应的电流很 小，可以忽略不计，因此在模型中略去阻尼绕组的暂态过程方程式。发电机定子d 和 q 绕组的自由振荡频率非常高，其特征模式不会影响低频振荡，因此可以略去定子 电压方程式中磁链变化的电压项，简单的用代数方程来描述。发电机的励磁绕组不 但具有低的特征模式频率，而且它直接连到发电机励磁系统，另外附加励磁控制也 是加到励磁系统上的，所以。发电机的励磁绕组回路必须用一个微分方程来描述。 在分析电力系统动态稳定性时，与转孑位置相对应的占角的变化有特别重要的意义， 是判断系统稳定性的主要标志，所以。发电机转子运动方程也必须包括在模型中。 d e ! 巧o = ： l = e p 一 e 9 + i a ( x d x j ) 】 等= 一1 ) ( 3 - 1 ) l 等= 弓一只一焉 其中，e 为暂态电动势；e ，为强制空载电动势，正t k 于励磁电压；占为功角；。为 转子角速度：为同步角速度：瑞为定子开路时的励磁绕组时间常数：t 为 惯性时间常数；易、只分别为机械功率和电磁功率：如为总的阻尼功率( 近 似表达为e o = d a c e ) ，d 为阻尼功率系数：，d 为定子电流d 轴分量；和、x j 分 别为直轴同步电抗和直轴暂态电抗。 由于研究系统在某一运行方式下受n d , 干扰后的运行状况，所以可以把变量的 变化看作在原来的运行情况上叠加了一个小的偏移，其中状态变量可以表示为： 华北电力大学工程硕士学位论文 e q2 e q o + 世口 占= 8 04 - , 6 6 国= 埘o + a o j 代入( 3 1 ) 后，得： 吃竺 ：缱，一【缱：+ 瓯一z ：) 】1 产。缱 一【缱e + 瓯一如m 掣：蚴 出 。 皇竽：弓一乞一d 1 西“7 一。 式( 3 3 ) 就是同步发电机的线性化微分方程。 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 3 1 2自动调节励磁系统模型 发电机的自动调节励磁系统调节( 即确定) 发电机励磁绕组两端的励磁电压“，。 因而影响发电机的电动势，对发电机的电磁功率和系统的稳定性均有较大的影响。 自动励磁调节系统包括主励磁系统和自动调节励磁装置。主励磁系统是从励磁电源 到发电机励磁绕组的励磁主回路：自动调节励磁装置根据发电机的运行参数，如端 电压、电流等，自动地调节主励磁系统的参数。 在一般分析中，可以用一个以偏差量表示的等 值一阶惯性环节来模拟自动调节励磁系统，如 图3 1 所示，其表达式为： 制( ；惫咄( 3 - 4 ) 妒昏 图3 - 1自动调节励磁系统简化框图 负号表示端电压下降时励磁电压的增加，上式可改写为： 一k 。a u g = ( 1 + t p ) a u ， ( 3 - 5 ) 式中k ，和t 为等值的放大倍数和时间常数。 由于励磁电压“，和强制空载电动势e ，间为线性关系，即等“，= e ，其中z 一 ， 为直轴电枢反应电抗，为励磁绕组电阻。在标么值中若取它们的基准值满足此比 例关系则“r 和e 。的