汽轮机功率扰动对电力系统低频振荡的影响

汽轮机功率扰动对电力系统低频振荡的影响

0低频振荡机理研究

低频振荡是电气系统中常见的动态稳定性问题之一。随着我国电力需求的不断增长以及互

联大电网的形成，电网低频振荡问题显得尤为突出。2005—2006年我国南方电网、华北电

网和华中电网多次发生大范围的低频振荡，有些振荡产生的原因还不清楚。电力系统低频

振荡一旦发生,可能会持续一段时间消失，也可能振荡幅值保持增长,破坏系统的稳定性。

因此,对低频振荡机理进行研究并采取相应的抑制措施具有非常重要的意义。

负阻尼机理是解释低频振荡的重要理论。文献运用阻尼转矩概念对单机无穷大系统的低频

振荡进行了分析。经过多年的完善和实践的检验，负阻尼原理成为公认的低频振荡的机理。

按照它的思想设计的电力系统稳定器,对低频振荡起到了很好的抑制作用。但是，随着更多

的低频振荡被记录下来,有些低频振荡现象通过负阻尼机理无法解释。例如,在北美曾出现

过不同寻常的振荡过程,在我国河北南部电网的安保线也多次发生等幅的低频振荡,按照负

阻尼机理安装了PSS,但是振荡依然时有发生。针对未知机理的低频振荡，国内外学者展开

了大量的研究。分歧理论和混沌现象是考虑电力系统非线性而提出的新理论;参数谐振理

论主要在设计和制造时加以考虑;文献中最早提到了电机自振角速度与外加机械转矩振荡

角速度相近所造成的振荡，文献从频率角度分析了强制功率振荡在单机和多机系统中的振

荡情况。文献在原动机输出功率上加正弦扰动,其频率与电力系统自然频率接近,结果系统

出现大幅值的等幅功率振荡,这个仿真结果与河北南部电网发生的低频振荡的振荡特征卜

分相似,从而说明在现场中存在共振机理低频振荡这一现象。文献通过仿真得出了汽轮机

蒸汽压力脉动可能引起电力系统共振机理低频振荡。文献通过仿真得出了汽轮机调节汽门

扰动可能引发电力系统共振机理的低频振荡。

本文综合考虑汽轮机调速系统和电气系统的相互影响，从调速系统中寻找共振机理低频振

荡的扰动源。通过建立机网耦合模型，分析调速系统扰动是否会引起汽轮机调节汽门开度

变化,从而引发电力系统低频振荡。

1阻尼等幅振荡角频率的变化

对于单机无穷大系统,发电机采用二阶经典模型表示，将转子运动方程在工作点处线性化可

得

式中：11为转了•惯性常数;KD为阻尼系数;KS为同步力矩系数；△8为转了•角偏移；△Pm为机

械功率变化。

式（D为二阶常系数非齐次微分方程,其解包括通解和特解两部分。通解即是对应的齐次方

程的解,其解的形式为：

式中：30为系统无阻尼自然振荡角频率，；B为阻尼因子，B=KD/4H;A0和60是由初始条

件决定的两个积分常数ACe-Pt可以看作是随时间变化的振幅。。

而特解则跟机械功率变化APm有直接关系。假设△Pm=Rcos3t,则特解形式为：

式中:r=21I;a为原动机功率变化角频率。可见,特解的振荡频率与原动机功率变化角频率

一致。

综合式⑶和式(4),可得式(1)的解

当系统阻尼为正时，与阻尼有关的通解衰减以后，余下的特解表现为等幅振荡。如果原动机

功率的变化频率与系统固有低频振荡频率接近,这个等幅振荡的幅值会非常大,这就是共振

机理的低频振荡。

对式(3)中的振幅,用求极值的方法可以得到振幅达到极大值时对应的角频率为：

至此，问题的关键是原动机功率是否会出现低频扰动,哪些因素可能导致原动机功率发生变

化。

2配线速度变动率的静态特性

调速系统的基本功能是控制转速和负荷。老式机组采用机械液压调速系统;后来出现了电

子液压调速系统，它提供了更多的灵活性和自适应能力;新投产的大型机组采用数字电液调

速系统，由于能用软件实现控制功能，所以具有相当大的灵活性。各种类型的调速系统，一

般都由感应机构、传动放大机构、执行机构和反馈机构四大部分组成。

在稳定工况下，调速系统的输入量(转速变化△co)与输出量(汽门开度变化△uT)之间的对

应关系称为调速系统的静态特性。调速系统的静态特性是由感应机构、传动放大机构、执

行机构和反馈机构共同决定的。速度变动率和迟缓率是衡量调速系统静态特性的两个指标。

速度变动率R定义为：

式中：3NL为空载稳态转速；3FL为满载稳态转速；30为额定转速。

速度变动率不宜过大或过小。速度变动率过大,静态特性曲线过陡,会使汽轮机在甩负荷时

转速上升过大，发生超速以至影响汽轮机的安全运行;速度变动率过小，又会使静态特性曲

线过于平缓,容易引起负荷搜动。所以速度变动率R的值通常在3%〜6与范围内，一般收5%o

在理想情况下，调速系统的静态特性曲线是一条斜线，即速度变动率恒定，如图1所示;但是,

实际上调速系统静态特性曲线并不是一条斜线，即速度变动率各段可能不同，如图2所示。

可能出现某段的速度变动率过小，静态特性曲线过于平缓，当汽轮发电机转子速度波动时，

汽轮机调节汽门将会出现较大变化。

3发电机各参数的计算

图3所示的调速系统模型中，各参数为KG=20（5%速度变动率），TSR=O.1s,TSM=O.3,速率限

制LC1=O.1p.u./s（开启），LC2=-0.1p.u./s（关闭）。

调节汽门开度扰动引起的汽轮机功率变化可以用图I4所示的汽轮机模型来表示。该模型中

的各参数采用文献中提供的数值。FHP=O.3,FIP=O.3,FLP=O.4,TCH=O.2s,TRH=7.0

s,TCO=O.5So

以单机无穷大系统为例,汽轮机机械功率扰动与发电机电磁功率之间的关系可以用图5表

/]'>O

图5中各参数为:H=3.5s,KD=0,Kl=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,Tl=0.154

s,T2=0.033So

经过计算：KS=K1+KS（AVR+PSS）=0.8743,KD=KD（AVR）+KD（PSS）=6.443,H=3.5s。将上述数

据代入到式（5）中，可以得到系统共振的角频率3r=6.263rad/s,对应的共振频率为

fr=0.997Hz。

4全液压调节系统动态特性

对调速系统静态特性曲线存在速度变动率局部过小的情况进行仿真分析,取局部KG=50（2%

速度变动率）。假定输入汽轮机调速系统的转子速度偏差扰动频率为系统共振频率0.997

Hz,脉动形式为△uT=Asin（2冗ft+6）,扰动幅值为0.004p.u.,扰动时间起始时刻为第

5s,扰动消失时刻为第2cSo仿真结果如图6〜9所示c

从仿真得出的结果可以看出，如果汽轮机调速系统静特性不理想,存在速度变动率局部过小

的问题,那么在该运行点转子速度偏差很小的扰动将会引起很大的调节汽门开度变化。当

扰动频率与系统固有振荡频率接近时,可能引起电力系统较大幅值的功率振荡。

目前电力系统中还有一部分机组采用全液压调速系统,该调速系统中转速的测量是通过脉

冲泵来实现的,在应用全液压调节系统时，经常出现油泵所产生的油压是脉动的。这种干

扰测量转速的脉动油压,会引起油动机活塞的振动,从而引起汽轮机功率的波动。

由于脉冲泵出口压力和转速的平方成正比，可以列出如下的关系式：

式中:n为脉冲泵的转速;K为比例常数;p为脉冲泵的出口压力。对上式线性化,则：

速度变动率为：

若速度变动率6=5%,油泵出口压力P=0.49MPa,则△pmax=0.049MPa。也就是说,当油泵

压力有0.049MPa的变化时，阀门开度将变化100机在仿真时.，假定油压按

△p二Asin（2“ft+中）形式扰动,幅值为0.03p.u.,频率为系统固有频率0.997Hz,扰动时

间起始时刻为第20s,扰动消失时刻为第35s,则仿真结果如图10〜12所示。

可见，如果全液压调速系统油压按正弦规律脉动,其频率与固有频