关于电力系统稳定_3

理论与实践关于电力系统稳定( )About Power System Stability ( )洪佩孙(河海大学,江苏南京210098)中图分类号:T M 712文献标识码:A文章编号:1009-0665(2002)02-0045-03收稿日期:2002-01-181 电力系统频率稳定概念电力系统功角稳定仅表明各发电机转子相对运动的稳定性。

如系统各发电机受扰动的作用,扰动消失后,最终各发电机仍能维持同步运转,则系统功角是稳定的。

电力系统频率稳定,则表明同步机转子绝对运动的稳定性,即各发电机不但维持同步,而且它们共同的转速维持在给定范围内,不会不断升高或不断降低。

由于发电机工作在同步状态,发电机转速变化表现为频率变化,故这种稳定性称为频率稳定性。

电力系统只有保持功角稳定和频率稳定,同步发电机的转子运动才是稳定的。

电力系统频率稳定性可定义:电力系统工作在初始频率下,受扰动作用,扰动消失后,经过足够长的时间,能以一定的精确度回到初始频率状态,则系统频率是稳定的,否则就是不稳定的。

由于系统频率特性的非线性,系统频率稳定性与扰动大小、扰动性质有关。

上述定义的稳定性称为静态频率稳定性,在扰动过程中,系统频率特性并未发生变化。

系统静态频率稳定性表明系统在某一运行点的频率稳定性。

若扰动足够大,使系统频率特性发生变化,系统能否在新的频率状态下稳定运行,称其为暂态频率稳定性。

大扰动是系统运行方式的变化,如改变系统并联运行的发电机台数,改变负荷状态等。

系统频率崩溃一般是暂态频率稳定性破坏后的一种现象。

它是指系统在大扰动作用下,系统频率不断上升或下降,直至不能允许的值。

系统频率稳定性破坏表现在频率值失去稳定,发电机仍能维持同步运行。

与功角稳定破坏不同,一般不会引起系统电压、电流和功率流动的急剧改变,是一个缓慢变化的动态过程。

2 电力系统频率稳定破坏的机制及判别方法电力系统频率稳定性是系统原动机发出的机械功率与系统负荷功率(包括电有功损耗功率)平衡的问题。

如不能平衡,则动力系统出现功率过剩,有可能出现频率稳定破坏的问题。

设系统原动机的总机械功率输出为P M ,系统总负荷功率(包括各种损耗)为P L ,则过剩功率为P =P M -P L(1)式中,P L 为发电机的电磁功率输出; P 有时习惯称为发电机发出的电磁功率与负荷消耗的电磁功率之差,这是不对的,因为发电机所发的电磁功率等于所接负荷消耗的电磁功率,不可能出现差值;P M 为机械功率,当P M 不能全部转换为电磁功率时,就出现过剩机械功率 P ,该 P 就将作用在转子运动上,加速或制动转子的运动,定量关系由下式决定。

P =T jd d t =T j d f d t(2)式中, 为发电机转速;f 为系统频率;T j 为惯性常数;t 为时间。

所以系统出现过剩功率是引发频率变化的起因,但判断频率稳定性要看频率变化的结局。

根据(2)式,在t 时,频率变化为f =tP T jd t (3)判断(3)式的收敛性,即可判断结局的频率稳定性。

3 频率稳定性的判据3 1 静态频率稳定条件频率稳定性与功角稳定性分析一样,稳定问题452002年4月江 苏 电 机 工 程Jiangsu Electrical Engineering 第21卷第2期是一个动态问题。

图1中的P M (f )、P L (f )分别为系统原动机机械功率与频率关系的特性曲线、负荷电磁功率与频率关系的特性曲线。

在小扰动条件下,这两组特性不变。

初始运行点为a,频率为f 0。

在扰动作用下,出现 f ,出现 P 。

如P ff =f 0<0(4)则扰动消失后,工作点又回到a 点。

显然,如在工作点有P ff =f>0(5)则在工作点,系统静态不稳定。

图1 静态频率稳定条件系统静态频率稳定性是在系统不改变频率特性条件时的频率稳定性。

(4)式是系统在f 0运行点静态频率稳定性的判据。

3 2 暂态频率稳定条件当系统改变了运行方式,相应的系统频率特性发生了变化时,系统频率将发生变化。

在此情况下,系统频率稳定特性称为系统暂态稳定性。

系统暂态频率稳定性可定义:系统在持续大扰动下,系统频率特性发生变化,如系统频率能在规定范围内稳定,则该系统是暂态频率稳定的,否则是不稳定的。

图2表明系统电源组成发生了变化,等效原动机功率 频率特性由P M0(f )变为P M1(f )。

系统原始运行点为a 点,因在扰动下P M (f)特性发生了变化,出现功率缺额,即负值的 P ,原动机减速,频率下降到f 1,则达新的稳定点b,系统是暂态频率稳定的。

在此情况下,如暂态过程为t 1,则自扰动开始,达t 1时,有P t=t1)在新的稳定运行状态下,系统频率偏差为f =t11T jP (t ) d t (7)故暂态频率稳定条件应由以下两个判据表示。

(1) P f<1,(0<t <t 1)(8-1)(2) P (t )=0,(t =t 1)(8-2)4 系统频率-功率特性分析由(5)式、(6)式、(7)式看出,系统频率稳定的必要条件是 P 是频率的函数,即 P 应随f 的变化而变化,且 P 随f 增大而减小。

P =P M -P L 是由原动机频率特性和负荷频率特性决定的,要分析 P (f )的性质,必须分析P M (f )与P L (f )的性质。

负荷的功率频率特性,除纯电阻负荷外,都与频率有关,系统综合负荷特性在P f 平面上都是f的升函数。

原动机的功率频率特性与负荷的功率频率特性有很大不同。

图2 暂态频率稳定条件图3为系统原动机的功率频率特性,图中并绘出了负荷的功率频率特性P L (f )进行对比。

可以看出,它具有强烈的非线性性质。

ab 是工作段,也就是系统在正常运行情况下的工作范围,它具有非常陡的下降特性,其坡度由原动机调速器增益确定,图1、图2中的P M (f )就是这一段工作特性的放大。

其覆盖频率范围仅为1~2Hz 。

由于这一段特性是有差的,所以它不能保证系统正常运行时对频率的严格要求。

系统的频率准确度是靠 二次调节 保证的,频率的二次调节是通过46江 苏 电 机 工 程图3 原动机功率频率特性改变调速器定值实现的;实际上是平移P M (f )特性,从原理上看,这是一种积分校正,故可实现 无差 。

二次调节是一个慢速过程,对频率稳定性无直接影响。

ad 段近似为圆弧形。

由于调节器的工作范围很窄,这一段特性调速器不起作用,相应于汽门(水门)开放到最大位置。

当频率偏差不大时,这一段特性可用直线ac 表示。

在该段范围内,原动机的输出功率近似为常数,这一段频率范围为3~5Hz 。

在特性上c 点以外,如图3中示出的cd 段,由于原动机转速有较大的降低,所以机械功率不再保持常数,P M (f )出现上升的特性。

系统频率稳定性主要取决于原动机功率频率特性的性质。

5 系统运行状态对系统频率稳定的影响当系统运行于图3中的ab 段时,系统静态频率稳定性肯定是稳定的。

此时系统频率调节和发电机间功率分配是由原动机调速器控制。

以P L 1(f )特性代表的负荷就工作在此范围。

当系统频率偏差较大时,工作点进入ac 段。

调速器(一次及二次调节)已不能起调节作用,系统频率已不能保证准确度,但静态频率稳定性还是能保证的,为了调节频率,只有通过低频减载装置切除负荷。

图3中的负荷P L2(f )就工作在该状态。

系统工作在P M (f )特性的ab 和ac 段是不会出现频率稳定破坏的问题。

但在c 点以后,系统就会出现频率稳定破坏的后果。

如图3中,系统负荷特性为P L 4(f )时,显然将发生频率不稳定现象。

在此情况下,系统中一直出现功率缺额,系统频率将下降到相当低(图中f 很低的情况未画出),出现频率崩溃现象。

即使系统负荷特性为P L 3(f )时,P L 与P M 在cd 段有交点,但交点相应的频率甚低,也属电压崩溃现象。

6 结论(1)系统频率稳定性与系统功角稳定性都是转子运动稳定性的基本要求。

只有同时满足频率稳定和功角稳定的要求时,同步机转子运动才能保证稳定。

(2)系统频率稳定问题主要是原动机功率频率特性问题,因为它不能任意更改。

(3)系统频率稳定性能否保证,由系统原动机总功率输出能否与系统总负荷功率平衡来决定。

所以,要保证电力系统频率稳定性,首先要有足够的功率贮备,其次是有性能良好的按频减负荷装置。

(4)一般系统频率稳定破坏都是由其他原因导致解列所引起的(详见下期的 关于电力系统稳定( ) )。

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47洪佩孙 关于电力系统稳定( )。