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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

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

荡的动源。通过建立机网耦合模型，分析调速系统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△u)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感应机构、传动放大机构、执

行机构和反馈机构共同