水轮发电机组对电力系统动态稳定的影响.pdf
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1、第 4 0卷第 4期 2 0 1 4 年 4月 水 力 发 电 水 轮 发 电 讥 组 对 电 力 系 统 动 态 稳 定 的 景 乏 响 汪长林 朱建 国 ( 三峡大学电气与新能源 学院,湖北宜 昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘 要 :基于数字仿 真实验 以及小干扰稳定的理论分析 了发 电机组对 电力系统功率振荡 的作用 ,通过对水轮机及其 调速系统的小 干扰分析和对某两机 系统 的 P S A S P仿真实验 ,得 出了结论 :电力 系统 中水 电机调速 系统软反馈 ,对 电 力系统的动态稳定性有较大影响。 关键词 :软反馈 ;动态稳定 ;水轮机调速系统 Effe c t o f Hy
2、d r o - p o we r Go v e r n o r o n P o we r S y s t e m Dy n a m i c S t a b i l i t y WANG C h a n g l i n , Z HU J i a n g u o ( C o l l e g e o f E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g &N e w E n e r g y , C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y , Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 , Hu b e
3、i , C h i n a ) Ab s t r a c t T h e e ff e c t o f h y d r o - t u r b i n e g o v e r n o r s y s t e m o n t h e p o w e r o s c i l l a t i o n o f p o w e r s y s t e m i s s t u d i e d b a s e d o n P S AS P n u me ri c a l s i mu l a t i o n a n d s ma l l - s i g n a l i n t e r f e r e n c
4、 e a n a l y s i s Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s o f t f e e d b a c k o u t r l u t v a l u e s o f h y d r o t u r b i n e g o v e rno r s y s t e m h a v e g r e a t e r i mp a c t o n p o we r s y s t e m d y n a mi c s t a b i l i t y Ke y W o r d s : s o f t f e e d b a c k ; d y
5、n a mi c s t a b i l i t y ; h y d r o - t u r b i n e g o v e rno r s y s t e m 中图分类号 : T M 7 4 3 文献标识码 : A 文章编 号: 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 7 7 0 4 0 引言 1 数学模型和理论分析 一 般认 为 ,电 力 系统 的 功 率 振 荡 主 要 由快 速 、 高顶 值倍 数 的励 磁 系统 引起 ,常 出 现在 长距 离 、重 负荷 的输 电线上 l 】 。近年 电力 系统 出现 的多起 低频振 荡 现象 ,已很 难用 此 原 因
6、解 释 ,为此 人 们采 用 了共 振理 论 、参 数谐 振 理 论 、分 叉 理论 等 来研 究 低 频 振 荡机理2 I 3 】 。近年 电网发生多起有 水轮机 组参与 的低频 振荡 现象 ,至今 机理 不 明 ,对 电 网造 成严 重 隐患4 5 1 。 对 此有 学者 提 出水力 系 统 与 电 网耦合 作 用对 电力 系 统功 率振 荡 的影 响等【 5 J 。本 文通 过数 字仿 真实 验 以及 小 干扰 稳定 的理论 分 析 提 出水 轮机 及 其调 速 系 统 的软 反馈 量 的设置 值 对 电力 系 统 的动 态 稳定 性 有 重 要影 响 。对 于 多机 的电 力 系统 ,
7、为保 证 机组 应 对 变 动负 荷 时 的快 速 响应 能力 。水 轮发 电机 调速 系 统 的 软反 馈量 需 设 置 的较 小 ,使 得 整个 系统 的动 态 稳 定 性 变 差 ,联 系 到 目前 电力 系统水 电 比例 提 高 ,系统 发生 多起 水 电机组 参 加 的低 频 振荡 现 象 或 与 该 问 题 有较 大 的联系 。 1 1 时低频 振荡 分析 电力 系 统 的低 频 振 荡是 指 电力 系统 中发 电 机 组 经输 电线 并 列 运行 时 ,在 扰动 下 会 发 生发 电机 组转 子 间 的相 对 摇 摆 ,并 在 缺 乏 阻尼 时 引起 持 续 振 荡 。 因振 荡
8、 频 率 很 低 。一 般 为 0 2 2 5 Hz 故 称 为低 频 振荡( 又 称为 功率 振荡 ,机 电振荡 ) 【 l J 。 为 分 析 低 频 振 荡 的 基 本 原 理 , 这 里 采 用 图 1所 示 单机 无 穷 大 系统 传 递 函数 框 图 为例( 令A E = O) , 研究 系统 的 动态 特性 。由于 : ,在 稳态 工 况 = 1 ( P ) 或 很 小 时 , ,图 1 中 ,该 单 机无穷 大 系统发 电机 组 的运动 方程 可写 为 : : 一 Dw ( 1 ) 收稿 日期 :2 0 1 3 0 8 1 2 作者简介 :汪长林 ( 1 9 7 O 一 ) ,
9、男 ,湖北宜 昌人 ,讲 师 ,从事 电 力系统仿真 的研究与开发 W a t e r P o w e r V o 1 4 0 N o 4 囫 U1 q - 平0 - 月 r r 图 1 单 机 无 穷 大 系 统 传 递 函 数 框 图 式 中 , 为 作 用 在 发 电 机转 轴 上 的 机 械 力 矩 , 为 作 用 在 发 电 机 转 轴 上 的 电 磁 力 矩 , 为 角 速 度 , 为转动 惯量 ,D为 阻尼 系数 。 式 ( 1 ) 的 增 量 方 程 为 ; 一 DA ( 2) 由 图 1可 知 K、 K 1A8 一 式 中 ,K 、K 、K, 、K 分 别 为 同 步功 率
10、系数 、 电磁 转 矩 变化 的系 数 、与 同步 发 电机 运 行 状态 无 关 的阻 抗 系数 、转子 相位 角相 关 的系数 ;T d o 为 同步发 电机 时 间 常 数 。设 6为 正 弦 摄 动 ,其 角 速 度 为 Q,则 A t o = pA 3 = j t - l A6,其 中算 亏 表 示 比 相位超 前9 0 。 。 式 ( 3 ) 可 表 示 为 K、 K T= K AS -一 式 ( 4 ) 在 ( c , 6 相 平 面 上 分 析 ,可 表 示 为 : = K A 6 - D ( 5 ) 式 中 ,K。 称 为 电气 同步 力 矩 系数 ,D。 称 为 电气 阻
11、尼 力矩 系数 。一 般情 况 下 , 0,D 0。当考 虑 快 速 励磁 或 系 统 出 现重 负 荷 时 ,可 能 会 出 现D 0时 ,系 统 不 会 发 生爬 行 失 步 。 当阻 尼 为 正 时 系 统 在扰 动 下 为 减 幅 振荡 ;当阻 尼 为 0时 ,该 系统 在 扰 动 下为 等 幅 振 荡 ;当阻尼 为 负时 ,该 系统在 扰 动下 为增 幅振 荡 。 通 过 以上 分 析 说 明 电力 系 统 的 功率 振 荡 不 仅 和 作 用 在 本 机 转 轴 上 的 电 磁 力 矩 相 关 , 也 和 作 用 在 本 机 转 轴 上 的 机 械 力 矩 相 关 。 因 此 研
12、究 系 统 低 频 振 荡 时不 可 忽 略考 虑 原 动 机及 其 调 速 系 统 可能 的 影 响 。 1 _ 2 水轮机调速系统对系统动态稳定性的影响 水 轮 发 电机 组 处 于 并 网前 的 空转 工 作 状 态 时 , 为保 证 调 速 系统 的动 态稳 定 性 , 需 调 整 为较 大 的 值 :当水 轮发 电机 组 并入 电 网运行 时 为提 高 机组 担 负 变 动 负荷 的能 力 ,提 高 频 率 质量 ,应 将 调 整 为较 小 的值 l 7 _。 为说 明水 轮 机 调速 系 统 参 数对 系统 的功 率 振 荡 的重 要 影 响 这 里 采 用 小 于扰 理 论 对并
13、 网前 空 转 状 态 的水轮 发 电机进 行分 析 。 , 工 仆 , 守 : , J 匕 仅 1 =J b 绀 J , 7 倔 匕 廿 牙 u Iuj 臣 令 + Dm- c o n s t ,式 ( 1 ) 可 化为 : = c 0 n s f ( 1 2 ) 0 式 ( 6 ) 和 ( 1 2 ) 构成 了水 轮机及 其调 速系 统在 并 网前 的 空 转 状态 下 的数 学 模 型 。消 去代 数 变 量可 整 理 成如 下 微 分 方 程 组 : pu = K6 ( O J o - W) ( K Z + K T) pu - Tp 一 M + Ki ( 1 3 ) M pu= con
14、s t 2 K + T =2 K U 一2 上 式表示 为其 状态 方程矩 阵 为 : A = 0 T s 0一 K1 _ K r 0 0 2 K H1 0 0 0 0 0 0 一 0 l 0 K 1 0 0 0 2 K 01 01 1 0 2 0 ( 1 4 ) 采 用 MAT L AB计 算 矩 阵 A的 特 征 值 向量 。 当 K8 =l时 , : - 2 5 7 0 1 1 + j o 5 6 0 1 1 - j o 5 6 0 2 1 ; 当 K8 = 2时 , = 一 2 6 2 0 0 5 + j o 5 4 0 0 5 - j 0 5 4 0 2 3 】 ; 当 K8 = 3
15、时 , = 一 2 6 7 0 0 2 + j 0 5 1 0 0 2- j o 5 1 0 2 6 】 ; 当 = 4时 ,v = - 2 7 2 0 0 7 + j 0 4 7 0 0 7 - j o 4 7 0 3 0 。 可 见 , = 1 ,2时 ,特 征 根 有 实 部 为正 的特 征 根 , 因 此 系 统 是 小 干 扰 不 稳 定 的 ; 当 K = 3 ,4 时 , 所 有特征 根实 部均为 负 ,因此 系统是 小 于扰稳 定 的 。 K 大小 对水 轮 机 及其 调 速 系统 在 并 网前 的启 动过 程 或 停 机 过 程 的 空 转 状 态 的 动 态 稳 定 性 有
16、 重 要 的 影 响 ( 软 反馈环 节参 数 大小 对其影 响 较小 ) 。 2 仿真实验和分析 本 文 采 用 P S AS P软 件 对 图 2所 示 两 机 电 力 系 统 进 行机 电暂 态仿 真 。 3 2 图 2两 机 电 力 系统 图 2中 G1代 表 系统 中的水 电机 组 ,G2代 表 系 统 中 的 火 电 机 组 。G1水 轮 发 电 机 组 额 定 出 力 为 1 2 0 MW,G2火 电 机 组 额 定 出 力 为 1 2 0 0 MW 系 统 基 准 容 量 选 取 为 1 0 0 MV A线 路 参数 不 考 虑 电容 参 数 的影 响 水 电机 组采 用 P
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