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:2002-01-18

1 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 j

d 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 =

t

P T j

d 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

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2002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 f

f =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 f

f =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=t

1

)

在新的稳定运行状态下,系统频率偏差为

f =

t

1

1

T j

P (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

(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

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