电力系统低频振荡ppt课件.pptx

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1、地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室1主要内容l 一、概述l 二、单机无穷大系统的低频振荡l 三、低频振荡小扰动数学模型l 四、多机系统低频振荡特征分析法l 五、低频振荡的选择模式分析法l 六、低频振荡分析的自激法地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室212.1 概述现象l 电力系统中发电机经输电线并列运行时，在扰动下时会发生发电机转子间的相对摇摆，并在缺乏阻尼时引起持续振荡。这时，输电线上功率也发生相应振荡，由于振荡频率很低，一般在0.22.5Hz 之间，在电表上才能看得出来，称之为低频振荡（又称为功率振荡，机电振荡）。l 转子的相对摇摆l

2、振荡频率大约在0.22.5Hz 之间l 功率振荡l 机电振荡地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室312.1 概述原因l 电力系统低频振荡在国内外均有发生，这种低频振荡或功率振荡常出现在长距离，重负荷输电线上，在采用现代快速,高放大倍数励磁调节器的条件下更容易出现。l 长距离输电l 重载情况下l 快速、高顶值电压的励磁地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室412.1 概述措施l 电力系统稳定器，即PSS 以及线性最优励磁控制器是抑制低频振荡的有效手段。但在多机大电力系统中，PSS 的安装地点及参数的整定和协调，及全局最优励磁系统的实现是一个相当复

3、杂的问题。l PSS（电力系统稳定器）l PSS 元件相互协调问题地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室512.1 概述内容l 本章介绍低频振荡的物理机理，影响因素及起因，数学模型，分析方法及对策，从而使大家对低频振荡问题有一个全面深入的了解。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室6类比机械振荡电磁振荡地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室7同步电机振荡的物理概念地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室8l 没有阻尼功率的等幅振荡的特性，是运行点在P 平面上沿功一角特件曲线以初始运行点为中心作往返等距

4、的运动。随时间的变化规律为等幅振荡曲线。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室9l 当D 大于零时，衰减振荡的特征是运行点在P-平面以顺时针移动、最后回到初始运行点，当D 小于零时，自发振荡的特征是运行点在P-平面上逆时针移动，逐渐远离初始运行点。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室1012.2 单机无穷大系统的低频振荡一.发电机采用经典二阶模型时系统的低频振荡如忽略励磁系统及原动机动态，发电机采用经典二阶模型，,则系统状态方程就只有转子运动方程：地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室1112.2 单机无穷大系统的低频振

5、荡（续）在工作点附近线性化：地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室1212.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）l 令为同步力矩系数，则上式可写为：微分方程：特征方程：l 当D=0 时（无阻尼时），特征根：地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室1312.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室1412.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）这对根反映了机组转子角增量在扰动后的动态过程中相对无穷大系统作频率为的等幅振荡。设地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室1512.2 单

6、机无穷大系统的低频振荡（续）并设则相应的地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室1612.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）同理：为 无 阻 尼 自 然 振 荡 频 率，在 多 机 系 统 中，通常认为系统低频振荡频率范围为0.22.5Hz.地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室1712.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）l（1）较小较大：地区内机组振荡（频率较大）l（2）较大较小：互联系统区域间振荡（频率较大）l（3）机械阻尼D 消减振幅，改善了系统的稳定性l（4）参数：自然振荡频率和阻尼比地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化

7、研究室1812.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）l 讨论：1)当，则，反之亦然。，为一互联系统区域间振荡模式（interareamode），当为就地机组间的振荡模式（localmode,plantmode）。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室1912.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）2)在无机械阻尼时，低频振荡为等幅振荡。有机械阻尼时（），则特征根：显然这里，即有阻尼时，振频相对自然振荡频率有一定变化。为阻尼系数。这里，振荡为减幅振荡，系统稳定。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室2012.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）3)若把特征

8、方程化为标准形式，则即：式中：自然振荡频率，即阻尼为零时系统的振荡频率;为阻尼比。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室2112.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）从而：显然：作向量图如右一般系统中希望低频振荡模式的阻尼比不小于（0.10.3）。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室2212.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）4)当系统中有n 台机时，有（n-1）个低频振荡模式，（n-1 对共轭复根）,当发电机采用经典二阶模型时，为2n 阶，则除（n-1）对共轭复根外，计及阻尼时，一般还有一个零根，及一个负实根。地区电网经济运行与自动化研究室 地

9、区电网经济运行与自动化研究室2312.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）二电机采用三阶实用模型，计及励磁系统动态时，系统的低频振荡。当发电机采用三阶实用模型，计及励磁系统动态时，单机无穷大系统的动态模型在第11章已讲述。包括微分方程，状态方程及框图。单机无穷大系统及其励磁系统地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室2412.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）系统传递函数框图地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室2512.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）1发电机转子绕组的作用这里不计发电机转子绕组调节动态过程，即设则传递函数的框图可以简化为：地区电

10、网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室2612.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室2712.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室2812.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室2912.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）D+-+-合成以后地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室3012.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）此时系统可描写为微分方程：式中：上面的数学表达式可以表示为

11、时域表达式，拉氏变换表达式或频域表达式。（令）可根据上下文予以识别。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室3112.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）令，则在频域中可表示为：可以在相平面上分析此电磁功率（或电磁力矩）和的相位关系。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室3212.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）由式（*）中，与同相，而第二项分母则在第一象限靠近虚轴处（）。则第二项在第四象限靠近虚轴处。其负值则在第二象限。如图可得。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室3312.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）令为同步力矩

12、系数；与同相位；与同相位，称为阻尼功率系数；称为复数功率系数；将代入描述系统的微分方程：地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室3412.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）l 同步转距由定子绕组和气隙磁通的基波分量在同步转速的情况下相互作用而产生的。l 阻尼转距由于定子绕组磁场有了相对运动，产生转速增量，因而在转子绕组、阻尼绕组中感应电流而产生阻尼转距。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室3512.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）讨论：（1）移项后与二阶形式类似，即：当时，特征方程为：当为正实根，非周期失步；“可以理解为弹簧的回复力变成负”地区

13、电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室3612.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）当时，为负虚根，等幅振荡，不会非周期发散；主要影响振荡频率。而一般的主要取决于;（弹簧的倔强系数）地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室3712.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）（2）上面主要影响振荡阻尼。因为机械部分阻尼及电气部分阻尼均为正值，故即系统有正阻尼力矩系数，不会发生振荡失步。所以发电机的转子绕组动态（励磁绕组动态）作用使电磁力矩中产生一个和速度增量成比例的正阻尼力矩成分，有助于抑制低频振荡。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室3

14、812.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）（3）其中，为之绕动频率；若，则忽略调速器动态时（），系统不会发生非周期失步；若，则地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室3912.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）2励磁系统对低频振荡的影响（即）为简化讨论，将“”支路断开，结果只会偏保守。（的作用在上面已讨论过，其使变大，则为抑制低频振荡的作用。）地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室4012.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室41l 在快速励磁时，TE很小，故1+TE p在低频范围内是一个

15、微小的正幅角，而Td0 很大，故K3+Td0p 是一个幅角接近90度，因此分母相位处于I，II象限，整个式子处于III，IV 象限。l K20,KE0,K5在发电机重负荷时候小于零，从而-K5K2KE为正，可知Te 一般在、象限。12.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室4212.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室4312.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）一旦此负阻尼大于机械阻尼,则系统在频率扰动下，可能出现振荡发散。所以，在重负荷系统，发电机有高放大倍数快速励磁系统，负

16、阻尼更严重，一旦此负阻尼比发电机阻尼绕组、励磁绕组正阻尼和机械正阻尼还强，则系统在频率扰动下可能出现振荡失稳，容易出现 及系统负阻尼现象，从而易在大扰动时，增幅振荡失步及小扰动时有低频振荡发生。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室4412.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）三.PSS 抑制低频振荡的原理分析由前面分析可知，重负荷输电线路容易引起低频振荡，而快速，高放大倍数的励磁系统对此有恶化作用。励磁调节系统在某些运行情况下，可能提供负阻尼，这将产生低频振荡，不利于系统稳定。所以一旦出现低频振荡，第一个方法即应当减少输送容量、增强网架（使），第二方法是退出快速励磁系统

17、，改用手动或常规励磁调节器来处理。但前者不经济，后者不利于大扰动下的暂态稳定，所以应当采用别的措施。为了改善阻尼性质，最简单的方法就是输入与转速同相位的信号，产生正阻尼转距。这种辅助信号装置称为电力系统稳定器。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室4512.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）若取为PSS 输入信号，PSS 的传递函数为，则由前面分析的分母在第或第象限，设角恰好等于分母矢量的角度，则有地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室4612.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）D+-+-地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研

18、究室4712.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）即PSS 的存在，使中增加了一个和同相位的成份产生正阻尼，可抑制低频振荡。l 讨论：当最好装置在高放大倍数的励磁系统上，作为励磁附加的控制信号。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室4812.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）实际采用的以为输入信号的PSS 结构框图如图:K+放大环节复位环节 相位补偿环节地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室4912.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）l PSS 一般由放大环节，复位环节及相位补偿环节，限幅环节组成，其输出作为励磁附加信号。l 复位环节使时PSS 输出为零，即PSS 只在动态中起作用。l 相位补偿环节一般由13个超前校正环节组成（），一般一个超前校正环节最多可校正的电角度位。地区电网经济运行与自动化研究室 地区电网经济运行与自动化研究室5012.2 单机无穷大系统的低频振荡（续）PSS 也可以用电功率增量输入，称为功率PSS。l 当采用作信号，量测比较方便，且相位校正值往往可以减少。目前功率PSS 和速度PSS 均有实际应用，另外也可以用母线电压和频率增量作为信号，称为频率PSS。l 除了PSS 外，静止无功补偿器（SVC)、高压直流输电的附加控制也可以用来抑制低频振荡。另外线性最优励磁控制器对低频振荡具有很好的效果。增量