水轮发电机组对电力系统动态稳定的影响.pdf

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 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 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 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 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 ，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 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 ) ，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 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 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 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 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= cons 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 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 S AS P中 3型 模 型 火 电 机 组采 用 4型模 型 。调 速 系 统 采用 1型模 型 ，励磁 系统 采用 1型模 型 ，为 突 出所 研究 的问题 ，暂 不 考 虑 死 区和上 下 限值 的影 响 。 图 3为 G1 ，G2均 为 火 电 机 组 得 到 在 扰 动 下 机 1和机 2的机端 电磁功 率 P和 机 械功 率 的仿 真 曲线 。该 仿 真 实验 说 明此 例 系统 中的火 电机 组是 稳 定 的 系统 。 2 O 1 8 1 6 甚1 4 1 2 1 0 O 8 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 s 两机均为火电机组 G1 ，G2均 为 水 轮 发 电机 组 ， 给 出两 组 软 反 馈 环 节 参 数 分 别 得 到 在 扰 动 下 机1和 机 2的 P 和 的仿 真 曲线 ，仿 真 图见 图 4、5。该 仿 真 实 验 说 明 ，当 设 置 为 4时 ，水 电机 组 在 扰 动 下 是 稳 定 的 ； 当 设 置 为 1时 ，水 电 机 组 在 扰 动 下 是 不 稳 定 的 。 槲 斟 图 4 水轮机调速 系统 = j 4 图 5 水轮机调速 系统 1 当 G1为水 轮 发 电机 组 ，G2为 火 电机 组 时 ，令 3 图 5 O u1 4 年4 月 褂 碍 哥 督 图 6机 1额定功率 1 2 0MW 时 图 7 机 1额定功率 4 8 0MW 时 图 8机 1额 定 功 率 1 6 O O MW 时 l =1 ， G2额 定 出 力 为 1 2 0 0 MW ， G1额 定 出 力 分 别 为 1 2 0、4 8 0、l 6 0 0 Mw ，在 扰动 下仿 真 曲线分 别 见 图 6 8 。该 仿 真实 验说 明 ，由于水 电机 组 G1的软 反 馈 环节 参 数 。 设 置 为 l ，使 得 水 电机组 G1成 为 不 稳定 系统 ，但 两机 系统 仍然 或 表现 为稳 定 的系 统 。 这 种现 象说 明 ，随着 水 电机组 比例在 系统 中的提 升 ， 整 个 系统 的 稳 定性 将 变 差 ，这种 状 况 使 得 系统 中功 率 振荡 或低 频振 荡现 象 更容 易发 生 。 由前 面 的 分 析 可 知 ，水 轮 发 电机 组 在 并 网 前 的 空 转 或 空 载 状 态 下 ， 为 保 证 机 组 的稳 定 性 ，需 将 调 速 系 统 软 调 整 为 较 大 的 值 。 为保 证 电 网 的 频 率 质 量 ，电 网对 机 组 应 对 变 动 负 荷 时 的 快 速 响 应 能 力 有 要 求 ，如 所 有 机 组 一 次 调 频 的 负 荷 调 整 幅 度 应 在 1 5 s内 达 到 理 论 计 算 的一 次 调 频 的 最 大 负 荷 调 整 幅 度 的 9 0 。水 轮 发 电 机 调 速 系统 的 整 定 值 ，对 机 组 应 对 变 动 负 荷 时 的 快 速 响 应 能 力 有 较 大 影 响 以 图 2所 示 两 机 系 统 为 例 ， t = 5 s时 ， GI承 担 的 有 功 负 荷 突 然 增 加 5 ，图 9给 出 了 G1 分 别 等 于 1 、 2、 3、4时 G1出 力 的 变 化 过 程 。 从 图 9中 可 以得 出 ， 值 越 小 ，G1的 响 应 负 荷 L0 6 l 05 l 04 1 , 03 料 t O2 1 01 1 00 0 1 0 2 0 3 0 40 5 0 60 7 0 8 0 90 图 9有 功 负 荷 增 加 5 时 G1出 力 。 变 化 过 程 而 调 整 的 速 度 越 快 ，此 例 说 明 ， 值 至 少 等 于 1 方 能 满 足 水 电 机 组 G1应 对 变 动 负 荷 时 的 快 速 响 应 能 力 要 求 此 例 中水 轮 发 电 机 组 G1在 并 入 电 网 前 的 启 动 过 程 及 停 机 过 程 中 ，为 保 证 机 组 的 稳 定 性 ，其 值 应 整 定 的 较 大 ，例 如 至 少 等 于 3； 当 水 轮 发 电 机 组 G1并 人 电 网 后 ，为 保 证 机 组 G1应 对 变 动 负 荷 时 的 快 速 响 应 能 力 要 求 ， 值 至 少 应 调 整 为 1 。 以 图 2所 示 两 机 系统 为 例 ，机组 G2代 表 系 统 中 的 火 电 机 组 ，是 稳 定 系 统 。 本 文 认 为 ：并 网 运 行 后 ，水 电 机 组 G1的 设 置 为 1，使 得 水 电 机 组 G1成 为 不 稳 定 系 统 但 两 机 系 统 仍 然 或 表 现 为 稳 定 的 系 统 。 但 水 电 机 组 G1是 不 稳 定 系 统 ， 显 然 将 降 低 整 个 系 统 的 稳 定 性 。 所 以 随 着 系 统 中 水 电机 组 比例 的 提 升 或 使 得 系 统 中 功 率 振 荡 现 象 更 易 发 生 。 3 结论 本 文 首 先 通 过 分 析 单 机 无 穷 大 系 统 中一 台 发 电 机 组 的 运 动 方 程 ，说 明 了系 统 功 率 振 荡 不 仅 与 作 用 在 发 电 机 组 转 轴 上 的 电 磁 力 矩 有 关 也 与 其 机 械 力 矩 有 关 。进 而 采 用 小 干 扰 理 论 及 仿 真 实 验 说 明 了 水 轮 机 调 速 系 统 的 软 反 馈 环 节 对 水 轮 发 电 机 组 的 动 态 稳 定 性 有 重 要 影 响 。 ( 下转 第 8 4页 ) 因此 本研 究建议 以乌江 梯级 近 6 0年 的水 文 资料 ( 1 9 5 2年 2 0 0 7年 )计 算 的 平 均 增 发 电 量 1 1 3 9亿 k W h为基 础 ，采用 5 ： 5比例 分配 法对 洪 家渡 龙 头 电 站 补偿 效 益 进行 分 配 ，即洪 家 渡 平均 每 年 的 补偿 效 益 为 5 7亿 k W h 。 3 研究结论 洪 家 渡 电 站 对 整 个 乌 江 干 流 梯 级 电 站 的 运 行 具 有 十分 重 要 的作 用 ，突 出表现 在 发 电方 面 。洪 家渡 电站 的合 理 运行 有 利 于 增加 下 游 电站 的发 电量 及 年 末 蓄 能 ，减 少 下游 电站 的 弃水 量 ， 同时 能够 降 低 下 游 电站 的发 电耗水 率 。根据 1 9 5 2年 2 0 0 7年 的计 算 结 果 来看 ，洪 家渡 电站 的投 产运 行 能 够使 乌 江 干 流 梯 级( 含 东 风 、索 风 营 、乌 江 渡 、构 皮 滩 、思 林 、 沙沱 )年 平 均增 加发 电量 1 1 3 9亿 k W h，增加 蓄 能 3 7 2 5亿 k W h，减 少 弃 水 量 2 8 1 2亿 IT I ，降 低 耗 水 率 0 01 m3 k W h 。 因此 ，洪 家 渡 电站 能够 使 整 个 梯 级 的水 量得 到充 分 利用 ，发 电量 得 到显 著增 加 ，实 现 流域 的效 益 最 大 化 。 另外 ，在 防洪 方 面 。洪 家 渡 电 站 的 合 理 调 度 能 够 大 大减 少 下 游 电 站 洪 水 场 次 ， 对 于频 率较 小 的洪 水 ，洪 家 渡 电站 也 能 够 有效 削减 下游 电站 的 洪峰 流 量 和 洪水 总 量 ，提高 整 个 流域 的 防 洪 能 力 。 洪 家 渡 电 站 作 为 乌 江 干 流 的 龙 头 电 站 ， 为 了 实 现 流域 水 能 资 源 的充 分 利用 ，并 实 现乌 江 水 电 开发 公 司 的 经 济 最 优 化 ，在 多 个 方 面 都 进 行 了 有 利 贡 献 。首先 ，从 电量 方 面 来 讲 ，洪 家 渡 电站 由于 调 节 性 能较 好 ，若仅 考 虑 自身 利 益进 行 运 行调 度 其 发 电 量 将 会大 大 优 于参 与 流 域 梯级 调 度 时 的发 电量 ，然 而 投 产之 后 ，基 于流 域 整 体 利益 考 虑 ，洪家 渡 电站 放 弃 了部 分 电量 。其 次 ，从 水量 方 面 来 讲 ，洪 家 渡 电站 单一 最 优 运行 的耗 水 率远 低 于 参 与 流域 梯 级 调 度 时 的耗 水 率 ，因此 为 提 高 流域 的整 体 效 益 。洪 家 渡 电 站 亦 做 出 了贡 献 。 除 此 之 外 ，从 电 价 方 面 来 讲 由于乌 江 水 电 开发 有 限公 司所 属 电站 电价 制 定 主 要 从 整 个 流 域 公 司 角 度 出 发 洪 家 渡 的 电 价 制 定 并 未兼 顾 其 电站 本 身 的特 点 定 价 偏 低 ，因此 从 电 价 角 度来 讲 ，洪 家 渡 电站 也 会 有效 益 损 失 。电站 受 建 设 成 本 、效 益 分 配 、电价 等 因 素 的影 响 ，投产 之 后 亏 损 状 况 严 重 ，极 大 地 挫 伤 了 发 电企 业 的 积 极 性 。洪 家渡 电站 对 整个 乌 江 干 流梯 级 电站 的 调度 运 行 影 响 是 显 而易 见 的 ，而且 是 可 以量 化 的 ，因 此本 研究 以历 史 资料 为 基 础 在 定 量 分析 了洪 家 渡 对 下 游 其他 电站水 量 、 电量影 响 的基 础 上 ，确 定 以 洪 家 渡 多 年 平 均 补 偿 电量 作 为 流 域 开 展 效 益 补 偿 的 依 据 并 根 据 理 论 研 究 和 现 行 政 策 ，提 出 以 5 ： 5分 配 法 作 为洪 家 渡 水库 调 节效 益补 偿 的 计算 方 法 ，为 乌 江 干 流 龙 头 电站 效 益 补 偿 问 题 的解 决 提 供 了 f 4 - 学 、 合 理 的依 据 。 4 应用前景 随着 水 电 的 发 展 ，流 域 整 体 开发 越 来 越 普 遍 ， 而 梯 级 龙 头 水 库 效 益 补 偿 是 流 域 开 发 中 较 为 常 见 的 问题 。本研 究 从 多个 角度 对 乌 江 干流 龙 头 电 站 的效 益 补 偿 进 行 了 详 细 的 研 究 ， 为 流 域 效 益 补 偿 问 题 的 解 决 提 供 了科 学 依 据 ，未 来 可 在此 基 础 上 制定 完 善 的效 益 补偿 政 策 或 制度 ，以弥 补龙 头 电站 的 效益 损 失 ，提 高 发 电企 业 的生产 积 极 性 。另一 方 面 ，乌 江 干流 龙 头 电站 效 益 补偿 问题 的研 究具 有 典 型 性 和 实 用价 值 其研 究 成 果 对 于相 似 开 发模 式 下 的龙 头 电 站效 益补 偿 问题具 有很 好 的借鉴 意 义 。 ( 责任编辑高 瑜) ( 上 接 第 8 0页 ) 水 轮 发 电机 组 在 并 人 电 网前 的 启 动 过 程 及 停 机 过 程 中 ，为 保 证 机 组 的 稳 定 性 ，其 调 速 系 统 的 软 反 馈 环 节 参 数 值 应 整 定 的 较 大 ； 当 水 轮 发 电 机 组 并 入 电 网 后 ，为 保 证 机 组 应 对 变 动 负 荷 时 的 快 速 响 应 能 力 要 求 ， 值 应 调 整 为 较 小 。 这 种 情 况 使 得 水 轮 发 电机 组 在 系 统 中所 占 的 比例 提 升 时 ，系 统 的动 态 稳 定 性 变 差 。该 问 题 或 是 导 致 近 几 年 系 统 中功 率 振 荡 或 低 频 振 荡 现 象 更 容 易 发 生 的原 因 之 一 。 应 对 这 一 情 况 进 行 较 深 入 的 考 虑 参考文献 ： 1 倪 以信 ，陈寿孙 动态电力 系统 的理论和分析 M 北京 ：清华 大学 出版社 2 0 0 1 徐衍会 ，贺仁睦 ，韩 志勇 电力系 统共振机 理低频振 荡扰动 源 分析 f J 中国电机工程学报 ，2 0 0 7，2 7 ( 1 7 ) ： 8 3 8 7 王铁强 ，贺 =_ 睦 ，王 卫国 ，等电力系统低 频振荡机 理 的研 究 J 中国电机工程学报 ，2 0 0 2 ，2 2 ( 2 ) ： 2 1 2 5 黄莹 ，徐 政 潘武 略 基于 P S S E的华东 电网低 频振荡分 析方 法 J 电网技术 ，2 0 0 5 ，2 9 ( 2 3 ) ： l 1 1 8 韩志勇 ，徐衍 会 ，等 水轮机 组与 电网耦 合对 电网动态 稳定 的 影响 J 电工技术学报 ，2 0 0 9 ，2 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