淺談電力系統(tǒng)的非同步振蕩

摘 要：分析了電力系統(tǒng)產(chǎn)生非同步振蕩的原因，給出了處理故障的方法，可提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的振蕩和失步。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；非同步振蕩；失步

電力系統(tǒng)運(yùn)行中的穩(wěn)定問題是安全生產(chǎn)的重要問題，龐大的電力系統(tǒng)中某個或一些發(fā)電廠一旦發(fā)生事故，故必然引起廣大地區(qū)的停電，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故和設(shè)備損壞事故。所以我們就要分析在發(fā)生事故時靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定的情況下，同步發(fā)電機(jī)能否保持同步的問題。（1）靜態(tài)穩(wěn)定：在某一穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)在經(jīng)受某一微小得干擾，如負(fù)荷的變化和原動機(jī)調(diào)速工作點(diǎn)發(fā)生變化后，能否恢復(fù)到原來的運(yùn)行狀態(tài)，如能即認(rèn)為穩(wěn)定，否則為不穩(wěn)定。（2）動態(tài)穩(wěn)定：電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下突然發(fā)生事故，如發(fā)電機(jī)、變壓器和輸電線路等發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電機(jī)能保持同步運(yùn)行及能經(jīng)受住最嚴(yán)重事故沖擊的系統(tǒng)，其動態(tài)穩(wěn)定水平最高。在實(shí)際中，靜態(tài)穩(wěn)定極限總是高于動態(tài)穩(wěn)定極限，故在電力系統(tǒng)是可以運(yùn)行的，但不能超過靜態(tài)極限運(yùn)行。

1、系統(tǒng)發(fā)生振蕩和失步過程的理論分析

當(dāng)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將大于系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，因而發(fā)電機(jī)機(jī)端電勢相量與系統(tǒng)電壓相量角度之間就有了相對運(yùn)動，發(fā)電機(jī)功角將逐漸增大。這兩者之間的相位發(fā)生周期性的變化，將導(dǎo)致連接兩電壓之間的使各點(diǎn)電位也隨時間而發(fā)生周期性的變化。如果我們假定系統(tǒng)電壓相量不變，因而可以將發(fā)電機(jī)相量與系統(tǒng)電壓相量等效成發(fā)電機(jī)相量圍繞系統(tǒng)電壓相量旋轉(zhuǎn)，但不是勻速旋轉(zhuǎn)，時快時慢。因而聯(lián)解網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)電壓向量的端點(diǎn)將分別在各圓周上運(yùn)動。它們的大小將不斷地波動。同時，連接網(wǎng)絡(luò)中的電流也隨發(fā)電機(jī)功角的變化而變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)電勢與系統(tǒng)電勢方向相反時，網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)電壓都降至最低，連接網(wǎng)絡(luò)中的電流最大。由于電壓從正值一直變化到負(fù)值，在連接網(wǎng)絡(luò)中的某些點(diǎn)電壓將下降為零，就如同在該點(diǎn)出現(xiàn)瞬時性三相短路，我們將這一點(diǎn)稱為振蕩中心。很明顯，在振蕩過程中，振蕩中心的電壓周期性的為零，相當(dāng)于周期性的在振蕩中心處出現(xiàn)三相短路。如果振蕩中心出現(xiàn)在輸電線路上，由于系統(tǒng)電壓和發(fā)電機(jī)電勢幅值上一般不會完全相等，振蕩中心處的電壓不會完全為零，但仍會損失部分負(fù)荷，對系統(tǒng)的影響不是很大。如果由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩時振蕩中心可能靠近發(fā)電機(jī)機(jī)端甚至是發(fā)電機(jī)內(nèi)部，發(fā)電機(jī)機(jī)端三相故障對發(fā)電機(jī)來說是一個非常嚴(yán)重的故障。因此，在系統(tǒng)振蕩時，必須嚴(yán)格區(qū)分振蕩中心的位置，以便發(fā)電機(jī)保護(hù)做出最合適的對策。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，并不是所有振蕩都將導(dǎo)致系統(tǒng)失步并最后導(dǎo)致系統(tǒng)解列。由于系統(tǒng)阻尼的存在，對于一般不嚴(yán)重的系統(tǒng)振蕩在系統(tǒng)阻尼的作用下可能經(jīng)過幾個周波的振蕩后最終自行平息。因此一般可以將振蕩分為兩種類型。一種是由于振蕩中阻尼的存在，振蕩能量慢慢被消耗，振幅越來越小，逐漸衰減，在經(jīng)過一定的往返振蕩后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于新的平衡位置，進(jìn)入了新的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，這種振蕩稱為穩(wěn)定振蕩。另一種功率角不斷增大，在其振蕩過程中振幅越來越大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被拖出同步轉(zhuǎn)速，而無法進(jìn)入新的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，稱為不穩(wěn)定振蕩。

2、電力系統(tǒng)產(chǎn)生非同步振蕩的原因

（1）電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞引起非同步振蕩。當(dāng)系統(tǒng)中的振蕩過程自己不能拉入同步時，表計(jì)擺動幅度越來越大，振蕩越來嚴(yán)重，此時系統(tǒng)進(jìn)入非同步振蕩。全系統(tǒng)的電流、電壓、功率以及頻率表計(jì)都在擺動，只是擺動的幅度和大小不同。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在脈動力矩的作用下產(chǎn)生有節(jié)奏的鳴音。

（2）電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定遭到破壞，處于正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電力系統(tǒng)時時刻刻會受到隨機(jī)性的干擾，如接入或切除不大的負(fù)荷，系統(tǒng)接線的切換，線路擺動，氣溫和氣壓變化引起的系統(tǒng)參數(shù)變化等等。所受到的干擾可以是瞬時性的，也可以是永久性的。

（3）發(fā)電機(jī)失磁引起系統(tǒng)非同步振蕩。失磁后的發(fā)電機(jī)將要進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，并要從系統(tǒng)中吸取大量無功功率，使得系統(tǒng)電壓下降，可能引起系統(tǒng)振蕩，威脅到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）電源間非同步合閘未能拖入同步，大容量機(jī)組故障跳閘，使系統(tǒng)等阻值阻抗增加，并使電壓下降造成聯(lián)絡(luò)穩(wěn)定極限下降，引起系統(tǒng)的非同步振蕩也是比較常見的。

綜上所述，盡管引發(fā)系統(tǒng)振蕩的原因多種多樣，但是結(jié)果都是表現(xiàn)為一臺或幾臺發(fā)電機(jī)的功角相對其他發(fā)電機(jī)的功角發(fā)生周期性的擺動，系統(tǒng)振蕩對發(fā)電機(jī)會導(dǎo)致巨大的危害，我們必須深刻認(rèn)識振蕩過程，采取一切措施平息振蕩。

3、系統(tǒng)發(fā)生振蕩和失步的現(xiàn)象

（1）定子電流表的指針向兩側(cè)劇烈擺動，電流超過正常值的情況。這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)電勢間的夾角發(fā)生了變化，出現(xiàn)電勢差，在此作用下造成定子電流表的指針來回?cái)[動，而這個電流值就超過正常值。

（2）發(fā)電機(jī)電壓表和其他母線電壓表的指針劇烈擺動，且經(jīng)常是降低。在兩個振蕩部分間的各點(diǎn)電壓，包括發(fā)電廠的主母線及發(fā)電機(jī)母線的電壓，都與振蕩部分發(fā)電機(jī)電勢間的夾角有關(guān)。夾角變化，電壓就擺動，其它各點(diǎn)電壓比正常低。

（3）有功電力表的指針在全刻擺動。這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)在未失步時的振蕩過程中，向系統(tǒng)送出有功功率的緣故。

（4）轉(zhuǎn)子電流表的指針在正常值附近擺動。這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)在振蕩和失步時，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間有相對速度的緣故，這樣轉(zhuǎn)子的鐵芯表面和繞組等處感應(yīng)出交流電，她隨著定子電流的波動而波動，并在轉(zhuǎn)子入組中疊加在原來的勵磁電流上，使轉(zhuǎn)子電流表的指針在正常值附近擺動。

（5）失去同步的發(fā)電廠間聯(lián)絡(luò)線的輸送功率往返擺動，有時送出有功功率或吸收無功功率，送電端部分系統(tǒng)的周波升高，受電端則降低，并略有擺動。

4、發(fā)電機(jī)振蕩或失步的危害

正常運(yùn)行時，電力系統(tǒng)中各臺發(fā)電機(jī)都處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些重大事故（例如穩(wěn)定破壞、非同期合閘而拖入同步等），就會破壞發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生振蕩。如果事故的情況不嚴(yán)重，則發(fā)電機(jī)的電流、電壓和負(fù)荷經(jīng)過短時間的波動之后，就會恢復(fù)到平衡狀態(tài)，繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。如果事故嚴(yán)重，就可能使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩，使發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步，萬一處理不當(dāng)或保護(hù)拒動將導(dǎo)致大面積停電以致整個系統(tǒng)瓦解，其后果是極其嚴(yán)重的。

5、系統(tǒng)發(fā)生振蕩和失步的處理

當(dāng)發(fā)生振蕩或失步時，應(yīng)迅速判斷是否由于本廠范圍內(nèi)在執(zhí)行重大操作過程中發(fā)生了誤操作，同時，觀察是否某臺發(fā)電機(jī)發(fā)生了失磁。如本廠情況正常，則應(yīng)了解是否發(fā)生了系統(tǒng)故障，以判斷發(fā)生振蕩或失步的原因。

由于電力系統(tǒng)的逐步完善，采取了很多提高穩(wěn)定性的措施，例如采用多回線環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，裝設(shè)了先進(jìn)的快速自動調(diào)節(jié)勵磁裝置；使用快速繼電保護(hù)等。一般情況下，即使發(fā)生了波動，也能在很短的時間內(nèi)自動恢復(fù)正常，有時可能振蕩數(shù)秒鐘，也能自動恢復(fù)。

5.1 人工再同步

（1）人為調(diào)整，使失去同步的系統(tǒng)各部分間頻率相等，即頻率降低部分的系統(tǒng)發(fā)電廠增加有功功率，升高頻率，必要時切除部分負(fù)荷，把電壓提高到最大值；頻率升高的部分應(yīng)降低有功功率，以降低頻率（不應(yīng)低于48~49HZ，否則自動低頻裝置動作）。

（2）將頻率升高的送端系統(tǒng)中部分機(jī)組解列，并入頻率降低的受端系統(tǒng)中去（即頻率最低可降至49.5，若繼續(xù)下降則按事故拉閘順序拉閘，使頻率升至49.5以上）。

（3）按值班調(diào)度員命令，啟動若干備用機(jī)組并入到頻率降低的受端系統(tǒng)中去。

（4）增加各臺發(fā)電機(jī)的勵磁。使勵磁電流達(dá)到最大值，以幫助恢復(fù)同步。

5.2 系統(tǒng)解列法

在經(jīng)上述處理方法無效時，系統(tǒng)值班員應(yīng)在事先規(guī)定的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)將非同期的兩部分系統(tǒng)解列運(yùn)行，以免發(fā)電機(jī)因持續(xù)過電流而損壞。其解列地點(diǎn)的選擇原則如下：

在易于振蕩的系統(tǒng)部分之間潮流分界點(diǎn)上，或者在交功率最小處。

應(yīng)使解列后的系統(tǒng)容量足夠大，因?yàn)榇笕萘肯到y(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。故在系統(tǒng)間設(shè)置小量的解列點(diǎn)，但發(fā)電機(jī)出口主斷路器不能作為解列點(diǎn)。

選擇操作方便、通信方便，遠(yuǎn)動技術(shù)先進(jìn)的處所。

按以上分析處理電力系統(tǒng)產(chǎn)生非同步振蕩的原因及處理故障的方法，可提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的振蕩和失步。

作者簡介：

孫卉（1984-），女，本科，從事電氣工程及自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。