邻近发电机组的冲击负荷对功率分配的影响

乔立慧

（山西工程职业技术学院，山西 太原 030009）

邻近发电机组的冲击负荷对功率分配的影响

乔立慧

（山西工程职业技术学院，山西 太原 030009）

针对交流电弧炉运行中所产生的巨幅频繁变化的冲击负荷，分析了在调速器动作之前和调速器动作之后对邻近发电机组功率分配的影响，并提出通过合理选择冲击负荷接入点，来减少对系统发电机的冲击影响，最后通过某地区实际电网验证了分析结论的正确性和可行性。

交流电弧炉；冲击负荷；冲击功率分配；调速器；电网；发电机

0 引言

交流电弧炉在熔化期下降电极起弧、“穿井”期间炉料崩塌使电极接触废钢造成短路后电极快速提升引发断弧，造成负荷的巨幅频繁变化，从而引起电压的大幅波动和局部频率的变化，有可能影响电力系统临近发电机组的正常运行。目前，针对无功功率变化从而引起的电压波动，通过安装静止型动态无功补偿装置SVC（Static Var Compensator）可以得到有效解决。对于有功功率的冲击对临近发电机组的影响研究还很少，也缺乏有效地治理措施[1-2]。此外，对于由联络线连接的区域电力系统而言，冲击功率每一次冲击都伴随着两区域间发电机群之间的功率摇摆，这些机群在不同时刻，对于冲击做出不同地响应，使这些电机群间的联络线上功率振荡，有可能导致系统不稳定。

1 基本原理

如图1所示的电力网络，当在网络中某处突然加上负荷PLΔ时，负荷的突然变化会造成发电机与负荷间的不平衡，在系统平息到新的稳态情况之前，将要产生一个振荡的暂态过程。假设网络已简化成内部的发电机节点i（1，2…n） 和加上冲击PLΔ的负荷节点k。

图1 在节点k上加上冲击功率的网络

发电机用暂态电抗后的恒定电势的经典模型来表示，流入节点i的功率为

式中：Gii、Gij、Gik——节点处的电导；

Bik——转移电纳；

Ei、Ej——节点处的电动势；

Vk——节点电压；

EiEjBijsinδij——i和j间的功率系数；

EjVkBkjsinδkj——k和j间的功率系数。

对于高压电网，电导接近于零，则

而流入负荷节点k的功率为

在PLΔ发生的瞬间，节点k的电压由于无功功率恒定不变，而它的相角由于有功功率发生了变化，即由Vk＜δk0变为Vk＜δk0+δkΔ，加上发电机转子的惯性，发电机节点的内角δ1，δ2…，δn，不会立即改变。

对于非线性功率方程式（2）和式（3），因为只关心冲击负荷功率PLΔ，方程线性化后得

并且只确定变化量PiΔ和PkΔ。对于任何k、j，三角函数线性化为

因为δkj=-δjk，由三角函数线性化可将式（2）和式（3）消去初始值，得

其中，PSij=EiEjBijcosδij0，称为i和j间的同步功率系数；PSkj=EjVkBkjcosδkj0，称为k和j间的同步功率系数。

对于冲击发生瞬间的t=0+时刻，需要精确地确定在冲击功率PLΔ中由每台发电机所供给的PiΔ（i=1，2，…n）。

在t=0+的瞬间，由于转子的惯性对于所有发电机δiΔ=0，可以得到

则式（8）和（9）成为

比较式（13）和式（14）方程，在节点有

在节点i，PiΔ决定于Bikcosδik0。转移电纳Bik愈高，初始角δik0愈小，由发电机i所承担的冲击分量就愈大。又因为PkΔ=-PLΔ，则

从式（15）和式（16）式可得

在负荷冲击的瞬间（即t=0+），发电机所供给的能量是它们磁场中所贮藏的能量，而且是按照i和k间的同步功率系数进行分配。由PSkj=EiVkBkjcosδkj0=得知

由于Ei和Vk大小不变，在电气上靠近冲击点的发电机，将承担较大的负荷而与其容量的大小无关。

因电机i突然增大输出功率PiΔ，造成转轴减速，决定电机i运动的增量微分方程为

式中：wR——基准系统的角频率；

PiΔ（t）——某时刻功率变化量。

将式（18）代入式（20）算出加速度的值为

显然，对于正的冲击负荷，转轴要减速，且与同步功率系数和惯性常数有关。

在调速器动作前，即0＜t＜t1期间，其中t1是调速器开始动作的时间。在不大于数秒钟的一个短暂的时期，把系统看成一个整体，在这时期内发电机将全面地减速。为求得平均加速度，对所有数值的方程组式（21）相加得

在0＜t＜t1期间，不同的发电机将仅按其惯性时间常数的函数来分担负荷的增加，并且，时间t1要足够大，使得所有的发电机将获得平均的系统减速。在调速器动作后，即t＞t1时，发电机将按照调速器的下降特性来分担负荷。这个阶段的转变是振荡的[3]，具有调速系统的机械功率的变化PmΔ如下（略去PeΔ）

式中：R——调速率；

τs——伺服马达的时间常数。

在S域内电机i的摇摆方程成为

系统的特征方程可写成

从式（27）可估算出振荡的固有频率。

2 原动机调速系统模型

调速系统模型如图2所示。

图2 原动机调速系统模型

3 算例及分析

用上述方法对某实际电网进行仿真计算，其中不考虑负荷的无功分量。算例系统中重点研究区域的接线图如图3所示，图3中，C、D为系统的220kV变电站，E为500kV变电站，F和G分别接200MW的发电机，A、B为炼钢厂220kV降压站，A1、A2、A3、B1、B2、B3为炼钢厂110kV降压站。A站是冲击负荷的接入点。

图3 某区域仿真系统

在节点A处接入2台160t电弧炉，有功冲击达100MW，其所在处的最大短路容量为10526MVA，计算所用的基值容量为100MVA，分别对F站和G站的发电机的功率分配问题进行分析，且两站内的电机的惯性常数相等。

使用暂态稳定程序B P A，对于无调节器作用的系统运行情况，即冲击加上后（t=0+）和初始暂态已平静下来经过一个短时间（t=t1）后两站的发电机的功率分配，以及对于t＞t1调节器动作后，F站和G站的发电机的功率分配。

3.1 t=0+功率分配仿真结果

在负荷冲击的瞬间（即t=0+），取仿真时间为5 0个周期，F站和G站的发电机的功率仿真曲线如图4所示。

图4 t=0+发电机功率分配曲线

从图4可以看出F站的初始功率为203.4MW，G站的初始功率为200.15MW，在t=0+瞬间，发电机所供给的能源是它们磁场中所贮藏的能量，而且是按照F和G间的同步功率系数进行分配。发电机的转子角不能立即移动，因此，发电机供给的能量不能立即来自转动部分所贮藏的能量。因为F站的发电机靠近冲击点，它的同步功率系数比G站要大。因此，在电气上在t=0+时，靠近冲击点的发电机，将承担较大的负荷而与其容量的大小无关，这与实际中的值是吻合的。为了减少冲击负荷对电力系统发电机的影响，可以将冲击负荷接入距离该发电机电气距离较远的地方。

3.2 t=t1功率分配仿真结果

一个短的暂态过去后，为使时间t1足够大，以便验证上面理论计算的结论，不妨把发电机的调速系统去掉，取仿真时间为500个周期，F站和G站发电机的功率仿真曲线如图5所示。

图5 t=t1发电机功率分配曲线

从图5可看出F处和G处在t1时刻功率分配基本相同，这是因为在初始暂态终了时，负荷的冲击功率PLΔ将由电机按它们的惯性来分担。而实际中F和G处电机的惯性常数相同。

3.3 t＞t1功率分配仿真结果

时间t选择足够大后，转速的变化将为原动机的调速器感知，即调速器动作后，它们的动作使得发电机按照调速器的下降特性来分担负荷。仿真曲线如图6所示。

从图6可看出，调速器动作后，F处的转速偏差要大于G处，意味着在F处的发电机上有大的负荷增加。因为调速器具有下降的特性，在额外负荷存在期间转速要保持一个偏差。如果是一个大的偏差，则分配的功率就多，即t＞t1时，功率分配是按调速器的下降特性来分担的。

图6 t＞t1发电机转速偏差曲线

4 结论

对交流电弧炉在邻近发电机组时产生的冲击负荷对功率分配的影响进行仿真，结果表明，在不考虑负荷无功分量的情况下，随着一个冲击负荷的变化，同步发电机将按照同步功率系数来分担冲击，也就是说在电气上靠近冲击点的发电机，将承担较大的负荷而与其容量的大小无关，经过一个短的时期后将按惯性来分担，最后转速的变化将为原动机的调速器感知，它们的动作使得发电机按照调速器的下降特性来分担负荷。如果此时的系统频率偏差超出了调频机组动作的限值，则调频厂的发电机组将会承担所有的负荷冲击功率，从而保证频率不变。可以通过合理选择冲击负荷接入点来减少对系统发电机的冲击影响，即将冲击负荷接入距离受影响发电机电气距离较远的地方。

［1］ 顾丹珍，艾芊，陈陈，等.冲击负荷实用建模新方法［J］.电力系统自动化，2006，30（20）：10-14．

［2］ 毕胜春，张鑫，沈斌.冲击负荷对地区电网影响的分析与对策［J］.上海电力学院学报，1999，15（3）：6-12．

［3］ 高超，程浩忠，李宏仲，等.大容量冲击负荷对地区电网暂稳定性的影响［J］.电网技术，2008，32（1）：33-35.

Research on the Influence of Impact Loads of Adjacent Generators on Power Assignment

QIAO Li-hui
（Shanxi Engineering Vocational College，Taiyuan，Shanxi030009，China）

In this paper,it analyzes the influences of the impact load of AC electrical arc furnace on the assignment of impact power of adjacent generator units before and after the action of the governor.Appropriate connection to impact load can reduce the impact influence on generator.The author then proposes measures of improvement and verifies the correctness and feasibility of the conclusions of this analysis by giving an example of the power grid in a region.

AC electrical arc furnace；impact load；impulse power assignment；governor；power grid；generator

TM761+.23

A

1671-0320（2012）01-0040-04

2011-10-10，

2011-11-21

乔立慧（1963-），女，山西太谷人，1985年毕业于太原工业大学电力系统及其自动化专业，副教授，从事电气自动化的教学与研究。