具有脈沖負載波動的電力系統穩定性分析

覃興甲

摘要：電力系統是供電和用電設備組合在一起的一個整體，各設備之間運行情況變化大，系統應能自動地迅速消除擾亂，繼續正常工作，這樣就大大提高系統運行的穩定性，采取系統解列、異步運行和再同步等應急措施，以減少損失，盡快恢復對用戶的正常供電。隨著電力市場化的推進，與其他電力公司的電力互換，電力輸送的擴大，以及配電系統中分布式電源的導入，使得對系統規劃運行的靈活性要求更高，有必要超出既往的探討范圍來考慮系統的規劃運行。本文將重點分析具有脈沖負載波動的電力系統穩定性。

關鍵詞：脈沖負載波動;電力系統;穩定性;策略

前言

原動機功率和發電機的電磁功率之間產生功率不平衡，將會引起發電機轉速的改變，即引起電力系統頻率的變化。電網頻率是發電功率和用電負荷平衡的依據。當發電功率與用電負荷相等時，電網頻率維持在額定值; 當發電功率大于用電負荷時，電網頻率升高;當發電功率小于用電負荷時，電網頻率降低。

一、電力系統的組成和接線方式

簡單來說，在電力系統正常運行過程中，整個電力系統具有相同的頻率。同步發電機組發出的交流電的頻率是和機組的轉速相對應的。第一，負荷決定頻率。頻率穩定的本質是有功平衡問題。不管多么先進的系統和設備，都會存在發生故障的潛在危險，電力系統的輸電線路也不例外，并且，電力系統在事故發生后，原有的正常系統也會發生相應的改變，增加搶修工作的難度，甚至會造成電力系統大面積的癱瘓，影響人們正常使用電能。因而，在電力系統設計之初就要充分重視輸電線路的穩定性設計，融入應急措施設計，保障電力系統的正常安全高效運轉。因而，電力系統在進行設計時就要長遠考慮到可能出現的危險和發生的故障以及采取的應對措施等等，其中就包括每一種常見故障發生情況下的暫態穩定，要求電力系統輸電線路的實際傳送電能的能力高于電能應用的場合，在發生故障時，系統可以自行啟動串聯補償機制措施，快速控制故障現場局面，縮小故障。

電力系統的四大主要元件：發電機、變壓器、電力線路、負荷。動力系統包括動力部分（火電廠的鍋爐和汽輪機、水電廠的水庫和水輪機、核電廠的核反應堆和汽輪機）和電力系統。電力網包括變壓器和電力線路。用戶只能從一回線路獲得電能的接線方式稱為無備用接線方式。電力系統的運行特點電能的生產、傳輸、分配和消費具有：①重要性、②快速性、③同時性。電力系統運行的基本要求：①安全可靠持續供電（首要要求）、②優質、③經濟根。據負荷的重要程度（供電可靠性）將負荷分為三級。電壓質量分為：①電壓允許偏差、②三相電壓允許不平衡度、③公網諧波、④電壓允許波動與閃變衡量電能質量的指標：①電壓、②頻率、③波形（電壓畸變率）10kV公用電網電壓畸變率不超過4%。抑制諧波的主要措施：①變壓器星三角接線、②加裝調諧波器、③并聯電容/串聯電抗、④增加整流器的脈沖次數衡量電力系統運行經濟性的指標：①燃料損耗率、②廠用電率、③網損率

線損包括：①管理線損、②理論線損、③不明線計算方法：①最大負荷損耗時間法②最大負荷損失因數法③均方根電流法

二、電力系統的額定頻率和額定電壓

電力線路的額定電壓（也稱電力網的額定電壓）與用電設備的額定電壓相同。正常運行時電力線路首端的運行電壓通常為用電設備額定電壓的105%，末端電壓為額定電壓。發電機的額定電壓比電力網的額定電壓高5%。變壓器的一次繞組相當于用電設備，其額定電壓與電力線路的額定電壓相同;但變壓器直接與發電機相連時，其額定電壓與發電機額定電壓相同，即為該電壓級額定電壓的105%。變壓器的二次繞組相當于電源，其輸出電壓應較額定電壓高5%，但因變壓器本身漏抗的電壓損耗在額定負荷時約為5%，所以變壓器二次側的額定電壓規定比額定電壓高10%。降壓變壓器二次側連接10kV線路，當短路電壓百分比小于7.5%（變壓器本身漏抗的電壓損耗較小）時，比線路額定電壓高5%。變壓器二次側的額定電壓是指其二次側空載時的端電壓，帶負荷時二次側電壓低于其額定電壓。

三、電流優先模式試驗

電流優先模式是電子負載最常見的設置。一個簡單的例子就是以恒流方式消耗電池電量，以確定其存儲的總能量。隨著電池中的電流被消耗，電池的電壓下降。了解電壓和剩余電量之間的關系可以讓器件預估自己剩余的運行時間。隨著電池的電流被消耗，電池中的化學結構呈現出獨特的電壓曲線。當電池到達其電壓閾值下限時，電池一定要停止使用，否則會因為電壓超過閾值下限而損壞電池。放電過程與此相似，以恒流進行放電，直到達到 2.5 V 的截止電壓。消耗的電流量可在0 到 20 A 之間波動，但大電流會使得充電和放電的次數減少，從而影響電池的使用壽命。將電池放電至截止電壓以下也會縮短電池的使用壽命。運行時間通過放電圖確定。

電池可以支持 1 C 放電一小時，或者以 （1 C）/（5 h） = 0.2 C 速率放電五小時。鋰離子電池在 0.2 C 放電速率下通常具有稍高的容量。最后，溫度會影響電池容量和放電電壓。25 °C 以上的溫度是理想溫度，低于這個溫度，電池的容量和電壓均會下降。您可以使用萬用表監測電壓，確保電池在 2.5 V 截止電壓下不會繼續放電。許多電池測試都會用到電子負載，例如容量保持測試、內部阻抗測量、生命周期性能測試、溫度測試和濫用測試。容量測試是最常見的電池測試，因為它直接關系到器件的運行時間。容量測試會使用不同的恒定放電率，有時甚至使用動態電流來仿真以不同速率消耗電流的設備。許多設備通過在空閑或睡眠狀態下消耗非常小的功率，而只在活動狀態下消耗大電流的方式來省電。

為了確定器件的運行時間，我們需要了解電池在不同的放電速率下會做出怎樣的響應。圖 2 所示為幾種恒定的放電速率：1.5 C，1 C，2 C。如果充電電壓高于 4.0 V，鋰離子電池會承受巨大的內部壓力。圖上所示為電池恢復到衰減狀態時電壓迅速下降。在電壓下降到 3.2 至 3.1 V 之間，電壓還是呈線性下降。一旦低于這個電壓，電池電壓下降得非常迅速。電池容量以電流放電進行計算，500 mA 乘以運行時間 4.5 小時，即為 2250 mAh。測得的電池容量一般比規定的容量小，因為它們是在 4.1 至 2.6 V 的較小工作范圍內測量的。

四、結束語

如果現代電力系統中，常規發電機組原動機功率Pm與其本身特性有關，并非恒定不變，但相對來說比較容易控制。發電機的電磁功率一方面取決于自身的電磁特性，另一方面受到負荷特性的影響，難于控制。但從理論定性分析中，我們假定Pm是不變的。其實同步機的電磁功率也和其實際發出的有功功率有一些偏差，但我們這里也假定Pe就是發電機發出的功率。簡單來說，負載增大導致頻率下降負載減小導致頻率上升，跟頻率曲線有關系，而頻率曲線是發電機組的固有屬性。發電機組通過調整氣閥來調節有功輸出，從而實現有功輸出隨著負載變化而變化，簡稱AGC。但這個調節能力是小范圍的。當出現負載大幅度波動時，就需要甩負載或者甩機組來進行頻率調整。

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