摘要：在社会经济高速发展时期，电网逐渐形成跨区域、大工程、远距离输电的全国性互联电力系统，但电力系统中出现较大的负荷扰动时，系统频率与系统稳态运行时有很大偏差，若不及时采取有效的措施来阻止系统频率的进一步变化，则有可能造成系统发电机组的连续跳闸、解列运行，出现大范围的停电现。为此，频率是现今电力系统能否安全稳定运行的关键性参考因素。大范围停电事故中，系统频率会急剧下降，当下降到机组保护装置设定的动作频率临界值时，保护装置动作，使得发电机组解列运行，系统频率出现崩溃事件。
关键词：励磁装置；电力系统；频率动态行为
引言
频率作为电力系统的重要参数，是衡量电能质量的主要指标之一。当电力系统遭受各种扰动(如短路、切除发电机、切除负荷等)后，由于系统有功功率平衡遭到破坏，必然会导致系统频率发生扰动从而发生频率动态过程。频率扰动会随着母线进行传播，机电扰动在系统中的传播可能会影响到电力系统的安全稳定运行。研究机电扰动的传播对深刻认识电力系统的动态机理、进行动态稳定性分析以及建立安全稳定的控制系统有着重要的意义。
1励磁装置对电力系统频率动态行为的影响
电力系统的控制系统的目标变量是频率和电压，为多变量和多控制参数的系统，它由励磁装置、调速器及发电机组构成。在控制系统中，调速与励磁之间会存在输入输出信号间的耦合，而这将会对系统的控制性能产生影响。交流电的频率是和发电机机组转速直接相对应的电频率，其关系式为：
式中，为发电机内电势E与系统的电压U间的系统总电抗（设电阻为零）。励磁影响电动势E，根据有功功率的传输公式(3)，从而也影响有功功率的传输，这样就对机电暂态以至于频率问题产生影响。如果E为恒值，就意味着励磁系统性能极佳，可以维持发电机内电动势不变。但通常情况下，发电机的励磁系统性能没有那么好，不能维持E不变，有时候为了保持功率输出而维持端电压U，还需要强行励磁。
以发生三相短路为例，当系统不带励磁器时，电力系统电压U会突然下降，则由式(3)可得电磁功率Pe也会突然下降，但机械功率Pm保持不变，则由式(2)可得Pm和Pe之间会出现一个较大的差值，导致电力系统机组加速度dω/dt较大，则频率波动也就较大。而当系统有励磁作用时，短路后电压调节器的输出会增大，致使励磁电压升高，励磁电流逐渐增大，从而调节发电机电压达到额定值，使电磁功率上升，则Pm和Pe之差将会更快减小，加速度dω/dt就较小，频率波动也就较小。
尤其是在短路故障切除之后，系统与发电机间的等值阻抗将大为减小，强励的作用将大为增强，这时强行励磁可以增大电磁功率。如果输送功率较大，或者短路持续时间较长的情况下，那么短路切除之后发电机的电压将小于额定电压，此时励磁将继续使电压升高到额定电压。多数情况下，短路切除的时候发电机电压已经非常接近额定电压，那么只需要非常短的时间发电机电压就会达到额定电压，励磁也就随即会停止作用，虽然作用时间很短，但励磁控制提高第一摆的暂态稳定基本靠的就是这个时间段内的作用，即励磁有助于减小频率振荡的第一摆的幅度。而当振荡已经在衰减的时候，励磁系统会提供阻尼来平息振荡，在这个阶段之前，励磁主要作用于提高电动势来增大第一摆的减速面积，来防止发电机失去同步，这对维持系统的稳定性起着决定性的作用，但有可能引入负阻尼；但当第一摆过后励磁就会提供系统阻尼来抵消之前负阻尼导致的失步，使频率振荡逐渐衰减。据此，若选择合适的励磁调节系统的参数和适当的调节规律来平衡发电机输出的有功功率与负荷吸收的有功功率，就能使当励磁装置与调速器协同工作时，就能快速减少相应时段内Pm和Pe之差，有效抑制频率波动。
2仿真算例
本文在PSS/E仿真软件中搭建典型的3机9节点系统，该系统采用小区域电网实际数据搭建，相关设定如下：
（1）负荷模型。3机9节点系统采用常用的恒阻抗负荷。
（2）故障类型。对三相短路大扰动进行分析和仿真。
（3）故障持续时间。三相短路故障发生在仿真的第3s，将持续0.07s，之后恢复原状。
（4）负荷增大比例。对负荷突然增大的大扰动，本系统选择增大一条母线上50%的负荷，其中有功负荷由90MW增大到135MW，无功负荷由30Mvar增大到45Mvar。
（5）本系统有3个发电机，因为发电机仿真波形十分接近，故本节选择其中1个发电机为例，展示仿真结果。
2.1 SEXS励磁器
带SEXS励磁器后，系统的发电机角度会很快回到稳态，而不带励磁器时的发电机角度会偏移；短路后，励磁系统的作用会出现一个较大的励磁电压，使得发电机端电压迅速增大再将回到原先的值，而不带励磁器时发电机电压则只能缓缓回升。发电机转速偏差与电磁功率的波动频率依然相同，不带SEXS励磁器时系统发生故障后，频率将上升再下降到低于稳态的值，经过近30s才回到原先的稳态值，而带上励磁器后，频率仅有前10s会有较大幅度的波动，之后便很快回到稳态，提高了电力系统的频率稳定。
2.2 IEEET1励磁器
带IEEET1励磁器时的仿真曲线与带SEXS励磁器时十分相似。带上IEEET1励磁器后，系统的励磁电压峰值比带SEXS励磁器稍低，可以从励磁电压看到IEEET1励磁器的作用时间更长一些；同时，从发电机转速偏差中可以看到，比起SEXS励磁器，使用IEEET1励磁器时频率重新达到稳态所需要的时间更短。
结语
本文通过PSS/E进行仿真，从仿真曲线上观察和分析，可以得到的结论如下：
（1）发生三相短路后，ISEXS励磁器的频率振幅会比另外两种励磁器大一些，并且达到稳态的速度也不如IEEET1励磁器。
（2）电力系统受到大扰动时，励磁系统的作用将使发电机电压上升速度明显加快，并对频率的振荡幅度、振荡频率、发电机功角都产生影响。
（3）参数合适的励磁器的存在可以减弱频率的波动，而如果参数不合适，则会对电力系统的频率稳定产生负面的影响。
参考文献
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论文作者:翟永强
论文发表刊物:《中国电业》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/16
标签：励磁论文; 频率论文; 发电机论文; 系统论文; 电压论文; 电力系统论文; 稳态论文; 《中国电业》2019年第12期论文;