電力系統中同步發(fā)電機搖擺振蕩的非線性動力學特性研究.pdf

1、近年來，我國電網規(guī)模越來越大，電網結構和特性日趨復雜，電網互聯影響越來越明顯，由此帶來的各種振蕩失穩(wěn)現象變得更易出現。又由于環(huán)境和投資條件的限制，電力系統通常在重負荷條件下接近其穩(wěn)定極限狀態(tài)運行，當實際的電力系統遇到各種擾動時，電力系統的穩(wěn)定性極易受到影響，這是制約其安全穩(wěn)定運行的重要因素。增強電力系統的穩(wěn)定性一直都是電力系統發(fā)展過程當中面臨的緊迫而艱巨的任務，同時也表明當前電力系統穩(wěn)定性的研究具有重要意義，迫切需要采用新理論新方法對電

2、力系統失穩(wěn)機理進行深入研究。
　　電力系統的功角穩(wěn)定性與同步發(fā)電機轉子的機械運動密切相關，一直是電力系統穩(wěn)定性研究的焦點問題，許多具有破壞性的不穩(wěn)定事故都是由發(fā)電機功角失穩(wěn)造成的。因為機電耦合的相互作用，其中涉及到的動力學問題非常復雜，發(fā)電機轉子搖擺運動可能會發(fā)生主共振、組合共振等振蕩形式，由振蕩誘發(fā)的發(fā)電機失步現象甚至電力系統失穩(wěn)等事故時有發(fā)生。電力系統作為一個典型的非線性動力系統，會表現出極其豐富的非線性動力學現象。應用非線性

3、動力學理論深入研究同步發(fā)電機功角的振蕩和分岔規(guī)律，指導人們采取有效的控制手段，是具有重要理論意義和實際意義的研究課題。
　　本文以同步發(fā)電機轉子運動方程(又稱搖擺方程)為對象，通過解析分析和數值模擬相結合的手段，深入地研究了不同大小規(guī)模的電力系統中搖擺方程表現出來的一些非線性動力學現象及同步發(fā)電機的振蕩失步機理。
　　首先研究了周期性負荷擾動作用下單機無窮大電力系統搖擺方程的分岔和混沌特性?？紤]了與系統狀態(tài)變量相關的阻尼轉矩

4、的影響，建立了該系統的搖擺方程，用多尺度法得到了系統小幅搖擺振蕩的周期解與幅頻響應分岔方程。應用奇異性理論對分岔方程進行了奇異性分析，由Melnikov方法給出了系統發(fā)生混沌運動的解析條件，最后通過數值仿真分別討論了周期性負荷和同步發(fā)電機組的阻尼對系統動力學行為的影響。
　　在此基礎上，考慮了原動機的調節(jié)作用導致的發(fā)電機機械輸入功率受到周期性的擾動作用，建立了雙頻激勵作用下單機無窮大電力系統的搖擺方程，應用多尺度法分析了組合共振的

5、分岔特性。研究表明負荷功率和機械輸入功率都對系統響應有重要影響，當兩種激勵幅值都較小時，系統響應具有小幅振蕩的周期解。隨著兩激勵幅值逐漸增大，系統分岔現象凸顯，出現了多值、跳躍、滯后等現象。研究結果同時表明雙頻激勵下的單機無窮大電力系統發(fā)生混沌振蕩的門檻值提前，系統更易發(fā)生混沌振蕩現象。
　　然后，針對兩機準無窮大電力系統的物理模型，同時考慮了無窮大節(jié)點電壓的幅值和相角的雙重擾動作用對系統動態(tài)特性的影響，建立了兩自由度的搖擺方程。

6、應用多尺度方法分別求得參激主共振和內共振時系統模態(tài)解的分岔方程，由單變量奇異性理論討論了系統發(fā)生參激主共振時的轉遷集，并繪制了不同區(qū)域內對應的分岔圖。由各區(qū)域內的分岔圖可見，無窮大節(jié)點電壓的幅值擾動與相角擾動相比，系統對電壓的幅值擾動更加敏感。并利用兩個狀態(tài)變量的奇異性方法分析了1:3內共振情況下分岔方程的分岔特性，研究了其拓撲結構與無窮大節(jié)點電壓的幅值和相角擾動之間的關系，得到了不同參數空間內系統具有的典型分岔模式。研究結果表明內共振

7、的發(fā)生使得兩模態(tài)之間發(fā)生了能量傳遞，使第一階模態(tài)的幅值大大增加，模態(tài)解發(fā)生突變的分岔點增多，模態(tài)解分岔模式更為豐富。為此對系統進行動力學參數設計時，可以通過避開這些分岔點所對應的系統參數，防止系統的運動狀態(tài)發(fā)生突變。
　　最后，以三機無窮大電力系統的搖擺方程為研究對象，利用非線性動力學方法研究其隨不同系統參數變化時表現出的動態(tài)特性。應用四階 Runge-Kutta方法，通過全局分岔圖、最大Lyapunov指數、時間歷程、相圖、Po