频率特性

电磁场中的频率特性

频率特性是指在交流电路中，当输入电压的频率发生变化时，负载阻抗也会发生变化，从而具备不同的幅频特性和相频特性，对不同频率的信号作用不同，这种变化关系就是频率特性。

推导过程

在二端口RLC串联电路中，若定义阻抗

则当负载侧有另一个阻抗时，将一组交流电压加在阻抗两端，可以得到经过RLC串联电路后的电压为

即经过RLC电路后，电压信号的幅值和相角都发生了变化，当输入电压的频率不同，则相应地，网络的阻抗也不同，对幅值和相角的影响也不同，定义传递函数为

将传递函数幅值化后，可以表达为

幅值部分和相角部分分别称为幅频特性和相频特性，统称频率特性。

电力系统频率特性

电网运行频率属于电能质量众多基本指标中的一个，同时频率也能很好的显示出系统的运行状态。正常的情况下，系统负荷发生扰动时，那么系统中的在线发电机组的调速系统就开始以自动响应的方式调节发电机组的出力大小,使得整个系统的功率回归平衡，从而保证系统的频率偏差在系统运行所运行的正常范围内。但是，如果系统发生重载的线路开短、子系统解列、大发电机组的跳闸、非常大的负荷扰动等时，系统的功率平衡的状态遭破坏,依靠正常的调节系统也无法维持系统的功率频率，那么系统频率就会出现急剧下降的或者上升，甚至会发生系统崩溃，大片的地方发生停电现象。因此对于现代的大型电力系统的频率特性以及动态变化过程的特点有必要做深入的了解,而能够更好的保证电力系统安全稳定运行。

负荷静态频率特性

电力系统中的频率发生变化时，系统中的有功负荷也会随着频率变化而变化。这种系统的有功功率负荷与频率变化之间的特性关系就是负荷的静态频率特性。而依据负荷与频率变化的关系的不同可以把负荷分成下列几类:

1)和频率变化无任何关系的负荷，比如电阻炉、照明负荷和整流负荷等;

2)和频率成正比例关系的负荷，比如压缩机、卷扬机、球磨机和往复水泵等;

3)和频率的三次方成正比关系的负荷，比如循环水泵和通风机等;

4)和频率的高次方成正比关系的负荷。

发电机静态频率特性

电机组的输出功率和频率之间的变化关系就是发电机组的功率-频率特性。发电机组的输出功率的变化主要是由其调速系统通过改变原动机的进汽(或进水量)，从而调整发电机输入功率的大小以应对负荷的变化需求。发电机的静态频率特性主要是由发电机组的单位调节功率表示，称为发电机组的功频特性系数KG。

变频负荷的应用

不同的负荷模型对电力系统的运行、分析有着不同的影响。常规的负荷模型通常不考虑负荷特性,国内常采用 50% 恒阻抗和 50% 感应电动机模型。这种模型在系统正常运行时不存在问题,但是当系统发生故障,则会出现潮流不收敛或者频率下降较大等问题,则在进行系统分析时,会出现结果有所偏差。而采用变频模型,则是通过改变电机的负阻抗特性减弱其对电网的不利影响。现代生活中,变频负荷越来越多,由此看来,研究变频负荷模型的系统响应特性具有重要的意义。常用的变频负荷是变频异步电动机,通常由整流、滤波与再次整流构成。

常用的控制方式为 VVVF 变频与矢量控制变频方式。两者的原理都是先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供电动机。不同控制方式的变频模型其动态特性或可实施性等都有所不同。因此,在大多数的文献中主要是通过对变频负荷模型的控制方式不同来进行研究。而忽略了通过建立不同的变频负荷模型来得到更符合实际负荷特性的负荷模型。

当负载增加,采用矢量控制的变频电动机模型的频率变化最小,因此,当发生小扰动时,该负荷模型对系统影响最小。而采用动态向量法的变频电动机模型与不考虑频率特性的异步电动机模型基本一致。当发生短路故障时,两种变频负荷模型都优于不考虑频率特性的负荷模型,并且波形结果与实际负荷情况更接近。变频负荷模型的频率下降较少,而不考虑频率特性是频率严重下降,其中采用动态向量法的模型下降最少。另外,从电动机的有功功率来看,变频负荷模型波动较小,其中采用矢量控制的变频电机模型的波动最小。因此,在发生大扰动时,采用考虑频率特性的变频模型更符合实际情况。

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