电力系统暂态稳定影响因素的分析

2012-04-27恰勒哈尔吾肯加玛力汗库马什

电气技术 2012年10期

恰勒哈尔·吾肯加玛力汗·库马什

（新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830047）

电力系统暂态稳定反映电力系统遭到大扰动后能恢复到稳定运行的能力[1]。一般，影响电力系统暂态稳定的因素比较多，比如, 故障类型、继电保护动作时间、运行方式等等,但是这些因素对系统的暂态稳定影响程度都不一样。为了提高系统的安全运行和系统的强度，研究影响电力系统暂态稳定性的因素是至关重要的。本文通过使用华中科技大学研发的 WDT-Ⅲ电力系统综合自动化试验台进行暂态稳定实验，并对获取的实验数据进行了分析研究。

1 试验台结构简介与实验内容

1.1 试验台结构简介

WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化试验台，由华中科技大学研发的，是为了适应现代化电力系统对宽口径“复合型”高级技术人才的需要而研制的电力类专业新型教学试验系统。试验台的一次接线图如图1所示。

图1 一次系统接线图

WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化试验台由发电机组、试验操作台、无穷大系统等三大部分组成。

1）发电机组是由在一轴上的三相同步发电机,模拟原动机用的直流电动机以及测速装置和功率角指示器组成。

2）试验操作台是由输电线路单元、微机线路保护单元、负荷调制和同期单元、测量和短路故障模拟单元等组成。

3）无穷大电源是由15kVA的自傲变压器组成。通过调制自耦调压器的电压可以改变无穷大母线的电压[2]。

1.2 实验内容

实验内容可总结以下3个方面：

1）在做本实验时，在试验台上通过操作面板上通过选择按钮的组合可进行各种类型的短路故障。

2）设置YHB-Ⅲ型微机保护的参数，微机保护装置的整定值参数如下：

（1）过流保护动作延迟时间：0.5（s）。

（2）过电流整定值：5.00（A）。

（3）过流保护投切选择：on。

（4）重合闸投切选择：off。

3）将原动机调速器和发电机励磁调节器均设为手动方式，发电机并网以后，通过调速器的增（减）速按钮调节发电机向电网的出力，在不同短路故障、不同运行方式、不同故障切除时间三种情况下测定能保持系统稳定运行的发电机所能输出的最大功率、最大短路电流、最大功角[3]。

2 实验验证与分析

2.1 实验原理

电力系统暂态稳定问题是指电力系统受到较大的扰动之后，各发电机能否继续保持同步运行的问题。在各种扰动中以短路故障的扰动最为严重。

正常运行时发电机功率特性为

对这3个公式进行比较，我们可以知道决定功率特性发生变化与阻抗和功角特性有关[4]。

2.2 短路类型对暂态稳定影响

众所周知，电力系统的短路故障包括三相对称短路，两相接地短路，两相短路和两相接地短路。本实验接线方式为，发电机经双回路输电线路与无穷大系统相接，短路故障点为第Ⅱ回线路f点（如图 1所示）。当不同类型的故障发生时，记录能保持系统稳定运行的发电机所能输出的最大功角δmax( °)、极限功率Pmax(kW)、最大短路电流Imax(A)。实验结果如下表1所示。

表1 不同短路类型下的极限功率试验数据

图2 不同故障下的功率极限、最大功角、最大短路电流比较图

由图可知，每一种短路故障对系统暂态稳定地影响程度均不一样。其中三相短路的功率极限是最小，其对暂态稳定影响是最严重的。单相接地短路的功率极限是最大，其对暂态稳定影响是最小的。根据发电机转子运动方程：

式中，ω0为系统额定角速度；δ为发电机的功角；ω*为电角速度的标幺值；M为惯性时间常数；PT*为原动机功率标幺值；PE*为电磁功率标幺值。

由发电机转子运动方程可知，短路期间PE越小，ΔP=PT−PE就越大，转子速度也越大，摆开的功角就越大，也就容易失稳。下面介绍4种短路类型对暂态稳定的影响程度不一样的原因。表2表示在不同发电机输出功率和不同故障类型下的短路电流大小。

表2 不同短路电流类型短路电流

由表2的短路电流实验数据可知，短路电流的大小与发电机输出功率和短路类型有关。在4种故障中三相短路故障短路电流是最大的。图3表示单机无穷大系统的等值电路图。

图3 单机无穷大系统等值电路

图 3中，RG和GX′分别为发电机的定子电阻和直轴暂态电抗；E′˙为发电机的虚拟暂态电动势（暂态电抗后电势）；RS和SX′分别为无穷大系统的等值电阻和等值直轴暂态电抗；SE′˙为无穷大系统的等值虚拟暂态电动势；RT和XT分别为变压器的正序电阻和电抗；RL和XL分别为高压线路的正序电阻和电抗。

短路发生之前：

当原动机输出的功率PE和发电机输出的电磁功率PE相等时，系统保持稳定状态。当发生短路时，发电机的电磁功率是突变，但是由于原动机具有惯性，因此原动机的输出功率不能突变。根据单机无穷大系统等值电路（图3），可以写出当发生短路时的电磁功率PE为

式中，I′为发电机提供的暂态短路电流相量幅值。根据式（6），当故障点固定时电磁功率的变化与短路电流的幅值有关。由表2可知，在四种短路故障中三相短路的短路电流幅值最大，进而使电磁功率PE和原动机输出功率PT之差ΔP变化大，因此当发生三相短路故障时比其他短路故障相比最容易使电力系统失稳，即其功率极限（或者最功角）为最小。

根据不同类型下的极限功率测定结果（表 1）可知，单相接地短路对系统稳定性影响最小，两相相间短路次之，两相接地短路再次之。

2.3 运行方式对暂态稳定影响

根据式（2），当发生短路故障时，除了功角外，电抗也是影响极限功率的因素之一。在 WDT-Ⅲ系统综合自动化试验台上能改变输电线路的接线方式，从而改变线路的阻抗。在进行实验之前作者选择了典型的三种运行方式（微机保护的参数和上一次实验一致），1表示为开关投，0表示为开关切。如表3所示实验后得到不同运行方式下的不同故障试验数据。

表3 不同运行方式下不同短路类型的极限功率试验数数据

由表3可知，线路的运行方式对电力系统的暂态稳定的影响是很明显的。通过分析得出，当发生单相接地短路、两相相间短路、两相接地短路时，第三种运行方式（除了QF5外所有的开关投）对暂态稳定有利的，功率极限比其他运行方式较大，说明这种运行方式是单机无穷大系统中最理想的运行方式。但是在这种运行下的三相短路功率极限比第二种运行方式（所有的开关投）较小，三相短路是在第二种运行方式下到最大的功率极限，即暂态稳定为最好。

2.4 继电保护的动作时限对暂态稳定影响

继电保护装置是保证电力系统安全运行的重要设备，也是保证系统稳定运行的基本设施之一。在固定故障点，同一短路类型和同一系统运行条件下，通过调速器的增速按钮增加发电机向电网的出力，在测定不同故障切除时间能保持系统稳定时发电机所能输出的最大功率，分析故障切除时间对暂态稳定的影响。在本实验中，选择表3中的第三种运行方式（除了 QF5外所有的开关投），故障类型为两相相间短路，实验结果如表4所示。

表4 两相相间短路极限切除时间实验数据

图4 不同继电保护的动作时限的功率极限、最大功角、最大短路电流比较图

由实验结果和图4可知，在固定故障点、同一短路类型和同一系统运行条件下，保护切除故障动作时限不同，其对电力系统暂态稳定的影响程度不同，故障切除时间延长，稳定水平随着降低。不同切除时间下的功率特性图如图5所示。

图中δmax和δq分别表示发生震荡瞬间的最大功角和保护切除故障瞬间的功角。根据等面积定则，暂态稳定的条件为减速面积大于加速面积。由图5可见，不同切除时间下的减速面积远远小于加速面积，因此使系统发生了震荡。随着切除时间的增大，加速面积也跟着增大，使加速面积和减速面积相差不断地增大，引起了系统功角极限的变小。