電力系統暫態穩定影響因素的分析

恰勒哈爾·吾肯 加瑪力汗·庫馬什

（新疆大學 電氣工程學院，烏魯木齊 830047）

電力系統暫態穩定反映電力系統遭到大擾動后能恢復到穩定運行的能力[1]。一般，影響電力系統暫態穩定的因素比較多，比如, 故障類型、繼電保護動作時間、運行方式等等,但是這些因素對系統的暫態穩定影響程度都不一樣。為了提高系統的安全運行和系統的強度，研究影響電力系統暫態穩定性的因素是至關重要的。本文通過使用華中科技大學研發的 WDT-Ⅲ電力系統綜合自動化試驗臺進行暫態穩定實驗，并對獲取的實驗數據進行了分析研究。

1 試驗臺結構簡介與實驗內容

1.1 試驗臺結構簡介

WDT-Ⅲ型電力系統綜合自動化試驗臺，由華中科技大學研發的，是為了適應現代化電力系統對寬口徑“復合型”高級技術人才的需要而研制的電力類專業新型教學試驗系統。試驗臺的一次接線圖如圖1所示。

圖1 一次系統接線圖

WDT-Ⅲ型電力系統綜合自動化試驗臺由發電機組、試驗操作臺、無窮大系統等三大部分組成。

1）發電機組是由在一軸上的三相同步發電機,模擬原動機用的直流電動機以及測速裝置和功率角指示器組成。

2）試驗操作臺是由輸電線路單元、微機線路保護單元、負荷調制和同期單元、測量和短路故障模擬單元等組成。

3）無窮大電源是由15kVA的自傲變壓器組成。通過調制自耦調壓器的電壓可以改變無窮大母線的電壓[2]。

1.2 實驗內容

實驗內容可總結以下3個方面：

1）在做本實驗時，在試驗臺上通過操作面板上通過選擇按鈕的組合可進行各種類型的短路故障。

2）設置YHB-Ⅲ型微機保護的參數，微機保護裝置的整定值參數如下：

（1）過流保護動作延遲時間：0.5（s）。

（2）過電流整定值：5.00（A）。

（3）過流保護投切選擇：on。

（4）重合閘投切選擇：off。

3）將原動機調速器和發電機勵磁調節器均設為手動方式，發電機并網以后，通過調速器的增（減）速按鈕調節發電機向電網的出力，在不同短路故障、不同運行方式、不同故障切除時間三種情況下測定能保持系統穩定運行的發電機所能輸出的最大功率、最大短路電流、最大功角[3]。

2 實驗驗證與分析

2.1 實驗原理

電力系統暫態穩定問題是指電力系統受到較大的擾動之后，各發電機能否繼續保持同步運行的問題。在各種擾動中以短路故障的擾動最為嚴重。

正常運行時發電機功率特性為

對這3個公式進行比較，我們可以知道決定功率特性發生變化與阻抗和功角特性有關[4]。

2.2 短路類型對暫態穩定影響

眾所周知，電力系統的短路故障包括三相對稱短路，兩相接地短路，兩相短路和兩相接地短路。本實驗接線方式為，發電機經雙回路輸電線路與無窮大系統相接，短路故障點為第Ⅱ回線路f點（如圖 1所示）。當不同類型的故障發生時，記錄能保持系統穩定運行的發電機所能輸出的最大功角δmax( °)、極限功率Pmax(kW)、最大短路電流Imax(A)。實驗結果如下表1所示。

表1 不同短路類型下的極限功率試驗數據

圖2 不同故障下的功率極限、最大功角、最大短路電流比較圖

由圖可知，每一種短路故障對系統暫態穩定地影響程度均不一樣。其中三相短路的功率極限是最小，其對暫態穩定影響是最嚴重的。單相接地短路的功率極限是最大，其對暫態穩定影響是最小的。根據發電機轉子運動方程：

式中，ω0為系統額定角速度；δ為發電機的功角；ω*為電角速度的標幺值；M為慣性時間常數；PT*為原動機功率標幺值；PE*為電磁功率標幺值。

由發電機轉子運動方程可知，短路期間PE越小，ΔP=PT?PE就越大，轉子速度也越大，擺開的功角就越大，也就容易失穩。下面介紹4種短路類型對暫態穩定的影響程度不一樣的原因。表2表示在不同發電機輸出功率和不同故障類型下的短路電流大小。

表2 不同短路電流類型短路電流

由表2的短路電流實驗數據可知，短路電流的大小與發電機輸出功率和短路類型有關。在4種故障中三相短路故障短路電流是最大的。圖3表示單機無窮大系統的等值電路圖。

圖3 單機無窮大系統等值電路

圖 3中，RG和GX′分別為發電機的定子電阻和直軸暫態電抗；E′˙為發電機的虛擬暫態電動勢（暫態電抗后電勢）；RS和SX′分別為無窮大系統的等值電阻和等值直軸暫態電抗；SE′˙為無窮大系統的等值虛擬暫態電動勢；RT和XT分別為變壓器的正序電阻和電抗；RL和XL分別為高壓線路的正序電阻和電抗。

短路發生之前：

當原動機輸出的功率PE和發電機輸出的電磁功率PE相等時，系統保持穩定狀態。當發生短路時，發電機的電磁功率是突變，但是由于原動機具有慣性，因此原動機的輸出功率不能突變。根據單機無窮大系統等值電路（圖3），可以寫出當發生短路時的電磁功率PE為

式中，I′為發電機提供的暫態短路電流相量幅值。根據式（6），當故障點固定時電磁功率的變化與短路電流的幅值有關。由表2可知，在四種短路故障中三相短路的短路電流幅值最大，進而使電磁功率PE和原動機輸出功率PT之差ΔP變化大，因此當發生三相短路故障時比其他短路故障相比最容易使電力系統失穩，即其功率極限（或者最功角）為最小。

根據不同類型下的極限功率測定結果（表 1）可知，單相接地短路對系統穩定性影響最小，兩相相間短路次之，兩相接地短路再次之。

2.3 運行方式對暫態穩定影響

根據式（2），當發生短路故障時，除了功角外，電抗也是影響極限功率的因素之一。在 WDT-Ⅲ系統綜合自動化試驗臺上能改變輸電線路的接線方式，從而改變線路的阻抗。在進行實驗之前作者選擇了典型的三種運行方式（微機保護的參數和上一次實驗一致），1表示為開關投，0表示為開關切。如表3所示實驗后得到不同運行方式下的不同故障試驗數據。

表3 不同運行方式下不同短路類型的極限功率試驗數數據

由表3可知，線路的運行方式對電力系統的暫態穩定的影響是很明顯的。通過分析得出，當發生單相接地短路、兩相相間短路、兩相接地短路時，第三種運行方式（除了QF5外所有的開關投）對暫態穩定有利的，功率極限比其他運行方式較大，說明這種運行方式是單機無窮大系統中最理想的運行方式。但是在這種運行下的三相短路功率極限比第二種運行方式（所有的開關投）較小，三相短路是在第二種運行方式下到最大的功率極限，即暫態穩定為最好。

2.4 繼電保護的動作時限對暫態穩定影響

繼電保護裝置是保證電力系統安全運行的重要設備，也是保證系統穩定運行的基本設施之一。在固定故障點，同一短路類型和同一系統運行條件下，通過調速器的增速按鈕增加發電機向電網的出力，在測定不同故障切除時間能保持系統穩定時發電機所能輸出的最大功率，分析故障切除時間對暫態穩定的影響。在本實驗中，選擇表3中的第三種運行方式（除了 QF5外所有的開關投），故障類型為兩相相間短路，實驗結果如表4所示。

表4 兩相相間短路極限切除時間實驗數據

圖4 不同繼電保護的動作時限的功率極限、最大功角、最大短路電流比較圖

由實驗結果和圖4可知，在固定故障點、同一短路類型和同一系統運行條件下，保護切除故障動作時限不同，其對電力系統暫態穩定的影響程度不同，故障切除時間延長，穩定水平隨著降低。不同切除時間下的功率特性圖如圖5所示。

圖中δmax和δq分別表示發生震蕩瞬間的最大功角和保護切除故障瞬間的功角。根據等面積定則，暫態穩定的條件為減速面積大于加速面積。由圖5可見，不同切除時間下的減速面積遠遠小于加速面積，因此使系統發生了震蕩。隨著切除時間的增大，加速面積也跟著增大，使加速面積和減速面積相差不斷地增大，引起了系統功角極限的變小。

圖5 不同切除時間下的功率特性曲線

3 結論

本文通過使用WDT-Ⅲ系統綜合自動化試驗臺，分析了故障類類型、運行方式、微機保護的故障切除時間對暫態穩定性的影響。將實驗結果總結如下：

1）由實驗一的結果得出，同一個運行方式下的不同故障類型對暫態穩定的影響是不同的，其中三相短路故障的功率極限最小，影響是最嚴重的，單相接地故障的功率極限是最大。

2）由試驗二的結果得出，在其它參數不變的情況下，線路運行方式對暫態穩定的影響是很顯著的。在三種運行方式下的功率極限和最大短路電流是不同的。

3）由實驗三的結果和分析可見，在同一故障下，隨著微機保護的故障切除時間不同，其對系統穩定運行的影響程度也不同，穩定水平隨之降低。

總之，上述實驗結果分析對提高電網暫態穩定分析具有一定的參考價值。

[1] 李光琦.電力系統暫態分析（第 3版）[M].北京：中國電力出版社,2007.

[2] 武漢化工大學電力自動化研究所.WDT-Ⅲ系統綜合自動化試驗臺使用說明書[Z].華中科技大學.2006,7.

[3] 加瑪力汗,范艷芳,陳江.電力系統分析實驗指導書（第3版）[M].烏魯木齊:新疆大學出版社,2011.

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