機電暫態穩定淺析

摘要：發電機組的容量大幅度提升和電網電壓等級的升高，電力系統的互聯，超高壓直流輸電和新型電力電子控制裝置的應用，這些新變化為合理利用能源、提高經濟效益、保護環境起到非常重要的作用。因此，對系統的穩定性有更高的要求。電力系統的暫態穩定性，是指電力系統在正常運行狀態下，突然受到某種較大的干擾后，能夠過渡到一個新的穩定運行狀態或者恢復到原來的運行狀態的能力。

關鍵詞：機電；暫態；穩定

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）26-0127-02

機電暫態是暫態過程之一，電力系統的暫態穩定是指系統在某種運行方式下突然受到大的擾動后，經過一個機電暫態過程達到新的穩定運行狀態或回到原來的穩定狀態，其暫態過程主要由于機械轉矩和電磁轉矩之間的不平衡引起的。機電暫態過程主要與電力系統受到各種擾動下系統的振蕩、穩定性破壞、異步運行等有關，涉及功率、功率角、旋轉電機的轉速等。引起電力系統大擾動的原因主要有：負荷突然發生變化；切除或投入系統的主要元件；發生短路故障。其中主要是短路故障的擾動最為嚴重，往往以此作為檢驗系統是否具有暫態穩定的標準。電力系統穩定性是電力系統主要研究的問題之一，所謂穩定是指電力系統經受擾動后能繼續保持向負荷正常供電的能力，即承受擾動的能力，穩定總是與干擾相聯系的。

一、機電暫態理論過程分析

結合一個簡單的電力系統的分析對機電暫態的概念進行簡要說明。圖1（a）是由發電機、線路和無窮大系統組成的簡單的系統。圖1（b）中實線部分表示的是系統正常運行時的相量圖。各個元件的電阻及線路導納忽略不計，X∑=XG+XT+XL，假設發電機的等值電動勢為常數并且發電機為隱極機。正常運行時，發電機和無限大系統相當于一個電壓和頻率為常數的無限大容量等值機，在此種情況下相量圖中的和的角速度是相等的。因此，相之間的相角差δ在一定負荷范圍內是常數，即各相量之間的關系保持不變。當系統正常運行時由發電機送出的電流和功率都是一定的，都與功角δ有一定的函數關系；然而此時系統中任意一點的電壓如相量圖中所示的線路初始短的電比也是固定的，進而可以說明δ就是這個系統的狀態變量。如果系統受到干擾導致發電機轉速變大或減小，使發電機不再保持同步運行，則相量的速度和的旋轉速度也不再保持一致，此時和間的相角差δ不再是常數。圖1（b）中的虛線表示了對的相對運動。顯然，如果和一直不同步，即δ不斷變化，由相量圖即可看出電流I和系統中一點電壓的幅值將不斷地振蕩，輸送功率也是不斷地振蕩，以致系統不能正常工作。這種情況即稱為系統功角不穩定。

作用在發電機轉子上的轉矩決定了它的轉速，原動機的機械轉矩和發電機的電磁轉矩是作用在轉子上轉矩的兩個主要因素。當轉子的轉速保持同步時，機械轉矩和電磁轉矩是平衡的。當有擾動造成這兩部分轉矩不平衡時會導致轉子加速或者減速，進而是轉子脫離同步轉速。發電廠動力部分（如火電廠的鍋爐和汽輪機）的運行狀態決定了原動機的機械轉矩，發電機及其連接的電力系統中的運行狀態決定了發電機的電磁轉矩。當有任何干擾造成轉子上的轉矩不平衡時都會導致轉速發生變化。而往往在實際的電力運行中，這些干擾都是無法避免的，因此要求系統在受到干擾后，發電機組經過一段過程的運動變化后仍能恢復同步運行，即 角能夠重新達到一個穩態值。若能滿足這一條件，系統就是穩定的，否則就是不穩定的。因此必須采取相應的措施以保證系統的穩定。

二、機電暫態過程在實踐中的控制

在電廠實際中為防止機組出現暫態不穩定過程，常采用自動調節勵磁裝置對過程中出現的暫態過程加以控制，防止機組出現不穩定，如圖2所示。當系統出現微小擾動時，機組機端電壓發生變化，通過負反饋到調節系統，電壓升高時輸出減小，電壓降低時輸出增大。調節系統自動調節，以維持系統正常運行。

發電機正常運行時，向系統供有功功率的同時還供給感性無功功率，定子電流滯后于端電壓一個角度，此種狀態即遲相運行。當逐漸減少勵磁電流使發電機從向系統供給無功功率而變為從系統中吸收感性無功功率，定子電流從滯后而變為超前發電機端電壓一個角度，此種狀態即進相運行。發電機的進相運行就是低勵磁運行。

區別進相與遲相的標準就是無功功率的流向以及電流和電壓的相位角（即功率因數角）。發電機的進相運行是一種正常運行狀態。

發電機通常是遲相運行，發出有功功率和感性無功功率，以供給電感性負載。隨著電力系統的發展，電壓等級的提高，輸電線路的加長，線路的電容電流也愈來愈大，它也相當于發出電感性無功功率。在系統輕負荷，即電感性負荷輕時，線路上的電壓會上升。例如在節假日、午夜等低負荷的情況下，如果不能有效減少或吸收剩余的無功功率，樞紐變電站母線上電壓可能超過額定電壓15%～20%左右。此時若利用部分發電機進相運行，以吸收剩余的無功功率，使樞紐點上的電壓保持在允許限額之內，則可減少裝設其他吸收剩余無功的調壓設備。

發電機在進相運行時，勵磁電流愈小，從系統吸收的無功功率愈大，功角δ也愈大，發電機靜態穩定性下降。進相運行時發電機定子端部漏磁較遲相運行時增大。進相運行時發電機端電壓降低，廠用電電壓亦相應降低，如超出10%將影響廠用電動機的正常運行，以上為制約發電機進相運行的主要因素。

豐鎮發電廠在2007年對#5機組做進相試驗時，規定功角不超過65°，6KV電壓不低于5.7KV，380V電壓不低于360V。滿載進相時功率因素角不得小于0.95（超前）。發電機各部溫升不得超過表1所列的溫度值。

如果減小勵磁電流，發電機進入欠勵狀態，電勢則減小為E3，相應的電樞電流為I3超前電壓U以Φ3角。此時，電樞電流中除有功分量外，還有一個超前的無功分量。這說明發電機在輸出有功功率的同時，還輸出容性的無功功率，相應的功角為δ3。

發電機與無窮大電網并聯帶負載后，調節勵磁電流并不影響有功功率的輸出，只引起電樞電流和無功功率的變化。這一現象也可用電樞反應和磁勢平衡來解釋。因為同步發電機并聯于無窮大電網，其端電壓恒定不變，故定子合成磁通亦基本不變。過勵時主磁通增多，為了維持定子合成磁通不變，發電機應輸出滯后的無功電流，電樞反應的去磁作用抵消過多的主磁通。反之，欠勵時主磁通減少，為了維持定子合成磁通不變，發電機應輸出超前的無功電流，減弱電樞反應的去磁作用，甚至使電樞反應變為增磁，以補償不足的主磁通。

三、結論

通過理論對豐鎮電廠四臺機組實踐分析，發現機組在暫態過程中可以利用自動勵磁調節系統加以控制，以維持系統正常運行，同時機組本身也可以克服暫態過程中出現的暫時不穩定情況，如果系統出現大的擾動，機組克服不了此暫態過程，則電氣繼電保護的相關保護啟動以切除故障，保證系統安全穩定的運行。

參考文獻：

[1]陳珩.電力系統穩態分析[M].北京：中國電力出版社，1985.

[2]李光琦.電力系統暫態分析[M].第一版.北京：中國電力出版社，1985.

[3]賀家禮，宋從矩.電力系統繼電保護理論[M].第一版.北京：中國電力出版社，1980.

[4]何仰贊.電力系統分析[M].第三版.武漢：華中理工大學出版社，2002.

[5]胡虔生，胡敏強.電機學[M].北京：中國電力出版社，2009.

（責任編輯：王祝萍）