恰勒哈爾·吾肯 加瑪力汗·庫馬什
(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院,烏魯木齊 830047)
電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定反映電力系統(tǒng)遭到大擾動(dòng)后能恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行的能力[1]。一般,影響電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的因素比較多,比如, 故障類型、繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)行方式等等,但是這些因素對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定影響程度都不一樣。為了提高系統(tǒng)的安全運(yùn)行和系統(tǒng)的強(qiáng)度,研究影響電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的因素是至關(guān)重要的。本文通過使用華中科技大學(xué)研發(fā)的 WDT-Ⅲ電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn),并對(duì)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究。
WDT-Ⅲ型電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái),由華中科技大學(xué)研發(fā)的,是為了適應(yīng)現(xiàn)代化電力系統(tǒng)對(duì)寬口徑“復(fù)合型”高級(jí)技術(shù)人才的需要而研制的電力類專業(yè)新型教學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)的一次接線圖如圖1所示。
圖1 一次系統(tǒng)接線圖
WDT-Ⅲ型電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái)由發(fā)電機(jī)組、試驗(yàn)操作臺(tái)、無窮大系統(tǒng)等三大部分組成。
1)發(fā)電機(jī)組是由在一軸上的三相同步發(fā)電機(jī),模擬原動(dòng)機(jī)用的直流電動(dòng)機(jī)以及測(cè)速裝置和功率角指示器組成。
2)試驗(yàn)操作臺(tái)是由輸電線路單元、微機(jī)線路保護(hù)單元、負(fù)荷調(diào)制和同期單元、測(cè)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(diào)制自耦調(diào)壓器的電壓可以改變無窮大母線的電壓[2]。
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可總結(jié)以下3個(gè)方面:
1)在做本實(shí)驗(yàn)時(shí),在試驗(yàn)臺(tái)上通過操作面板上通過選擇按鈕的組合可進(jìn)行各種類型的短路故障。
2)設(shè)置YHB-Ⅲ型微機(jī)保護(hù)的參數(shù),微機(jī)保護(hù)裝置的整定值參數(shù)如下:
(1)過流保護(hù)動(dòng)作延遲時(shí)間:0.5(s)。
(2)過電流整定值:5.00(A)。
(3)過流保護(hù)投切選擇:on。
(4)重合閘投切選擇:off。
3)將原動(dòng)機(jī)調(diào)速器和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均設(shè)為手動(dòng)方式,發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以后,通過調(diào)速器的增(減)速按鈕調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)的出力,在不同短路故障、不同運(yùn)行方式、不同故障切除時(shí)間三種情況下測(cè)定能保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的發(fā)電機(jī)所能輸出的最大功率、最大短路電流、最大功角[3]。
電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題是指電力系統(tǒng)受到較大的擾動(dòng)之后,各發(fā)電機(jī)能否繼續(xù)保持同步運(yùn)行的問題。在各種擾動(dòng)中以短路故障的擾動(dòng)最為嚴(yán)重。
正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)功率特性為
對(duì)這3個(gè)公式進(jìn)行比較,我們可以知道決定功率特性發(fā)生變化與阻抗和功角特性有關(guān)[4]。
眾所周知,電力系統(tǒng)的短路故障包括三相對(duì)稱短路,兩相接地短路,兩相短路和兩相接地短路。本實(shí)驗(yàn)接線方式為,發(fā)電機(jī)經(jīng)雙回路輸電線路與無窮大系統(tǒng)相接,短路故障點(diǎn)為第Ⅱ回線路f點(diǎn)(如圖 1所示)。當(dāng)不同類型的故障發(fā)生時(shí),記錄能保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。
表1 不同短路類型下的極限功率試驗(yàn)數(shù)據(jù)
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(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)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(duì)暫態(tài)穩(wěn)定影響是最嚴(yán)重的。單相接地短路的功率極限是最大,其對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定影響是最小的。根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程:
式中,ω0為系統(tǒng)額定角速度;δ為發(fā)電機(jī)的功角;ω*為電角速度的標(biāo)幺值;M為慣性時(shí)間常數(shù);PT*為原動(dòng)機(jī)功率標(biāo)幺值;PE*為電磁功率標(biāo)幺值。
由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可知,短路期間PE越小,ΔP=PT?PE就越大,轉(zhuǎn)子速度也越大,擺開的功角就越大,也就容易失穩(wěn)。下面介紹4種短路類型對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響程度不一樣的原因。表2表示在不同發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,短路電流的大小與發(fā)電機(jī)輸出功率和短路類型有關(guān)。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(jī)無窮大系統(tǒng)的等值電路圖。
圖3 單機(jī)無窮大系統(tǒng)等值電路
圖 3中,RG和GX′分別為發(fā)電機(jī)的定子電阻和直軸暫態(tài)電抗;E′˙為發(fā)電機(jī)的虛擬暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)(暫態(tài)電抗后電勢(shì));RS和SX′分別為無窮大系統(tǒng)的等值電阻和等值直軸暫態(tài)電抗;SE′˙為無窮大系統(tǒng)的等值虛擬暫態(tài)電動(dòng)勢(shì);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(fā)生之前:
當(dāng)原動(dòng)機(jī)輸出的功率PE和發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率PE相等時(shí),系統(tǒng)保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生短路時(shí),發(fā)電機(jī)的電磁功率是突變,但是由于原動(dòng)機(jī)具有慣性,因此原動(dòng)機(jī)的輸出功率不能突變。根據(jù)單機(jī)無窮大系統(tǒng)等值電路(圖3),可以寫出當(dāng)發(fā)生短路時(shí)的電磁功率PE為
式中,I′為發(fā)電機(jī)提供的暫態(tài)短路電流相量幅值。根據(jù)式(6),當(dāng)故障點(diǎn)固定時(shí)電磁功率的變化與短路電流的幅值有關(guān)。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(jìn)而使電磁功率PE和原動(dòng)機(jī)輸出功率PT之差ΔP變化大,因此當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)比其他短路故障相比最容易使電力系統(tǒng)失穩(wěn),即其功率極限(或者最功角)為最小。
根據(jù)不同類型下的極限功率測(cè)定結(jié)果(表 1)可知,單相接地短路對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響最小,兩相相間短路次之,兩相接地短路再次之。
根據(jù)式(2),當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí),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(tǒng)綜合自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái)上能改變輸電線路的接線方式,從而改變線路的阻抗。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前作者選擇了典型的三種運(yùn)行方式(微機(jī)保護(hù)的參數(shù)和上一次實(shí)驗(yàn)一致),1表示為開關(guān)投,0表示為開關(guān)切。如表3所示實(shí)驗(yàn)后得到不同運(yùn)行方式下的不同故障試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表3 不同運(yùn)行方式下不同短路類型的極限功率試驗(yàn)數(shù)數(shù)據(jù)
由表3可知,線路的運(yùn)行方式對(duì)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定的影響是很明顯的。通過分析得出,當(dāng)發(fā)生單相接地短路、兩相相間短路、兩相接地短路時(shí),第三種運(yùn)行方式(除了QF5外所有的開關(guān)投)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定有利的,功率極限比其他運(yùn)行方式較大,說明這種運(yùn)行方式是單機(jī)無窮大系統(tǒng)中最理想的運(yùn)行方式。但是在這種運(yùn)行下的三相短路功率極限比第二種運(yùn)行方式(所有的開關(guān)投)較小,三相短路是在第二種運(yùn)行方式下到最大的功率極限,即暫態(tài)穩(wěn)定為最好。
繼電保護(hù)裝置是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備,也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本設(shè)施之一。在固定故障點(diǎn),同一短路類型和同一系統(tǒng)運(yùn)行條件下,通過調(diào)速器的增速按鈕增加發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)的出力,在測(cè)定不同故障切除時(shí)間能保持系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)發(fā)電機(jī)所能輸出的最大功率,分析故障切除時(shí)間對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。在本實(shí)驗(yàn)中,選擇表3中的第三種運(yùn)行方式(除了 QF5外所有的開關(guān)投),故障類型為兩相相間短路,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
表4 兩相相間短路極限切除時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖4 不同繼電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限的功率極限、最大功角、最大短路電流比較圖
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖4可知,在固定故障點(diǎn)、同一短路類型和同一系統(tǒng)運(yùn)行條件下,保護(hù)切除故障動(dòng)作時(shí)限不同,其對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響程度不同,故障切除時(shí)間延長(zhǎng),穩(wěn)定水平隨著降低。不同切除時(shí)間下的功率特性圖如圖5所示。
圖中δmax和δq分別表示發(fā)生震蕩瞬間的最大功角和保護(hù)切除故障瞬間的功角。根據(jù)等面積定則,暫態(tài)穩(wěn)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(shí)間下的減速面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加速面積,因此使系統(tǒng)發(fā)生了震蕩。隨著切除時(shí)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(tǒng)功角極限的變小。
圖5 不同切除時(shí)間下的功率特性曲線
本文通過使用WDT-Ⅲ系統(tǒng)綜合自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái),分析了故障類類型、運(yùn)行方式、微機(jī)保護(hù)的故障切除時(shí)間對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下:
1)由實(shí)驗(yàn)一的結(jié)果得出,同一個(gè)運(yùn)行方式下的不同故障類型對(duì)暫態(tài)穩(wěn)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(yán)重的,單相接地故障的功率極限是最大。
2)由試驗(yàn)二的結(jié)果得出,在其它參數(shù)不變的情況下,線路運(yùn)行方式對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響是很顯著的。在三種運(yùn)行方式下的功率極限和最大短路電流是不同的。
3)由實(shí)驗(yàn)三的結(jié)果和分析可見,在同一故障下,隨著微機(jī)保護(hù)的故障切除時(shí)間不同,其對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響程度也不同,穩(wěn)定水平隨之降低。
總之,上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定分析具有一定的參考價(jià)值。
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