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        電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定影響因素的分析

        2012-04-27 03:58:28恰勒哈爾吾肯加瑪力汗庫馬什
        電氣技術(shù) 2012年10期
        關(guān)鍵詞:試驗(yàn)臺暫態(tài)短路

        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)動作時(shí)間、運(yùn)行方式等等,但是這些因素對系統(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)綜合自動化試驗(yàn)臺進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn),并對獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究。

        1 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡介與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        1.1 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡介

        WDT-Ⅲ型電力系統(tǒng)綜合自動化試驗(yàn)臺,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)對寬口徑“復(fù)合型”高級技術(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)綜合自動化試驗(yàn)臺由發(fā)電機(jī)組、試驗(yàn)操作臺、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),模擬原動機(jī)用的直流電動機(jī)以及測速裝置和功率角指示器組成。

        2)試驗(yàn)操作臺是由輸電線路單元、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]。

        1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可總結(jié)以下3個方面:

        1)在做本實(shí)驗(yàn)時(shí),在試驗(yàn)臺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)將原動機(jī)調(diào)速器和發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器均設(shè)為手動方式,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]。

        2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

        2.1 實(shí)驗(yàn)原理

        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。在各種擾動中以短路故障的擾動最為嚴(yán)重。

        正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)功率特性為

        對這3個公式進(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]。

        2.2 短路類型對暫態(tài)穩(wěn)定影響

        眾所周知,電力系統(tǒng)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(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)電動勢(暫態(tài)電抗后電勢);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(fā)生之前:

        當(dāng)原動機(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,但是由于原動機(jī)具有慣性,因此原動機(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定結(jié)果(表 1)可知,單相接地短路對系統(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。

        2.3 運(yùn)行方式對暫態(tài)穩(wěn)定影響

        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)綜合自動化試驗(yàn)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(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。

        2.4 繼電保護(hù)的動作時(shí)限對暫態(tài)穩(wěn)定影響

        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)切除故障動作時(shí)限不同,其對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響程度不同,故障切除時(shí)間延長,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

        3 結(jié)論

        本文通過使用WDT-Ⅲ系統(tǒng)綜合自動化試驗(yàn)臺,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,同一個運(yùn)行方式下的不同故障類型對暫態(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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