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。

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

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

[3] 加瑪力汗,范艷芳,陳江.電力系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（第3版）[M].烏魯木齊:新疆大學(xué)出版社,2011.

[4] 楊德先,陸繼明.電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)原理與指導(dǎo)[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[5] 關(guān)守仲,仇玉萍.淺談系統(tǒng)故障切除時(shí)限對暫態(tài)穩(wěn)定的影響[J].安徽電力,1991(3).

[6] 秦曉輝,華天姝.聯(lián)絡(luò)線三相金屬性短路地點(diǎn)對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,36(2).

[7] 蔡克紅，李升.Matlab PSB在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定中的仿真應(yīng)用[J].江西電力,2006,30(3).

[8] 張漢雄,李丹,羅志遠(yuǎn).基于辛RKN算法的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算[J].陜西電力,2010,(10).

[9] 吳政球,匡文凱.單機(jī)等面積法電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào),2010,(10).

[10] 白雪峰,倪以信.電力系統(tǒng)動態(tài)安全分析綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,(16).

[11] 朱方,劉增煌,高光華.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對三峽電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,(11).