機電暫態(tài)穩(wěn)定淺析

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

關(guān)鍵詞：機電；暫態(tài)；穩(wěn)定

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

機電暫態(tài)是暫態(tài)過程之一，電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)在某種運行方式下突然受到大的擾動后，經(jīng)過一個機電暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)或回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)，其暫態(tài)過程主要由于機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩之間的不平衡引起的。機電暫態(tài)過程主要與電力系統(tǒng)受到各種擾動下系統(tǒng)的振蕩、穩(wěn)定性破壞、異步運行等有關(guān)，涉及功率、功率角、旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速等。引起電力系統(tǒng)大擾動的原因主要有：負(fù)荷突然發(fā)生變化；切除或投入系統(tǒng)的主要元件；發(fā)生短路故障。其中主要是短路故障的擾動最為嚴(yán)重，往往以此作為檢驗系統(tǒng)是否具有暫態(tài)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)主要研究的問題之一，所謂穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)經(jīng)受擾動后能繼續(xù)保持向負(fù)荷正常供電的能力，即承受擾動的能力，穩(wěn)定總是與干擾相聯(lián)系的。

一、機電暫態(tài)理論過程分析

結(jié)合一個簡單的電力系統(tǒng)的分析對機電暫態(tài)的概念進行簡要說明。圖1（a）是由發(fā)電機、線路和無窮大系統(tǒng)組成的簡單的系統(tǒng)。圖1（b）中實線部分表示的是系統(tǒng)正常運行時的相量圖。各個元件的電阻及線路導(dǎo)納忽略不計，X∑=XG+XT+XL，假設(shè)發(fā)電機的等值電動勢為常數(shù)并且發(fā)電機為隱極機。正常運行時，發(fā)電機和無限大系統(tǒng)相當(dāng)于一個電壓和頻率為常數(shù)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(fù)荷范圍內(nèi)是常數(shù)，即各相量之間的關(guān)系保持不變。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時由發(fā)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(shù)關(guān)系；然而此時系統(tǒng)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(tǒng)的狀態(tài)變量。如果系統(tǒng)受到干擾導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速變大或減小，使發(fā)電機不再保持同步運行，則相量的速度和的旋轉(zhuǎn)速度也不再保持一致，此時和間的相角差δ不再是常數(shù)。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(tǒng)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(tǒng)不能正常工作。這種情況即稱為系統(tǒng)功角不穩(wěn)定。

作用在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩決定了它的轉(zhuǎn)速，原動機的機械轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩是作用在轉(zhuǎn)子上轉(zhuǎn)矩的兩個主要因素。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持同步時，機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩是平衡的。當(dāng)有擾動造成這兩部分轉(zhuǎn)矩不平衡時會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速或者減速，進而是轉(zhuǎn)子脫離同步轉(zhuǎn)速。發(fā)電廠動力部分（如火電廠的鍋爐和汽輪機）的運行狀態(tài)決定了原動機的機械轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機及其連接的電力系統(tǒng)中的運行狀態(tài)決定了發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)有任何干擾造成轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩不平衡時都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速發(fā)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(tǒng)在受到干擾后，發(fā)電機組經(jīng)過一段過程的運動變化后仍能恢復(fù)同步運行，即 角能夠重新達到一個穩(wěn)態(tài)值。若能滿足這一條件，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，否則就是不穩(wěn)定的。因此必須采取相應(yīng)的措施以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

二、機電暫態(tài)過程在實踐中的控制

在電廠實際中為防止機組出現(xiàn)暫態(tài)不穩(wěn)定過程，常采用自動調(diào)節(jié)勵磁裝置對過程中出現(xiàn)的暫態(tài)過程加以控制，防止機組出現(xiàn)不穩(wěn)定，如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)微小擾動時，機組機端電壓發(fā)生變化，通過負(fù)反饋到調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電壓升高時輸出減小，電壓降低時輸出增大。調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，以維持系統(tǒng)正常運行。

發(fā)電機正常運行時，向系統(tǒng)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(tài)即遲相運行。當(dāng)逐漸減少勵磁電流使發(fā)電機從向系統(tǒng)供給無功功率而變?yōu)閺南到y(tǒng)中吸收感性無功功率，定子電流從滯后而變?yōu)槌鞍l(fā)電機端電壓一個角度，此種狀態(tài)即進相運行。發(fā)電機的進相運行就是低勵磁運行。

區(qū)別進相與遲相的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)角）。發(fā)電機的進相運行是一種正常運行狀態(tài)。

發(fā)電機通常是遲相運行，發(fā)出有功功率和感性無功功率，以供給電感性負(fù)載。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)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(dāng)于發(fā)出電感性無功功率。在系統(tǒng)輕負(fù)荷，即電感性負(fù)荷輕時，線路上的電壓會上升。例如在節(jié)假日、午夜等低負(fù)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(fā)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(nèi)，則可減少裝設(shè)其他吸收剩余無功的調(diào)壓設(shè)備。

發(fā)電機在進相運行時，勵磁電流愈小，從系統(tǒng)吸收的無功功率愈大，功角δ也愈大，發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性下降。進相運行時發(fā)電機定子端部漏磁較遲相運行時增大。進相運行時發(fā)電機端電壓降低，廠用電電壓亦相應(yīng)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(fā)電機進相運行的主要因素。

豐鎮(zhèn)發(fā)電廠在2007年對#5機組做進相試驗時，規(guī)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(fā)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(fā)電機進入欠勵狀態(tài)，電勢則減小為E3，相應(yīng)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(fā)電機在輸出有功功率的同時，還輸出容性的無功功率，相應(yīng)的功角為δ3。

發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)帶負(fù)載后，調(diào)節(jié)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(xiàn)象也可用電樞反應(yīng)和磁勢平衡來解釋。因為同步發(fā)電機并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)，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(fā)電機應(yīng)輸出滯后的無功電流，電樞反應(yīng)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(fā)電機應(yīng)輸出超前的無功電流，減弱電樞反應(yīng)的去磁作用，甚至使電樞反應(yīng)變?yōu)樵龃牛匝a償不足的主磁通。

三、結(jié)論

通過理論對豐鎮(zhèn)電廠四臺機組實踐分析，發(fā)現(xiàn)機組在暫態(tài)過程中可以利用自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)加以控制，以維持系統(tǒng)正常運行，同時機組本身也可以克服暫態(tài)過程中出現(xiàn)的暫時不穩(wěn)定情況，如果系統(tǒng)出現(xiàn)大的擾動，機組克服不了此暫態(tài)過程，則電氣繼電保護的相關(guān)保護啟動以切除故障，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）