电力系统暂态稳定影响因素的分析

研究与开发　电力系统暂态稳定影响因素的分析　恰勒哈尔・吾肯　加玛力汗・库马什　（新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐８３００４７）　摘要　电力系统暂态稳定影响因素的分析对电力系统暂态稳定性、电力系统的安全运行和暂　态稳定预防控制都有着重要意义。影响电力系统暂态稳定的主要因素分别为故障类型、运行方式、　微机保护的故障切除时间等。本文通过使用华中科技大学研发的ＷＤＴ－ＩＩＩ电力系统综合自动化试验　台进行暂态稳定实验，并对获取的实验数据进行了分析研究，实验结果表明，三种因素对电力系　统暂态稳定具有不同的影响。实验结果分析对提高电网暂态稳定分析具有一定的参考价值。　关键词：电力系统暂态稳定；ＷＤＴ－ＩＩＩ系统综合自动化试验台；影响因素　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍａｉｎ　Ｆａｃｔｏｒｓ　Ｉｆｉｌｐａｃｔｉｎｇ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　Ｑｉａｌｅｈａｅｒ・Ｗｕｋｅｎ　Ｊｉａｍａｌｉｈａｎ・Ｋｕｍａｓｈｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００４７）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｍｐａｃｔｉｎｇ　ｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｏｆ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｉｍｐａｃｔｉｎｇ　ｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｆａｕｌｔ，ｒｅｌａｙ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ，ｅｔｃ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｅ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉａｎｃｅ　ｏｆ　ＷＤＴ－ＩＩＩ　ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　Ｈｕａ　Ｚｈｏｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｅｄ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｂｅ　ｉｇｎｏｒｅｄ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｖｅ　ｔｈｅ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｔｈｅ　ａｐｐｌｉａｎｃｅ　ｏｆ　ＷＤＴ－ＩＩＩ　ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ；ｅｆｆｅｃｔ　ｆａｃｔｏｒ　电力系统暂态稳定反映电力系统遭到大扰动后　口径“复合型”高级技术人才的需要而研制的电力　能恢复到稳定运行的能力［”。一般，影响电力系统　类专业新型教学试验系统。试验台的一次接线图如　暂态稳定的因素比较多，比如，故障类型、继电保　图ｌ所示。　护动作时间、运行方式等等，但是这些因素对系统的　暂态稳定影响程度都不一样。为了提高系统的安全　运行和系统的强度，研究影响电力系统暂态稳定性　统　的因素是至关重要的。本文通过使用华中科技大学　研发的ｗＤＴ＿ＩＩＩ电力系统综合自动化试验台进行暂　图ｌ一次系统接线图　态稳定实验，并对获取的实验数据进行了分析研究。　ｗＤＴ．ＩＩＩ型电力系统综合自动化试验台由发电　１试验台结构简介与实验内容　机组、试验操作台、无穷大系统等三大部分组成。　１）发电机组是由在一轴上的三相同步发电机，　１．１试验台结构简介　模拟原动机用的直流电动机以及测速装置和功率角　ＷＤＴ－ＩＩＩ型电力系统综合自动化试验台，由华中　指示器组成。　科技大学研发的，是为了适应现代化电力系统对宽　２）试验操作台是由输电线路单元、微机线路保　新疆维吾尔自治区高等学校科研计划重点项Ｉ￣１（ＸＪＥＤＵ２０１０１１６）　新疆大学２１世纪高等教育教学改革工程项目（ＸＪＵ２００８ＪＧＺ１５）　２０１２￣１ｏ期电．．１技求Ｊ　５　新疆维吾尔自治区《电力系统分析》精品课程的建设资助项目　研究与开发　护单元、负荷调制和同期单元、测量和短路故障模　拟单元等组成。　３）无穷大电源是由１５ｋＶＡ的自傲变压器组成。　通过调制自耦调压器的电压可以改变无穷大母线的　电压［　。　１．２　实验内容　实验内容可总结以下３个方面：　１）在做本实验时，在试验台上通过操作面板上　通过选择按钮的组合可进行各种类型的短路故障。　２）设置ＹＨＢ—ＩＩＩ型微机保护的参数，微机保护　装置的整定值参数如下：　（１）过流保护动作延迟时间：０．５（Ｓ）。　（２）过电流整定值：５．００（Ａ）。　（３）过流保护投切选择：ｏｎ。　（４）重合闸投切选择：ｏｆｆ。　３）将原动机调速器和发电机励磁调节器均设为　手动方式，发电机并网以后，通过调速器的增（减）　速按钮调节发电机向电网的出力，在不同短路故障、　不同运行方式、不同故障切除时间三种情况下测定　能保持系统稳定运行的发电机所能输出的最大功　率、最大短路电流、最大功角［３１。　２实验验证与分析　２．１实验原理　电力系统暂态稳定问题是指电力系统受到较大　的扰动之后，各发电机能否继续保持同步运行的问　题。在各种扰动中以短路故障的扰动最为严重。　正常运行时发电机功率特性为　Ｐ　ｒ　ｒ　异：　ｓｉｎ　（１）　１　短路运行时发电机功率特性为　Ｆ　ｒ　ｒ　只：　ｓｉｎ　（２）　２　。　故障切除发电机功率特性为　ｒ　ｒ　＝兰　ｓｉｎ　（３）　３　对这３个公式进行比较，我们可以知道决定功　率特性发生变化与阻抗和功角特性有关　。　２．２短路类型对暂态稳定影响　众所周知，电力系统的短路故障包括三相对称　短路，两相接地短路，两相短路和两相接地短路。　本实验接线方式为，发电机经双回路输电线路与无　６　Ｉ电ｌ｜ｉ技７ｌｔ　２０１２／ｇ￣Ｉ　１０ｌｔｌ￣　穷大系统相接，短路故障点为第１Ｉ回线路－厂点（如　图１所示）。当不同类型的故障发生时，记录能　保持系统稳定运行的发电机所能输出的最大　功角　（。）、极限功率Ｐ　（ｋｗ）、最大短路电流　ｌｍ　（Ａ）。实验结果如下表１所示。　表１　不同短路类型下的极限功率试验数据　短路类型　６ｍ　ａｘ／。　Ｐｍ　／ｋＷ　／Ａ　单相接地短路　６４　２．４８５　５．４　两相相间短路　４０　１．９３０　６　６　两相接地短路　３６　１．７８２　５．８　三相短路　２９　１．１１４　４　８　（注：线路运行方式为除了线路的ＱＦ５开关外其他开关均投。）　最大功角（　）　极限功率（ｋＷ）　最大短路电流（Ａ）　图２　不同故障下的功率极限、最大功角、最大短路　电流比较图　由图可知，每一种短路故障对系统暂态稳定地　影响程度均不一样。其中三相短路的功率极限是最　小，其对暂态稳定影响是最严重的。单相接地短路　的功率极限是最大，其对暂态稳定影响是最小的。　根据发电机转子运动方程：　ｄ６——＝（ｄ　：（、　一）　一　　１）‰　（４）　出　１（　：　Ｍ　一　＋）　式中，　为系统额定角速度；　为发电机的功角；　Ｏｈ，为电角速度的标幺值；ＭＮ惯性时间常数；尸Ｔ　为　原动机功率标幺值；尸Ｅ＋为电磁功率标幺值。　由发电机转子运动方程可知，短路期问Ｐ　越小，　△Ｐ＝　一　就越大，转子速度也越大，摆开的功角就　越大，也就容易失稳。下面介绍４种短路类型对暂态　稳定的影响程度不一样的原因。表２表示在不同发电　机输出功率和不同故障类型下的短路电流大小。　研究与开发　表２不同短路电流类型短路电流　功率ＰＥ相等时，系统保持稳定状态。当发生短路时，　短路电流／Ａ　短路电流／Ａ　短路类型　发电机的电磁功率是突变，但是由于康动机具有惯　（ＰＧ＝Ｉ．０５ｋＷ）　（Ｐ６＝Ｏ．５２ｋＷ）　性，因此原动机的输出功率不能突变。根据单机无　单相接地短路　４．３４　４．２６　穷大系统等值电路（图３），可以写出当发生短路时　两相相间短路　６．０９　５．６９　的电磁功率　为　两相接地短路　６．２７　６．Ｏ８　三相短路　７．４３　７．３３　＝，　（　＋　＋ｍＲＬ）　由表２的短路电流实验数据可知，短路电流的大　一　Ｅ　（ＲＧ＋研＋ｍＲＬ）　（６）　—————————————————　——————————————————－＝＿　小与发电机输出功率和短路类型有关。在４种故障中　（　＋坼＋ｍＲＬ）　＋（　＋　＋　）　三相短路故障短路电流是最大的。图３表示单机无穷　大系统的等值电路图。　式中，，　为发电机提供的暂态短路电流相量幅值。　根据式（６），当故障点固定时电磁功率的变化与短　路电流的幅值有关。由表２可知，在四种短路故障　中三相短路的短路电流幅值最大，进而使电磁功率　和原动机输出功率尸Ｔ之差ＡＰ变化大，因此当发　生三相短路故障时比其他短路故障相比最容易使电　力系统失稳，即其功率极限（或者最功角）为最小。　图３单机无穷大系统等值电路　根据不同类型下的极限功率测定结果（表１）　图３中，　Ｇ和　分别为发电机的定子电阻和　可知，单相接地短路对系统稳定性影响最小，两相　相间短路次之，两相接地短路再次之。　直轴暂态电抗；　为发电机的虚拟暂态电动势（暂　态电抗后电势）；Ｒ　和　分别为无穷大系统的等值　２．３运行方式对暂态稳定影响　电阻和等值直轴暂态电抗；虞为无穷大系统的等值　根据式（２），当发生短路故障时，除了功角外，　虚拟暂态电动势；　和　分别为变压器的正序电阻　电抗也是影响极限功率的因素之一。在ｗＤＴ－ＩＩＩ系　和电抗；凡和　分别为高压线路的正序电阻和电　统综合自动化试验台上能改变输电线路的接线方　式，从而改变线路的阻抗。在进行实验之前作者选　抗。　择了典型的三种运行方式（微机保护的参数和上一　短路发生之前：　尸Ｔ一尸Ｅ＝０　（５）　次实验一致），１表示为开关投，０表示为开关切。　如表３所示实验后得到不同运行方式下的不同故障　当原动机输出的功率尸Ｅ和发电机输出的电磁　试验数据。　表３　不同运行方式下不同短路类型的极限功率试验数数据　—三　｛　——————～垫堕鲞竺　单相接地短路　两相相　旬短路　两相接地短路　三相短路　ＱＦ１　ＱＦ２　ＱＦ３　ＱＦ４　ＱＦ５　ＱＦ６　尸…／ｋＷ　ｌｍａｘ／Ａ　Ｐｍａｘ／ｋＷ　ｌｍａｘ／Ａ　Ｐｍ　，ｋＷ　／Ａ　Ｐｍａｘ／ｋＷ　，ｍ　，Ａ　Ｏ　１　ｌ　１　１　１　２．Ｏ　４．１　１．４３ｌ　６．７　１．１５　５．７　１．４０４　３－８　１　１　１　１　１　１　２－３　５．４　１．６４ｌ　８．１　１．３５　６．９　１．５５　７＿３　１　ｌ　１　ｌ　Ｏ　ｌ　２．４８５　５－３　１．９３　６．６　ｌ　７８２　５．８　１．１ｌ４　４．８　由表３可知，线路的运行方式对电力系统的暂　明这种运行方式是单机无穷大系统中最理想的运行　态稳定的影响是很明显的。通过分析得出，当发生　方式。但是在这种运行下的三相短路功率极限比第　单相接地短路、两相相间短路、两相接地短路时，　二种运行方式（所有的开关投）较小，三相短路是　第三种运行方式（除了ＱＦ５外所有的开关投）对暂　在第二种运行方式下到最大的功率极限，即暂态稳　态稳定有利的，功率极限比其他运行方式较大，说　定为最好。　２０１２年第１０期电．｜ｌ技求Ｉ　７　研究与开发　２．４继电保护的动作时限对暂态稳定影响　继电保护装置是保证电力系统安全运行的重要　设备，也是保证系统稳定运行的基本设施之一。在　固定故障点，同一短路类型和同一系统运行条件下，　通过调速器的增速按钮增加发电机向电网的出力，　在测定不同故障切除时间能保持系统稳定时发电机　所能输出的最大功率，分析故障切除时间对暂态稳　定的影响。在本实验中，选择表３中的第三种运行　方式（除了ＱＦ５外所有的开关投），故障类型为两　相相间短路，实验结果如表４所示。　表４　两相相间短路极限切除时间实验数据　过流保护动作　６ｍａｘ／。　Ｐ…／ｋＷ　ｋ　／Ａ　时间／ｓ　０．５　４４．４　１．９３　６　６　ｌ　４２．１　１．８２　６．２７　１．５　４０．０　１．７６　６．２　图４　不同继电保护的动作时限的功率极限、最大功角、　最大短路电流比较图　由实验结果和图４可知，在固定故障点、同一短　路类型和同一系统运行条件下，保护切除故障动作　时限不同，其对电力系统暂态稳定的影响程度不同，　故障切除时间延长，稳定水平随着降低。不同切除　时间下的功率特性图如图５所示。　图中　和　分别表示发生震荡瞬问的最大功　角和保护切除故障瞬间的功角。根据等面积定则，　暂态稳定的条件为减速面积大于加速面积。由图５　可见，不同切除时间下的减速面积远远小于加速面　积，因此使系统发生了震荡。随着切除时间的增大，　加速面积也跟着增大，使加速面积和减速面积相差　不断地增大，引起了系统功角极限的变小。　８　ｌ电｜｜ｉ技术　２０１２￣１０期　如　∞　∞　∞　０　积　加速面　　‘　．一　加速面霉二　一　积　积　加速面　＜　一　‘　图５　不同切除时间下的功率特性曲线　３　结论　本文通过使用ｗＤＴ＿ＩＩＩ系统综合自动化试验台，　分析了故障类类型、运行方式、微机保护的故障切　除时间对暂态稳定性的影响。将实验结果总结如下：　１）由实验一的结果得出，同一个运行方式下的　不同故障类型对暂态稳定的影响是不同的，其中三　相短路故障的功率极限最小，影响是最严重的，单　相接地故障的功率极限是最大。　２）由试验二的结果得出，在其它参数不变的情　况下，线路运行方式对暂态稳定的影响是很显著的。　在三种运行方式下的功率极ＩＩ￣￣Ｉ最大短路电流是不　同的。　３）由实验三的结果和分析可见，在同一故障下，　随着微机保护的故障切除时间不同，其对系统稳定　运行的影响程度也不同，稳定水平随之降低。　总之，上述实验结果分析对提高电网暂态稳定　分析具有一定的参考价值。　参考文献　［１］　李光琦．电力系统暂态分析（第３版）［Ｍ】．北京：中　国电力出版社，２００７．　［２］　武汉化工大学电力自动化研究所．ＷＤＴ＿ＩＩＩ系统综合　自动化试验台使用说明书［ｚ］．华中科技大学．２００６，７．　［３】　加玛力汗，范艳芳，陈江．电力系统分析实验指导书（第　３版）［Ｍ］鸟鲁木齐：新疆大学出版社，２０１１．　研究与开发　［４】杨德先，陆继明．电力系统综合实验原理与指导［Ｍ】北　［９】　吴政球，匡文凯．单机等面积法电力系统暂态稳定分　京：机械工业出版社，２００４．　析［Ｊ］．电力系统及其自动化学报，２０１０，（１Ｏ）．　【５］　关守仲，仇玉萍．浅谈系统故障切除时限对暂态稳定　【１０］白雪峰，倪以信．电力系统动态安全分析综述［Ｊ］．电网　的影响［　安徽电力，１９９１（３）．　技术，２００４，（１６）．　［６】秦晓辉，华天姝．联络线三相金属性短路地点对电力　［１１］朱方，刘增煌，高光华．电力系统稳定器对三峡电力系　系统暂态稳定性的影响［Ｊ１．电网技术，２００７，３６（２）．　统暂态稳定的影响［Ｊ］．中国电机工程学报，２００２，（１１）．　［７］　蔡克红，李升．Ｍａｔｌａｂ　ＰＳＢ在电力系统暂态稳定中的　仿真应用『Ｊ］．江西电力，２００６，３０（３）．　作者简介　［８］　张汉雄，李丹，罗志远．基于辛ＲＫＮ算法的电力系统暂　恰勒哈尔・吾肯（１９８６一）男，哈萨克族，新疆阿勒泰人，硕士研究生　态稳定性计算［Ｊ］．陕西电力，２０１Ｏ，（１Ｏ）．　研究方向为电力系统稳定与控制。　（上接第４贞）　著的减小。也证明了本文所选取的撬棒电阻的正确　３）通过对撬棒电阻阻值的准确分析和电路投入　性和投入时间的准确性。由于本文中采取的是对无　时间的准确控制，使得系统能够有效实现故障过程　功功率的控制，从图９和图１０中也可看出系统的无　中的低电压穿越。　功功率基本保持不变，避免了风机从电网吸收无功　功率，有利于电网的恢复；而有功功率中因减少了　参考文献　负序分量和暂态直流分量而有所降低。图１１和图　【１】　李建林，许洪华．风力发电系统低电压运行技术【Ｍ】．　１２的对比分析可以看出，改进控制策略后，系统的　北京：机械工业出版社，２００８．　定子转矩减小，避免了故障过程中因转矩过大而损　［２】　秦原伟，刘爽．基于Ｃｒｏｗｂａｒ的双馈风力发电低电压　坏电机。　穿越研究［Ｊ］．电力电子技术，２０１１，４５（８）：５１－５３．　［３】　宋平岗，喻冲．不对称跌落下双馈风机低电压穿越的　４　结论　研究［Ｊ］．电力电子技术，２０１　１（８）：６０—６２．　１）通过分析可知，本文所提的控制策略能够在　［４］　胡家兵，孙丹，贺益康，等．电网电压骤降故障下双馈风　电网不对称故障时有效、快速的消除负序电流产生　力发电机建模与控制［Ｊ］．电力系统自动化，　的定子侧有功、无功功率、电磁转矩和直流侧电压　２００６，３０（８）：２　１－２６．　的２倍频波动，保证了电机和电网的安全，实现不　［５］　姚嘉琨．风电机组励磁调节与低电压穿越技术研究　对称故障下的低电压穿越。　［Ｄ】．华北电力大学，２０１１．　２）本文中网侧变换器和转子侧变化器中，通过　改进的锁相环控制，能够准确获取正序电压的相位　作者简介　孟晓凯（１９８７一）男，山西人，太原科技大学硕士研究生，研究方向为　和频率，以完成精确的旋转坐标变换和控制定向。　电　力电子电力传动。　ｔ　．　皇　查　武汉南瑞研制的ＰＤ２０００配电变压器智能监测系统通过产品鉴定　近日，武汉南瑞研制的“ＰＤ２０００配电变压器智能监　率因数、谐波、负载率以及变压器自身损耗、短路阻抗、　测系统”在沈阳通过中国电力企业联合会组织的产品鉴　热点温升等状态参数，便于变压器状态评估与诊断。系统　定。验收组专家一致认为该系统填补了国内空白，主要性　现场更换方便，具备很好的工程实用性。　能指标和功能达到了国际先进水平，可批量生产。　该产品成果的应用不仅能够促进配电变压器与二次　该系统能够通过对配电变压器高、低压电压、电流、　设备的有效融合，实现配电变压器的状态检测，同时，可　油温、油压及油位的测量，实现数据无线传输、具有ＧＰＳ　大幅提升配电设备智能化水平和运行可靠性，为实现变压　统一时钟定位对时，准确、实时获取配电变压器功率、功　器的状态检修和全寿命周期管理提供了强有力的支撑。　　Ｉ２０１２年第１０期电Ｉ｜ｌ技术ｆ　９