毛鵬飛

黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)騰飛污水處理有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150300

1 出口電壓低對(duì)發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性的影響

電力系統(tǒng)是一個(gè)由發(fā)電機(jī)組、變壓器、輸配電線路、用電設(shè)備等很多單元組成的復(fù)雜的大系統(tǒng)，電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小干擾后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或非周期性失步，自動(dòng)恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)幾乎時(shí)時(shí)刻刻都受到小的干擾，電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題實(shí)際上就是確定系統(tǒng)的某個(gè)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)能否保持的問(wèn)題。實(shí)際的電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)很多，負(fù)荷情況也是錯(cuò)綜復(fù)雜。如果要詳細(xì)記錄各種因素，是非常復(fù)雜的，因此我們采用簡(jiǎn)化的模型對(duì)系統(tǒng)中各電源或同步發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析。

2 同步發(fā)電機(jī)的功角δ與靜態(tài)穩(wěn)定的關(guān)系

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的同步發(fā)電機(jī)在分析穩(wěn)定問(wèn)題時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)作某些近似簡(jiǎn)化，認(rèn)為發(fā)電機(jī)是理想電機(jī)。對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)過(guò)程作某些近似簡(jiǎn)化。只計(jì)及發(fā)電機(jī)定子電流中的正序基波(假定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速)周期分量產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩(或功率)，而忽略暫態(tài)過(guò)程中定子電流的其它分量。對(duì)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路暫態(tài)過(guò)程的簡(jiǎn)化，可用恒定的次暫態(tài)(或暫態(tài))電勢(shì)作為發(fā)電機(jī)等值電勢(shì)。最極端的是假設(shè)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置的作用極強(qiáng)，則近似認(rèn)為發(fā)電機(jī)端電壓不變。

以暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)和暫態(tài)電抗表示發(fā)電機(jī)，則根據(jù)隱極同步發(fā)電機(jī)的功—角特性方程，大容量系統(tǒng)的母線電壓U為常數(shù)。如果近似地認(rèn)為自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置能保持E’q不變，則發(fā)電機(jī)的電磁功率也僅是功角δ的函數(shù)。δ角是空載電動(dòng)勢(shì)E’q (即q軸)對(duì)于母線電壓U的相對(duì)角，又稱功角。由此可以畫出簡(jiǎn)化系統(tǒng)中的隱極發(fā)電機(jī)，在E’q為常數(shù)情況下的有功功率和功角δ的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1

由功—角特性方程分析可知靜態(tài)穩(wěn)定判據(jù)為dPE’q/dδ＞0，其功率極限值出現(xiàn)在功角大于90°處。對(duì)于目前所討論的同步發(fā)電機(jī)，其靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)dPE’q/dδ的大小還可以說(shuō)明發(fā)電機(jī)維持同步運(yùn)行的能力，即說(shuō)明靜態(tài)穩(wěn)定的程度。當(dāng)PE’q達(dá)到其極限值時(shí)即是穩(wěn)定與不穩(wěn)定的分界點(diǎn)Pmax，稱為靜態(tài)穩(wěn)定極限。在所討論的簡(jiǎn)化系統(tǒng)情況下，靜態(tài)穩(wěn)定極限對(duì)應(yīng)的功角正好與最大功率或稱功率極限的功角一致。電力系統(tǒng)不應(yīng)在接近穩(wěn)定極限的情況下運(yùn)行，而應(yīng)保持一定的儲(chǔ)備。我國(guó)的電力系統(tǒng)安全準(zhǔn)則規(guī)定，電力系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)有足夠的靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備。按功角δ判據(jù)計(jì)算的靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)KP%≥15%～20%，其中:

由有功功率和功角δ的關(guān)系曲線可知：靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)K是功角δ的單調(diào)降函數(shù)，即隨著功角δ的增加，靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)K將減少。也就是說(shuō)在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)出口電壓較低將影響發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有一定的潛在危害。

3 電壓低對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的影響

同步發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行的穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的主要方面，但不是唯一因素。負(fù)荷穩(wěn)定問(wèn)題是電力系統(tǒng)穩(wěn)定的另一重要問(wèn)題。實(shí)際上，負(fù)荷的穩(wěn)定性和發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行的穩(wěn)定性是密切相關(guān)的。各類負(fù)荷中占比重最大的是異步電動(dòng)機(jī)，這里將著重討論異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定問(wèn)題。這里假設(shè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化，即Mm為常數(shù)。電動(dòng)機(jī)可能有兩個(gè)運(yùn)行點(diǎn)a和b，可以分析得知只有a點(diǎn)是靜態(tài)穩(wěn)定的，而b點(diǎn)是不穩(wěn)定的。由電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式及轉(zhuǎn)矩特性曲線電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的判據(jù)為：dME/ds＞0，其穩(wěn)定極限和轉(zhuǎn)矩極限也是一致的。在機(jī)械轉(zhuǎn)矩Mm達(dá)到極限值情況時(shí)，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為臨界轉(zhuǎn)差率，在這種情況下，只要有一點(diǎn)擾動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率就不斷增加而使電動(dòng)機(jī)停頓。在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩ME與機(jī)械轉(zhuǎn)矩MT相等，如MT和U=U0(正常電壓)時(shí)ME的交點(diǎn)a0，相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為s0。這時(shí)，按等值電路求得的異步電動(dòng)機(jī)等值阻抗與正常運(yùn)行時(shí)的等值阻抗相對(duì)應(yīng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)受到擾動(dòng)，異步電動(dòng)機(jī)端電壓突然變化時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也突然變化。一方面當(dāng)端電壓突然降至U1，在突變瞬間轉(zhuǎn)差率仍為s0，機(jī)械轉(zhuǎn)矩仍為a0點(diǎn)，而電磁轉(zhuǎn)矩則降至a1點(diǎn)，即ME和MT不平衡。異步電動(dòng)機(jī)能否達(dá)到新的平衡取決于ME和MT的變化情況。為便于分析，我們假設(shè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩MT保持不變，則異步電動(dòng)機(jī)能否達(dá)到新的平衡完全取決于MEmax。若MEmax＞MT則異步電動(dòng)機(jī)將能達(dá)到新的平衡，否則將失去平衡，轉(zhuǎn)速急劇下降直至停轉(zhuǎn)。我們忽略電壓變化所引起的等值阻抗的變化，則最大轉(zhuǎn)矩MEmax與電壓U的平方成正比，即異步電動(dòng)機(jī)能否達(dá)到新的平衡完全取決于其端電壓電壓降低時(shí)，其穩(wěn)定極限將下降。另一方面，靜態(tài)特性，如果近似地認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)電壓(含異步電動(dòng)機(jī)端電壓)變化過(guò)程中異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩始終平衡。當(dāng)端電壓由U0降至U1時(shí)轉(zhuǎn)差率由s0變?yōu)閟1，即為新的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)。由此，可根據(jù)不同電壓方便地計(jì)算得到不同的轉(zhuǎn)差率、及不同的臨界轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率。最后得出結(jié)論：隨著異步電動(dòng)機(jī)端電壓U的下降轉(zhuǎn)差率s上升，異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩MEmax隨端電壓U2正比下降。將使異步電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定裕量迅速減少，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。

4 結(jié)論

發(fā)電機(jī)出口電壓降低時(shí)，將影響發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有一定的潛在危害。另外發(fā)電機(jī)的定子電流將因其功率角的增大而增大。如這電流原已達(dá)額定值，則電壓降低后，將使其超過(guò)額定值。為使發(fā)電機(jī)定子繞組不致過(guò)熱，不得不減少發(fā)電機(jī)所發(fā)功率。相似地，系統(tǒng)電壓降低后，也不得不減少變壓器的負(fù)荷。這將影響設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

[1]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析.水利電力出版杜.

[2]劉學(xué)軍.繼電保護(hù)原理.中國(guó)電力出版社.