关于电力系统中的暂态稳定问题分析

高红梅1张海城2郝沛霖3孔磊4

高红梅1张海城2郝沛霖3孔磊4

（国网滨州供电公司山东省滨州市256600）

摘要：在现实生活中，电力系统的运转优劣直接影响着社会当中各个环节的运行秩序。为了防止电力系统出现异常状况，给居民用电带来影响，有关部门对电力系统的暂态稳定、紧急控制等领域进行探究。

关键词：电力系统；暂态稳定；紧急控制

一、暂态稳定的概述

电力系统在运行中，受到突然短路、断开线路等大扰动时，会引起发电机转子的摇摆，在条件不利时，可能导致发电机之间失去同步。暂态稳定就是研究电力系统突然遭到大扰动后，能安全过渡到一个新的平衡状态或者回复到原来运行状态的问题。下面以图1（a）所示的简单电力系统为例，说明哲态稳定的性质。

正常运行时，发电机向系统输出功率P与原动机供给的功率P相平衡。假设在线路始端发生突然短路，将引起电流、电压的急剧变化，发电机输出的电磁功率也相应发生突然的变化。但是发动机调速器的动作相当迟缓，大约在1s左右发动机调速器还不能有明显的变化，故发动机输出功率PT可视为不变。于是发电机输入输出功率的平衡遭到破坏，从而有一个不平衡转矩作用在转子上，使转子产生加速度，致使功角δ不断改变。大干扰引起的过程是一种电磁暂态过程和转子机械运动暂态过程联合在一起的过程，称为机电暂态过程。暂态稳定要解决的问题是确定发电机转子的摇摆过程。精确计算机电暂态过程是非常复杂的，实用计算中都要忽略一些次要因素，使计算简化，同时又能保证误差在允许范围之内。

发生了不对称短路，相当于在短路点并联接入一个由短路类型确定的附加电抗XΔ，如图1（b）所示。这时发电机的等值电抗由xd变为x?d，发电机空载电动势Eq不再是常数，而暂态电动势E’在暂态过程中为常数。

二、发电机转子的相对运动

一段时间内不会改变，于是出现一过剩功率，在转子上出现与之相应的过剩转矩。在过剩转矩作用下，转子开始加速，发电机电动势E开始比受端电压U的恒定同步转速加快，δ角逐渐增大，运行点内b点向c点移动。如果故障永久存在下去，原动机的功率始终大于发电机的输出功率，转子不断加速而与受端系统失去同步。实际上系统都配有继电保护装置，故障发生后，它将迅速动作切除故障线路，使功率特性变为PIII，设想在c点切除故障线路，同样因δ不能突变，运行点突变到e点，这时发电机输出功率大于原动机功率，转子转速开始减慢。但由于此时转子的速度仍大于同步转速，δ角还要继续增大，而相对速度则开始减小，称此后的一段过程为减速过程。在减速过程中，发电机多输出的功率靠消耗转子的动能来维持。到了f点，转子速度已减少到同步速度，不过在f点不能停留下来，因为此时发电机输出功率仍大于原动机功率。于是转子继续减速，δ开始减少，运行点向k点转移。在A点发电机的输出功率恰好等于原动机功率，但由于惯性作用，δ角将继续减小。越过k点以后，原动机功率又大于发电机功率，转子又重新开始加速，直到转速恢复到同步速度，δ角才在继续减小，以后δ又重新增大，开始第二次振荡。在振荡过程中不断有能量消耗，所以振荡逐渐衰减，最后稳定在k点持续运行。

暂态过程也可能出现另一种结局，设想故障切除的比较晚，在减速过程中δ角增加到δh时，转速尚未降到同步速度，运行点将越过h点。这时转子又开始承受加速转短，使δ角继续增大，以致和受端系统失去同步。

三、提高暂态稳定性的措施分析

提高暂态稳定的措施，一般首先考虑的是减少扰动后功率差额的临时措施，因为在大扰动后发电机机械功率和电磁功率的差额是导致稳定破坏的主要原因。所有的措施都是为减小加速面积，增加减速面。

3.1故障的快速切除和自动重合闸装置的应用

快速切除故障是提高暂态稳定的最根本，最有效的措施，同时又是简单易行的措施。当系统的暂态稳定将遭到破坏时，首先应考虑快速切除故障。快速切除故障的作用是减小加速面积，增大减速面积。如把故障切除的角度从60提前到55，可以使原来不稳定的系统转化为稳定的。

切除故障时间等于继电保护动作时间和断路器动作时间之和。目前新型的保护装置的动作时间可做到不大于0.04s，断路器的动作时间不大于0.06s，二者动作时间之和可做到0．1s之下，最快可达到0.06s，从而显著地改善了系统的暂态稳定性。

高压输电线路的短路故障，绝大多数是瞬时性的，故障线路切除后通过自动重合闸装置立即重新投入，大多数情况下可以恢复正常运行，成功率可达90％以上。超高压输电线路的故障大多数是单相接地，对这类故障可以考虑采用按相动作的单相重合闸装置。这种装置自动选出故障相切除，经过一小段时间后又重新合闸。由于只切除一相，送端发电厂和受端系统之间的联系更为紧密，从而进一步提高了暂态稳定性。

3.2提高发电机输出的电磁功率

3.2.1对发电机施行强行励磁

发电机都备有强行励磁装置，以保证当系统发生故障而使发电机端电压低于85％-90％额定电压时迅速而大幅度地增加励磁，从而提高发电机电动势，增加发电机输出的电磁功率。强行励磁对提高发电机并列运行和负荷的暂态稳定性都是有利的。

3.2.2快速气门控制，电气制动，变压器经小阻抗接地

在系统故障期间，如能迅速关闭气门降低原动机的功率，就会显著减少过剩功率，提高系统的暂态稳定性。可惜由于汽轮机调速器不够灵敏，这个想法一直未得到实际应用。近年来汽轮机调速器越来越完善，尤其电液调运器的出现，是快速关气门成为可能，它的使用将使暂态稳定得到显著改善。

变压器经小电阻接地的作用相当于单相接地故障的电气制动，单相接地时，接地电流流经接地小电阻，吸收过剩功率，改善暂态稳定。

3.2.3连锁切机

连锁切机具有类似上述措施的效果，同时又有花费少，易于实现等优点，在稳定问题严重的系统中应用较多。所谓连锁切机就是在一回线路发生故障时，在切除故障线路的同时连锁切除送端发电厂的部分发电机。线路故障连锁切除一台发电机，相当于发电厂的功率减小1/3，增大了减速面积，从而使原来不能保持稳定的系统变为能够保持稳定。连锁切机的严重缺点是使系统的电源减少了，不过当没有更好的办法时，要比系统丧失同步强得多。

参考文献：

[1]林舜江，刘杨华.简单电力系统暂态电压稳定的直接分析法[J].湖南工业大学学报，2011（01）.

[2]张锋，李明霞，罗忠游，常喜强.含风电地区电网暂态电压稳定性研究[A].2011电力通信管理暨智能电网通信技术论坛论文集[C].2011.

[3]顾卓远.基于响应的电力系统暂态稳定控制技术研究[D].中国电力科学研究院，2014.