机电暂态稳定浅析

摘要：发电机组的容量大幅度提升和电网电压等级的升高，电力系统的互联，超高压直流输电和新型电力电子控制装置的应用，这些新变化为合理利用能源、提高经济效益、保护环境起到非常重要的作用。因此，对系统的稳定性有更高的要求。电力系统的暂态稳定性，是指电力系统在正常运行状态下，突然受到某种较大的干扰后，能够过渡到一个新的稳定运行状态或者恢复到原来的运行状态的能力。

关键词：机电；暂态；稳定

中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）26-0127-02

机电暂态是暂态过程之一，电力系统的暂态稳定是指系统在某种运行方式下突然受到大的扰动后，经过一个机电暂态过程达到新的稳定运行状态或回到原来的稳定状态，其暂态过程主要由于机械转矩和电磁转矩之间的不平衡引起的。机电暂态过程主要与电力系统受到各种扰动下系统的振荡、稳定性破坏、异步运行等有关，涉及功率、功率角、旋转电机的转速等。引起电力系统大扰动的原因主要有：负荷突然发生变化；切除或投入系统的主要元件；发生短路故障。其中主要是短路故障的扰动最为严重，往往以此作为检验系统是否具有暂态稳定的标准。电力系统稳定性是电力系统主要研究的问题之一，所谓稳定是指电力系统经受扰动后能继续保持向负荷正常供电的能力，即承受扰动的能力，稳定总是与干扰相联系的。

一、机电暂态理论过程分析

结合一个简单的电力系统的分析对机电暂态的概念进行简要说明。图1（a）是由发电机、线路和无穷大系统组成的简单的系统。图1（b）中实线部分表示的是系统正常运行时的相量图。各个元件的电阻及线路导纳忽略不计，X∑=XG+XT+XL，假设发电机的等值电动势为常数并且发电机为隐极机。正常运行时，发电机和无限大系统相当于一个电压和频率为常数的无限大容量等值机，在此种情况下相量图中的和的角速度是相等的。因此，相之间的相角差δ在一定负荷范围内是常数，即各相量之间的关系保持不变。当系统正常运行时由发电机送出的电流和功率都是一定的，都与功角δ有一定的函数关系；然而此时系统中任意一点的电压如相量图中所示的线路初始短的电比也是固定的，进而可以说明δ就是这个系统的状态变量。如果系统受到干扰导致发电机转速变大或减小，使发电机不再保持同步运行，则相量的速度和的旋转速度也不再保持一致，此时和间的相角差δ不再是常数。图1（b）中的虚线表示了对的相对运动。显然，如果和一直不同步，即δ不断变化，由相量图即可看出电流I和系统中一点电压的幅值将不断地振荡，输送功率也是不断地振荡，以致系统不能正常工作。这种情况即称为系统功角不稳定。

作用在发电机转子上的转矩决定了它的转速，原动机的机械转矩和发电机的电磁转矩是作用在转子上转矩的两个主要因素。当转子的转速保持同步时，机械转矩和电磁转矩是平衡的。当有扰动造成这两部分转矩不平衡时会导致转子加速或者减速，进而是转子脱离同步转速。发电厂动力部分（如火电厂的锅炉和汽轮机）的运行状态决定了原动机的机械转矩，发电机及其连接的电力系统中的运行状态决定了发电机的电磁转矩。当有任何干扰造成转子上的转矩不平衡时都会导致转速发生变化。而往往在实际的电力运行中，这些干扰都是无法避免的，因此要求系统在受到干扰后，发电机组经过一段过程的运动变化后仍能恢复同步运行，即 角能够重新达到一个稳态值。若能满足这一条件，系统就是稳定的，否则就是不稳定的。因此必须采取相应的措施以保证系统的稳定。

二、机电暂态过程在实践中的控制

在电厂实际中为防止机组出现暂态不稳定过程，常采用自动调节励磁装置对过程中出现的暂态过程加以控制，防止机组出现不稳定，如图2所示。当系统出现微小扰动时，机组机端电压发生变化，通过负反馈到调节系统，电压升高时输出减小，电压降低时输出增大。调节系统自动调节，以维持系统正常运行。

发电机正常运行时，向系统供有功功率的同时还供给感性无功功率，定子电流滞后于端电压一个角度，此种状态即迟相运行。当逐渐减少励磁电流使发电机从向系统供给无功功率而变为从系统中吸收感性无功功率，定子电流从滞后而变为超前发电机端电压一个角度，此种状态即进相运行。发电机的进相运行就是低励磁运行。

区别进相与迟相的标准就是无功功率的流向以及电流和电压的相位角（即功率因数角）。发电机的进相运行是一种正常运行状态。

发电机通常是迟相运行，发出有功功率和感性无功功率，以供给电感性负载。随着电力系统的发展，电压等级的提高，输电线路的加长，线路的电容电流也愈来愈大，它也相当于发出电感性无功功率。在系统轻负荷，即电感性负荷轻时，线路上的电压会上升。例如在节假日、午夜等低负荷的情况下，如果不能有效减少或吸收剩余的无功功率，枢纽变电站母线上电压可能超过额定电压15%～20%左右。此时若利用部分发电机进相运行，以吸收剩余的无功功率，使枢纽点上的电压保持在允许限额之内，则可减少装设其他吸收剩余无功的调压设备。

发电机在进相运行时，励磁电流愈小，从系统吸收的无功功率愈大，功角δ也愈大，发电机静态稳定性下降。进相运行时发电机定子端部漏磁较迟相运行时增大。进相运行时发电机端电压降低，厂用电电压亦相应降低，如超出10%将影响厂用电动机的正常运行，以上为制约发电机进相运行的主要因素。

丰镇发电厂在2007年对#5机组做进相试验时，规定功角不超过65°，6KV电压不低于5.7KV，380V电压不低于360V。满载进相时功率因素角不得小于0.95（超前）。发电机各部温升不得超过表1所列的温度值。

如果减小励磁电流，发电机进入欠励状态，电势则减小为E3，相应的电枢电流为I3超前电压U以Φ3角。此时，电枢电流中除有功分量外，还有一个超前的无功分量。这说明发电机在输出有功功率的同时，还输出容性的无功功率，相应的功角为δ3。

发电机与无穷大电网并联带负载后，调节励磁电流并不影响有功功率的输出，只引起电枢电流和无功功率的变化。这一现象也可用电枢反应和磁势平衡来解释。因为同步发电机并联于无穷大电网，其端电压恒定不变，故定子合成磁通亦基本不变。过励时主磁通增多，为了维持定子合成磁通不变，发电机应输出滞后的无功电流，电枢反应的去磁作用抵消过多的主磁通。反之，欠励时主磁通减少，为了维持定子合成磁通不变，发电机应输出超前的无功电流，减弱电枢反应的去磁作用，甚至使电枢反应变为增磁，以补偿不足的主磁通。

三、结论

通过理论对丰镇电厂四台机组实践分析，发现机组在暂态过程中可以利用自动励磁调节系统加以控制，以维持系统正常运行，同时机组本身也可以克服暂态过程中出现的暂时不稳定情况，如果系统出现大的扰动，机组克服不了此暂态过程，则电气继电保护的相关保护启动以切除故障，保证系统安全稳定的运行。

参考文献：

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