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PW-D1 · 潮流·故障·保护

潮流: 有功功率由相位角推动

人们往往以为功率从电压高的母线流向电压低的母线,但在两条母线之间输送有功功率的并不是电压幅值,而是两者的相角差 δ。正如水靠压力差流动,有功功率靠角度差流动。亲手拖动相角,就能从曲线上看到:传输功率在 δ = 90° 时最大,超过之后反而减小。

拖动相角,读功率曲线

两条母线的电压幅值保持相同,手柄只改变相角差 δ。有功功率 P = (V_s V_r / X) sin δ 随 δ 增大而增加,在 90° 到达橙色虚线的顶端即最大值,再往后拖反而减小。曲线上的点就是此刻流过的功率,一越过这条界线就由绿变红。

在图上左右拖动,相角 δ 随之改变,点沿曲线移动。
传输的有功功率(以 P_max = V_s V_r / X 为基准)
P ≈ 0.50 P_max (δ = 30°)
稳定区 (δ < 90°)

相角差推动有功功率

设想一条几乎只有电抗的输电线,两端各接一条母线。即使两端电压幅值相同,只要一侧相位超前,有功功率就从超前的母线流向滞后的母线。其大小为 P = (V_s V_r / X) sin δ,相位差 δ 越大,功率越大。给发电机加大机械输入,转子就稍稍前移,δ 随之拉开,送入电网的功率也相应增加。调节有功功率的把手是相角,而不是电压。

无功功率由幅值差推动

在同样两条母线之间,推动无功功率的反而是电压幅值之差。送端无功功率为 Q ≈ (V_s/X)(V_s − V_r cos δ),所以在 δ 较小时,无功功率从幅值高的母线流向幅值低的母线。因此发电机靠增大励磁(励磁电流)抬高电压幅值来调节无功,靠增大机械输入使相位超前来调节有功。有功看相角,无功看幅值,二者几乎像两个互不相干的把手。

超过 90° 便失去同步

P = P_max sin δ 在 δ = 90° 时达到最大值 P_max = V_s V_r / X。在此之前,负荷增加、δ 拉开,送出的功率也随之增加,系统能够维持。超过 90° 后 sin δ 开始减小,相角再拉开,功率反而下降,多余的机械输入使发电机加速,相位滑移而失去同步,这就是静态稳定极限。因此输电线路用串联补偿减小 X,或提高电压以增大 P_max,并让 δ 运行在远低于 90° 的位置。

观察P = (Vs VrX) sin δ
有功功率等于 Vs Vr 除以 X 再乘 sin δ。
选择P × ?
推动功率的是相角而不是电压,即 sin δ。
填空Pmax → δ = ?
δ 为 90° 时功率最大。
自己来Q × Vs − Vr ?
无功功率由幅值差 Vs − Vr cos δ 推动。

回到第一屏

第一屏上两条母线的电压幅值始终相同,可一拉开相角 δ,有功功率就开始流动,并在 90° 到达顶点。推动功率的不是电压的高低,而是一侧相位比另一侧超前多少。越过 90° 后曲线转为下坡、点变成红色,是因为那以后是失去同步、系统崩溃的不稳定区。潮流计算归根结底,就是给每条母线定下电压幅值和相角,再读出每条线路上流动的有功功率和无功功率。

潮流(功率流动):两条母线之间,有功功率由相角差 δ 推动。在电抗为 X 的线路上 P = (Vs Vr / X) sin δ,从超前母线流向滞后母线。无功功率由电压幅值差推动,Q ≈ (Vs/X)(Vs − Vr cos δ)。传输功率在 δ = 90° 时最大 Pmax = Vs Vr/X,超过之后越过静态稳定极限而失去同步。
下一步

到目前为止的潮流,描述的是三相平衡的系统。实际故障大多只发生在一相或两相上,打破平衡,下一单元(PW-D2)的对称分量正是处理这个问题的。把不平衡的三相分解为三组由等幅相量构成的平衡分量之和:相序与原来相同的正序分量、相序相反的负序分量、三相同相位的零序分量,就能直接用平衡系统的工具求解不平衡故障。在 A5 中以中性线电流形式出现的零序分量,也在这里找到了位置。