工农业生产用电负荷是电力系统负荷的主要组成部分,其中电动机负荷是其主要成分。电动机负荷包括同步电动机负荷和异步电动机负荷,其中以异步电动机负荷为主。由于同步电动机负荷属于同步电机,因此此类负荷也存在受扰动后能否继续保持同步运行的稳定性问题。而异步电动机负荷作为一种旋转电机,它也存在与转子上的转矩平衡有关的运行稳定性问题。
如果异步发电机负荷不能保持稳定运行,那么它也会对电力系统的功角稳定产生影响。例如,当异步电动机的运行电压过低或所带的机械负载过重时,异步电动机转子会迅速减速以致出现停转。停转时,异步电动机吸收的有功功率变得很小,引起电力系统同步发电机的输出功率发生变化,进而导致同步发电机转子间的相对运动,严重时导致同步发电机之间失去同步,引发电力系统功角失稳。因此,负荷稳定性也属于电力系统稳定性的一个重要内容。
在电力系统中,节点负荷指的是该节点的综合负荷,它包含数量众多的用电设备以及相关的变配电设备。接下来通过1台等值异步电动机表示综合负荷,以此说明负荷静态稳定的初步概念。正常运行时异步电动机转子上存在相互平衡的机械转矩和电磁转矩两种转矩,其中机械转矩是制动性的,而电磁转矩则是推动异步电动机转子旋转的。图1.13所示为该等值异步电动机的简化等效电路,给定其临界转差 s cr ,则其电磁转矩为
式中, M emax 为最大转矩,它的表达式如下:
式中, x 1 + x 2 表示该等值异步电动机的定子与转子漏抗之和,也就是图1.14中的 x σ 。由 x σ 可以计算临界转差, s cr = R/x σ 。
图1.14给出了该等值异步电动机的转矩-转差特性,也画出了其机械转矩-转差特性 M M ( s )。从图1.14中可以看到,该等值异步电动机存在 a 、 b 两个平衡点,这两个平衡点处机械转矩和电磁转矩相等。下面分析这两个平衡点的稳定性。
图1.13 异步电动机的简化等效电路
图1.14 负荷稳定性的概念
当等值异步电动机工作于平衡点
a
时,如果其受到扰动后转差变为
(即转差出现了微小的增量Δ
s
=
s
a
′
-s
a
),则其电磁转矩将大于机械转矩,导致转子上产生了加速性的净转矩Δ
M
=
M
e
-M
M
,使等值异步电动机转子的转速增大,从而转差减小,最终经过一段时间恢复到
a
点运行。如果扰动产生的Δ
s
为负值,那么等值异步电动机的运行点也将回到
a
点,所以等值异步电动机能够在
a
点稳定运行。
当等值异步电动机工作于平衡点 b 运行时,如果扰动使得等值异步电动机转差Δ s 增加,则从图1.14可以看到,这将使得电磁转矩小于机械转矩,等值异步电动机转子上出现减速性的净转矩。在此净转矩的作用下,等值异步电动机转速下降,从而导致转差继续增大。转差如此增大下去直到等值异步电动机停转为止。所以在平衡点 b 的运行是不稳定的。
负荷稳定性就是指负荷在正常运行状态下受扰后能保持在某一恒定转差下继续运行的能力。从以上分析可以看到,上述等值异步电动机在平衡点 a 运行时,转差增量Δ s 与净转矩具有相同的符号;而在平衡点 b 运行时转差增量Δ s 与净转矩的符号相反。如前所述,该等值异步电动机被用来表示综合负荷,因此可以用Δ M/ Δ s >0作为负荷静态稳定的判据。如果采用功率形式表示,且满足机械功率与转差无关、保持恒定的条件,则负荷静态稳定判据可以表示为如下形式:
负荷失去稳定后无法正常工作并从电力系统中被切除。如果大量负荷不能保持稳定,那么这会给电力系统的运行稳定性带来严重的不利影响。