电力系统稳定和系统振荡

1、一、稳定性概述一、稳定性概述不发生主系统的非同步运行不发生主系统的非同步运行 功角稳定（也称同步运行稳定性）功角稳定（也称同步运行稳定性） 不发生频率崩溃不发生频率崩溃 频率稳定频率稳定 不发生电压崩溃不发生电压崩溃 电压稳定电压稳定 为分析方便，为分析方便，又将稳定性问题分为：又将稳定性问题分为：小扰动下的静态稳定小扰动下的静态稳定大扰动下的暂态稳定大扰动下的暂态稳定长过程的动态稳定长过程的动态稳定 2001版版电力系统安全稳定导则电力系统安全稳定导则附录中给出的有关稳定的定义：附录中给出的有关稳定的定义：电力系统稳定性是指电力系统受到事故扰动电力系统稳定性是指电力系统受到事故扰动后保持稳定

2、运行的能力。通常根据动态过程的特后保持稳定运行的能力。通常根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统，将稳定性的研征和参与动作的元件及控制系统，将稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、动态稳定、电压究划分为静态稳定、暂态稳定、动态稳定、电压稳定。稳定。 二、静态稳定二、静态稳定 静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的发生非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。能力。1功角静稳功角静稳以最简单的单机无限大系统为例。以最简单的单机无限大系统为例。设发电机为隐极机，并采用设发电机为隐极机，并采用E，xd模型。发模型。发

3、电机电势电机电势E至无限大系统间总电抗为至无限大系统间总电抗为x。发电机。发电机电势与无限大母线电压之间夹角为电势与无限大母线电压之间夹角为。系统输送的电磁功率为：系统输送的电磁功率为：原动机的机械功率原动机的机械功率即系统正常运行时输送的功率：即系统正常运行时输送的功率： sinXUEP zTPP a点静态稳定。点静态稳定。 b点静态不稳定点静态不稳定 静稳定判据为：静稳定判据为： 当时，对应极限传输功率当时，对应极限传输功率Pj 相应的静稳定储备系数为：相应的静稳定储备系数为： 在正常运行方式下，对不同的电力系统，按在正常运行方式下，对不同的电力系统，按功角判据计算的静态稳定储备系数（功角

4、判据计算的静态稳定储备系数（KP）应为）应为15%20%，在事故后运行方式和特殊运行方式，在事故后运行方式和特殊运行方式下，下，KP不得低于不得低于10%。 0ddP0ddP%100zzjPPPPK提高极限传输功率即可提高系统的静稳提高极限传输功率即可提高系统的静稳发电机采用自动励磁调节装置发电机采用自动励磁调节装置输电线采用分裂导线输电线采用分裂导线输电线采用串联电容器补偿输电线采用串联电容器补偿改善系统结构缩小电气距离改善系统结构缩小电气距离采用中间补偿设备维持电压恒定采用中间补偿设备维持电压恒定 （如静止补偿器）（如静止补偿器）提高输电线电压等级提高输电线电压等级2电压静稳电压静稳电压静

5、稳定判据为：电压静稳定判据为：式中式中Q为电源无功与负荷无功之差。若为电源无功与负荷无功之差。若则电压下降，将更加导致系统无功的不足，系统则电压下降，将更加导致系统无功的不足，系统电压崩溃。电压崩溃。当时，对应母线临界电压当时，对应母线临界电压c 。相应的静稳定储备系数为：相应的静稳定储备系数为：（ Uz为母线正常电压）为母线正常电压）0dUdQ0dUdQ0dUdQ%100zczVUUUK在正常运行方式下，对不同的电力系统，按在正常运行方式下，对不同的电力系统，按无功电压判据计算的静态稳定储备系数（无功电压判据计算的静态稳定储备系数（KV）为为10%15%。在事故后运行方式和特殊运行方。在事故

6、后运行方式和特殊运行方式下，式下，KV不得低于不得低于8%。三、暂态稳定三、暂态稳定以下图所示：以下图所示：单机无限大系统线路始端发生短路说明暂稳。单机无限大系统线路始端发生短路说明暂稳。简单考虑发电机自动励磁调节装置的作用简单考虑发电机自动励磁调节装置的作用发电机采用发电机采用E，xd模型。模型。 .正常运行时正常运行时系统电抗：系统电抗： 电磁功率：电磁功率：21I2TlTdxxxxxsinIIxUEP .故障存在时，故障存在时，系统电抗：系统电抗：x：不同短路时的附加电抗。：不同短路时的附加电抗。 短路类型短路类型 x三相短路三相短路 0两相短路接地两相短路接地x2/x0两相相间短路两相

7、相间短路x2单相短路单相短路x2+x0 x2、x0：系统负序、零序总阻抗：系统负序、零序总阻抗xxxxxxxxxxTlTdTlTd2121II22 电磁功率：电磁功率：.故障切除后故障切除后系统电抗：系统电抗：电磁功率：电磁功率： sinIIIIxUEP 21IIITlTdxxxxxsinIIIIIIxUEP单机无限大系统能否暂稳的条件为：单机无限大系统能否暂稳的条件为：最大可能减速面积大于加速面积。最大可能减速面积大于加速面积。 四种短路对暂稳的影响，四种短路对暂稳的影响，三相短路最不利三相短路最不利以下依次为：两相短路接地以下依次为：两相短路接地两相相间短路两相相间短路单相短路单相短路 任

8、何可以减小加速面积，或增大最大可能减任何可以减小加速面积，或增大最大可能减速面积的措施，均认为是对暂稳有利。速面积的措施，均认为是对暂稳有利。任何提高静稳的措施均对暂稳有利。任何提高静稳的措施均对暂稳有利。 继电保护实现快速切除故障继电保护实现快速切除故障线路采用自动重合闸线路采用自动重合闸（对暂稳而言：单相重合闸好于三相重合闸）（对暂稳而言：单相重合闸好于三相重合闸）发电机采用快速励磁系统，增加强励倍数发电机采用快速励磁系统，增加强励倍数汽轮机快关汽门汽轮机快关汽门水电机组电气制动水电机组电气制动变压器中性点经小电阻接地变压器中性点经小电阻接地长线路中间设置开关站长线路中间设置开关站线路采用

9、串联电容补偿线路采用串联电容补偿采用无功补偿装置采用无功补偿装置实现连锁切机实现连锁切机 2001版版电力系统安全稳定导则电力系统安全稳定导则暂态稳定是指电力系统受到大扰动后，各同暂态稳定是指电力系统受到大扰动后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指保持第一或第二振稳态运行方式的能力。通常指保持第一或第二振荡周期不失步的功角稳定。荡周期不失步的功角稳定。 暂态稳定的判据是电网遭受每一次大扰动后，暂态稳定的判据是电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过

10、第一或第二振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，第一或第二振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。系统中枢点电压逐渐恢复。 我国电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准我国电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准分为三级。分为三级。第一级标准：保持稳定运行和电网的正常第一级标准：保持稳定运行和电网的正常供电；供电；第二级标准：保持稳定运行，但允许损失部分第二级标准：保持稳定运行，但允许损失部分负荷；负荷；第三级标准：当系统不能保持稳定运行时，第三级标准：当系统不能保持稳定运行时，必须防止系统崩溃并尽量减少必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。负荷损失。 第一级安全稳定标准：第一级安全稳定标

11、准：正常运行方式下的电力系统受到下述单一正常运行方式下的电力系统受到下述单一元件故障扰动后，保护、开关及重合闸正确动元件故障扰动后，保护、开关及重合闸正确动作，不采取稳定控制措施，必须保持电力系统作，不采取稳定控制措施，必须保持电力系统稳定运行和电网的正常供电，其他元件不超过稳定运行和电网的正常供电，其他元件不超过规定的事故过负荷能力，不发生连锁跳闸。规定的事故过负荷能力，不发生连锁跳闸。 a)任何线路单相瞬时接地故障重合成功；任何线路单相瞬时接地故障重合成功；b)同级电压的双回线或多回线和环网，任一回线同级电压的双回线或多回线和环网，任一回线单相永久故障重合不成功及无故障三相断开不单相永久故

12、障重合不成功及无故障三相断开不重合；重合；c) 同级电压的双回线或多回线和环网，任一回同级电压的双回线或多回线和环网，任一回线三相故障断开不重合；线三相故障断开不重合；d)任一发电机跳闸或失磁；任一发电机跳闸或失磁；e)受端系统任一变压器故障退出运行；受端系统任一变压器故障退出运行；f)任一大负荷突然变化；任一大负荷突然变化；g)任一回交流联络线故障或无故障断开不重合；任一回交流联络线故障或无故障断开不重合；h)直流输电线路单极故障。直流输电线路单极故障。但对于发电厂的交流送出线路三相故障，发但对于发电厂的交流送出线路三相故障，发电厂的直流送出线路单极故障，两级电压的电磁电厂的直流送出线路单极

13、故障，两级电压的电磁环网中单回高一级电压线路故障或无故障断开，环网中单回高一级电压线路故障或无故障断开，必要时可采用切机或快速降低发电机组出力的措必要时可采用切机或快速降低发电机组出力的措施。施。 第二级安全标准：第二级安全标准：正常运行方式下的电力系统受到下述较严重正常运行方式下的电力系统受到下述较严重的故障扰动后，保护、开关及重合闸正确动作，的故障扰动后，保护、开关及重合闸正确动作，应能保持稳定运行，必要时允许采取切机和切应能保持稳定运行，必要时允许采取切机和切负荷等稳定控制措施。负荷等稳定控制措施。a)单回线单相永久性故障重合不成功及无故障三单回线单相永久性故障重合不成功及无故障三相断开

14、不重合；相断开不重合；b)任一段母线故障；任一段母线故障；c) 同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障重合不成功，双回线三相同时跳开；地故障重合不成功，双回线三相同时跳开；d) 直流输电线路双极故障。直流输电线路双极故障。 第三级安全稳定标准：电力系统因下列情第三级安全稳定标准：电力系统因下列情况导致稳定破坏时，必须采取措施，防止系统况导致稳定破坏时，必须采取措施，防止系统崩溃，避免造成长时间大面积停电和对最重要崩溃，避免造成长时间大面积停电和对最重要用户（包括厂用电）的灾害性停电，使负荷损用户（包括厂用电）的灾害性停电，使负荷损失尽可能减少到最小，

15、电力系统应尽快恢复正失尽可能减少到最小，电力系统应尽快恢复正常运行。常运行。a)故障时开关拒动；故障时开关拒动；b)故障时继电保护、自动装置误动或拒动；故障时继电保护、自动装置误动或拒动；c)自动调节装置失灵；自动调节装置失灵；d)多重故障；多重故障；e)失去大容量发电厂；失去大容量发电厂；f)其他偶然因素。其他偶然因素。四、动态稳定四、动态稳定 动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。动态稳定的过程可过程的运行稳定性的能力。动态稳定的过程可能持续数十秒至

16、几分钟。后者包括锅炉、带负能持续数十秒至几分钟。后者包括锅炉、带负荷调节变压器分接头、负荷自动恢复等更长响荷调节变压器分接头、负荷自动恢复等更长响应时间的动力系统的调整，又称为长过程动态应时间的动力系统的调整，又称为长过程动态稳定性。电压失稳问题有时与长过程动态有关。稳定性。电压失稳问题有时与长过程动态有关。与快速励磁系统有关的负阻尼或弱阻尼低频增与快速励磁系统有关的负阻尼或弱阻尼低频增幅遮挡可能出现在正常工况下，系统受到小干幅遮挡可能出现在正常工况下，系统受到小干扰后的动态过程中（称之为小扰动动态稳定），扰后的动态过程中（称之为小扰动动态稳定），或系统受到大扰动后的动态过程中，一般可持或系统

17、受到大扰动后的动态过程中，一般可持续发展续发展10s20s后，进一步导致保护动作，使后，进一步导致保护动作，使其他元件跳闸，问题进一步恶化。其他元件跳闸，问题进一步恶化。 动暂态稳定的判据是在受到小的或大动暂态稳定的判据是在受到小的或大的扰动后，在动态摇摆过程中发电机相对的扰动后，在动态摇摆过程中发电机相对功角和输电线路功率呈衰减振荡状态，电功角和输电线路功率呈衰减振荡状态，电压和频率能恢复到允许的范围内。压和频率能恢复到允许的范围内。 现在，动态稳定一般主要研究系统阻尼现在，动态稳定一般主要研究系统阻尼的问题。前面所述的功角稳定，系统之所以的问题。前面所述的功角稳定，系统之所以能够稳定，一个

18、前提条件是作衰减振荡。阻能够稳定，一个前提条件是作衰减振荡。阻尼力矩，是指发电机的转速发生变化时，发尼力矩，是指发电机的转速发生变化时，发电机本身所具有的反应于转速变化的力矩，电机本身所具有的反应于转速变化的力矩，所谓正的阻尼力矩，是指这种力矩的方向正所谓正的阻尼力矩，是指这种力矩的方向正好制止转速变化，当转速增高时，正阻尼起好制止转速变化，当转速增高时，正阻尼起制动作用，而转速减小时，正阻尼起加速作制动作用，而转速减小时，正阻尼起加速作用。因而系统具有正阻尼时，振荡将衰减。用。因而系统具有正阻尼时，振荡将衰减。动态稳定，要求系统必须具有正阻尼。动态稳定，要求系统必须具有正阻尼。单从发电机结构

19、看，由于水轮发电机转子单从发电机结构看，由于水轮发电机转子上的阻尼绕组，以及汽轮发电机的整体转子本上的阻尼绕组，以及汽轮发电机的整体转子本身的作用（等效于阻尼绕组），当发电机转子身的作用（等效于阻尼绕组），当发电机转子转速与转子空间因电枢反应产生的旋转磁场的转速与转子空间因电枢反应产生的旋转磁场的转速不同时（），即产生阻尼力矩。转速不同时（），即产生阻尼力矩。因动态失稳是振荡性失稳，有一定振荡频率，因动态失稳是振荡性失稳，有一定振荡频率，引入正弦振荡概念，阻尼绕组产生的阻尼力矩引入正弦振荡概念，阻尼绕组产生的阻尼力矩与与同相位，是正阻尼力矩。因而一般系统没同相位，是正阻尼力矩。因而一般系统没有

20、动态失稳问题。有动态失稳问题。 0发电机的快速励磁系统感受发电机机端发电机的快速励磁系统感受发电机机端电压的变化，从而改变励磁电压。以单机无电压的变化，从而改变励磁电压。以单机无限大系统为例，当因某扰动使发电机的相位限大系统为例，当因某扰动使发电机的相位从初始的从初始的0，有一个正的，有一个正的的变化，由于系的变化，由于系统功率增大，电流增大，机端电压下降统功率增大，电流增大，机端电压下降UG，快速励磁系统测得机端电压下降后，将基本快速励磁系统测得机端电压下降后，将基本无时限地由放大系统放大若干倍地增大励磁无时限地由放大系统放大若干倍地增大励磁电压电压Uf。由于励磁回路的时滞，励磁电流只。由于

21、励磁回路的时滞，励磁电流只能慢慢增加，慢慢增大气隙磁束，以提高发能慢慢增加，慢慢增大气隙磁束，以提高发电机端电压，实现电压校正。电机端电压，实现电压校正。 因因成正弦变化，而成正弦变化，而故故总是超前总是超前90。采用快速励磁后，。采用快速励磁后，前述情况下，为负，为负，为正。前述情况下，为负，为负，为正。又因励磁回路有很大的电感，励磁电流又因励磁回路有很大的电感，励磁电流If将滞后将滞后Uf约约90，即滞后，即滞后约约90，从而与，从而与差差180。因之，该情况下，由快速励磁调节系统产生的机因之，该情况下，由快速励磁调节系统产生的机端电压增高，和因此电压增高所引起的额外增加端电压增高，和因此

22、电压增高所引起的额外增加的力矩，将与的力矩，将与差差180，是负阻尼力矩，这是，是负阻尼力矩，这是快速励磁系统引起系统动态失稳的根本机理。快速励磁系统引起系统动态失稳的根本机理。 dtdGUGfUUfU由于发电机阻尼绕组的正阻尼，只要励磁调由于发电机阻尼绕组的正阻尼，只要励磁调节的负阻尼效应不过大，综合的阻尼作用仍可为节的负阻尼效应不过大，综合的阻尼作用仍可为正，故可用降低励磁调节器的放大倍数来维持系正，故可用降低励磁调节器的放大倍数来维持系统动稳。统动稳。当系统总体为负阻尼时，因扰动产生的振荡，当系统总体为负阻尼时，因扰动产生的振荡，将在负阻尼的作用下，或因振荡发散而引起系统将在负阻尼的作用

23、下，或因振荡发散而引起系统间失去同步，或由于系统中某些参数的非线性而间失去同步，或由于系统中某些参数的非线性而使振荡的幅值最终趋于某一定值。负阻尼系统在使振荡的幅值最终趋于某一定值。负阻尼系统在小扰动的作用下常会发生后者的现象，线路上出小扰动的作用下常会发生后者的现象，线路上出现持续的功率摇摆，振荡频率一般在现持续的功率摇摆，振荡频率一般在0.22.5Hz范围内，称之为低频振荡。范围内，称之为低频振荡。经验及研究表明，电厂出线及系统间联络线经验及研究表明，电厂出线及系统间联络线功率过大，或系统之间联系电抗过大的情况下，功率过大，或系统之间联系电抗过大的情况下，更易诱发低频振荡。更易诱发低频振荡

24、。 提高动稳最有效的方法是在快速励磁系统的提高动稳最有效的方法是在快速励磁系统的输入回路中引入反应机组转速变化的附加环节，输入回路中引入反应机组转速变化的附加环节，并做到机端电压的变化与转速变化同相，以达到并做到机端电压的变化与转速变化同相，以达到提供正阻尼的最终要求，该引入反应转速的附加提供正阻尼的最终要求，该引入反应转速的附加环节，称之为电力系统稳定器环节，称之为电力系统稳定器（PSS）。国外有利用晶闸管控制静止补偿器进行附加国外有利用晶闸管控制静止补偿器进行附加稳定控制增加系统正阻尼的方法，提高动稳，稳定控制增加系统正阻尼的方法，提高动稳，效果很好。效果很好。 五、系统振荡（异步运行）五

25、、系统振荡（异步运行） 电力系统功角稳定破坏，失去同步，将导致电力系统功角稳定破坏，失去同步，将导致系统振荡。系统振荡。造成系统振荡的具体原因主要有：造成系统振荡的具体原因主要有：输电线输电线路输送功率超过极限值造成静态稳定破坏；路输送功率超过极限值造成静态稳定破坏；电电网发生短路故障，切除大容量发电、输电或变电网发生短路故障，切除大容量发电、输电或变电设备，负荷瞬时发生较大突变等造成电力系统暂设备，负荷瞬时发生较大突变等造成电力系统暂态稳定破坏；态稳定破坏；环状系统（或并列双回线）突然环状系统（或并列双回线）突然开环，使两部分系统联系阻抗突然增大，引起动开环，使两部分系统联系阻抗突然增大，引

26、起动稳定破坏而失去同步；稳定破坏而失去同步；大容量机组跳闸或失磁，大容量机组跳闸或失磁，使系统联络线负荷增长或使系统电压严重下降，使系统联络线负荷增长或使系统电压严重下降，造成联络线稳定极限降低，引起稳定破坏；造成联络线稳定极限降低，引起稳定破坏；电源间非同步合闸未能拖入同步。电源间非同步合闸未能拖入同步。 系统进入异步运行，将导致电压、电流、功率的系统进入异步运行，将导致电压、电流、功率的大幅振荡。大幅振荡。以单机无限大系统的电压说明。以单机无限大系统的电压说明。 其电压电流向量图为：其电压电流向量图为：当单机与无限大系统之间的当单机与无限大系统之间的角在失步后在角在失步后在0360往复变化

27、时，系统各点电压将产生振荡，往复变化时，系统各点电压将产生振荡，而在时，在距无限大母线处，而在时，在距无限大母线处，电压将降低为电压将降低为0，我们称该点为振荡中心，我们称该点为振荡中心，显然振荡中心的电压将周期性降低为显然振荡中心的电压将周期性降低为0。 180 xUEU系统振荡时一般现象有：系统振荡时一般现象有：发电机、变压器、线路的电压表、电流表发电机、变压器、线路的电压表、电流表及功率表周期性地剧烈摆动，发电机和变及功率表周期性地剧烈摆动，发电机和变压器发出有节奏的嗡鸣声；压器发出有节奏的嗡鸣声；连接失去同步的发电机或系统的联络线上连接失去同步的发电机或系统的联络线上的电流表和功率表摆动得最大。电压振荡的电流表和功率表摆动得最大。电压振荡最激烈的地方是系统振荡中心，每一周期最激烈的地方是系统振荡中心，每一周期性约降低至零值一次。随着离振荡中心距性约降低至零值一次。随着离振荡中心距离的增加，电压波动逐渐减少。如果联络离的增加，电压波动逐渐减少。如果联络线的阻抗较大，两