电力系统运行的稳定性分析

1、电力系统运行的稳定性分析第1页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四第一节 概述 一、基本概念：1.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状，即具有承受扰动的能力，稳定总是与干扰相联系的2.电力系统稳定性:就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳态运行状态的问题，如果能够，则认为系统在该正常运行状态下是稳定的,反之，若系统不能回到原来的运行状态或者不能建立一个新的稳态运行状态，则说明系统的状态变量没有一个稳态值，而是随时间不断增大或振荡，系统是不稳定的。 。第2页，共55页，2022年，5月20日

2、，18点28分，星期四第一节 概述 一、基本概念： 3.功角：表示发电机转子轴线子之间的夹角，又表示各发电机电势间的夹角。传输功率的大小与相位角密切相关，称为“功角”或“功率角”。U=常数 IUqq第3页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四第一节 概述 二、电力系统的稳定性分析 电力系统中的各同步发电机只有在同步运行(即所有发电机以相同的速度旋转)状态下，送出的电功率为定值，并维持系统中任何点的电压、频率和功率潮流为定值。 如果某些发电机之间不能维持同步运行，其送出的电功率以及相应节点的电压及相应线路的潮流将发生大幅度的周期性振荡，如果失去同步的机组之间不能迅速恢复同步，即

3、电力系统失去了稳定运行的状态。这种由于机组失去同步造成的稳定问题实际上是电力系统的功角稳定问题。第4页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四功角稳定问题的原因转矩不平衡 正常运行时： Me=Mm 受到干扰时： MeMm 机械转矩Mm由发电厂动力部分的运行状态决定 电磁转矩Me由发电机及其相连的电力系统中的运行状态决定 危害：稳定破坏是电网中最为严重的事故 之一，大电力系统的稳定破坏事故，往往引起大面积停电，给国民经济造成重大损失。随着电网互联规模的增大，稳定问题更加突出。失稳现象：如果由于某种干扰使发电转速不再同步，那么系统中任一点的电压、电流和发电机功率幅值不断振荡以致系统

4、不能正常工作，这种情况称为系统不稳定。 第5页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四三、功角稳定分类（干扰大小，便于分析）：(1)静态稳定电力系统在某个运行状态下, 突然受到任意的小干扰后，能恢复到原来的（或是与原来的很接近）运行状态的能力.静态稳定研究的是电力系统在某一运行方式下受到微小干扰时的稳定性问题。假设在电力系统中有一个瞬时性小干扰，如果在扰动消失后系统能够恢复到原始的运行状态，则系统在该运行方式下是静态稳定的，否则系统是静态不稳定的。静态稳定研究的是系统对微小干扰的适应能力，或者说考虑的是系统在运行点处维持同步运行的能力，小干扰：是在这种干扰作用下，系统的状态变量

5、的变化很小，因此状态方程可以线形化。第6页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四三、功角稳定分类（干扰大小，便于分析）：(2)暂态稳定电力系统在某个运行状态下，突然受到较大的干扰后，能够过渡到一个新的稳定运行状态或者回到原来运行状态的能力。 如果电力系统在某一运行方式下受到某种形式的大扰动，经过一个机电暂态过程后能够恢复到原始的稳态运行方式或过渡到一个新的稳态运行方式，则认为系统在这种情况下是暂态稳定的。大干扰：系统的状态方程不能线形化第7页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四三。稳定研究方法： 1、 静态稳定分析方法： 微分方程线性化（小干扰法） 通常可

6、以采用在运行点处线性化后的系统模型进行特征根分析来判别系统的静态稳定性。2、暂态稳定分析方法： 非线性微分方程数值解法（时域法） 等面积定则（仅适合单机无穷大系统） 一般采用的是对全系统非线性状态方程的数值积分法进行对系统动态过程的时域仿真，通过对计算得到的系统运行参数(如转子角)的动态过程的分析判别系统的暂态稳定性。 第8页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四第二节 同步发电机组的转子运动方程和功角特性 研究稳定，实际上是分析电力系统受扰动后发电机之间相对运动的特性，发电机的相对运动可由功角d 随时间的变化来描述。即 ：发电机摇摆曲线：为了得到 ，必须首先建立：发电机转子

7、运动方程 和功角特性的表达式第9页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四一转子运动方程 J：转动惯量；：角加速度； (rad/s2)：机械角速度； (rad/s）M：不平衡转矩 MTME额定转速下的转子动能 第10页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四采用标么制 ，设转矩基准值 为当转速用标么值表示时，上式可写成令 -惯性时间常数，于是得到：第11页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四则 转子的运动方程可写为：惯性时间常数的意义当发电机空载时，如原动机将一个数值等于MT的恒定转矩（MT*1）加到转子上，则转子从静止状态启动到额定值时所需

8、的时间。将机械角速度转换成电气角速度，第12页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四第13页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四第14页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四第15页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四第16页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四 方程式初看似乎简单，但它的右函数，即不平衡转矩(或功率)却是很复杂的非线性函数。右函数的第一项是发电机的原动机功率，它主要取决于本台发电机的原动机及其调速系统的特性。右函数的第二项发电机的电磁功率，在多机电力系统中，它不但与本台发电机的电磁

9、特性、励磁调节系统特性等有关，而且还与其它发电机的电磁特性、网络结构等有关，它是电力系统稳定分析计算中最为复杂的部分。对多机系统的稳定我们不作分析，只研究单机对无穷大系统。此时发电机的电磁功率与发电机的功角有什么关系？ 第17页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四二隐极发电机的功-角特性 -即发电机的电磁功率与功角之间的关系一台同步发电机与无限大容量电源组成的系统 = const TJ=xdxT1xLxT2xl定义：Eq：发电机空载电势。：电势与无穷大系统电压夹角。：功率因素角。第18页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四U功-角特性方程的推导由相量图得

10、：发电机功角特性方程 第19页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四以上公式当电势、电压、阻抗恒定不变时发电输出功率就是功角的正弦函数。90度时最大，称为输送功率极限。第20页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四第三节 简单电力系统的静态稳定分析 静态稳定定义：电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步， 自 动恢复到初始运行状态的能力。起因：系统受到小干扰。 例如，个别电动机的接入和切除或加负荷和减负荷；又如架空输电线围风吹摆动引起的线间距离(影响线路电抗)的微小变化；另外，发电机转子的旋转速度也不是绝对均匀的。第21页，共5

11、5页，2022年，5月20日，18点28分，星期四结果：如果这种偏离很小，干扰消去后，系统又重行回到平衡，则系统是静态稳定的。特点：系统的状态变量偏移很小，从而允许把描述系统的状态方程线性化。 简单系统：单机无穷大系统。即受端系统是无穷大系统，其电压和频率都恒定不变。 过程：系统将会偏离平衡点。 第22页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四简化条件：发电机为隐极机不计及自动调节系统： PT=const，Eq=const 发电机输出的电磁功率一、简单系统静态稳定过程分析 等值电路：xd=xd+xT1+xL+xT2第23页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四

12、 PE=P0与功率特性曲线有两个交点a和b， 即电机的两个运行点。 下面就对a点和b点进行分析第24页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四扰动使aa(+) ,PEaP0 Pa =PT-PEa0MP0 Pa=PT-PEa0M0加速aaa点扰动过程分析：稳态时：第25页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四扰动使 bb(+),PEb0 M0加速不再回到b点非周期失步bb（-），PEbP0Pb=PT-PEb0M0减速ab点扰动过程分析：稳态时：第26页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四对于运行点a：当系统受到小扰动后能够自动恢复到原来的平衡

13、状态, 因此a是静态稳定的。a 点受小扰动后功角变化特性：第27页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四b 点受小扰动后功角变化特性：对于运行点b：受到干扰后, 不是转移运行点a 就是非周期的失去同步, 故b点是不稳定的, 即系统本身无能力维持在b点运行 。第28页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四分析a ,b两个运行点的异同： 相同点： a，b 两点都是平衡点。不同点： 1） a 点对应功角a900 2） a点: PE、 同符号，PE/0，稳定 b点: PE、符号相反, PE/0，不稳定 第29页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四

14、二、静态稳定判据和静稳定储备系数：1、静态稳定判据：称为同步功率或自整步功率， 静态稳定 静态不稳定定义：它反映发电机维持同步运行的能力。第30页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四当0,稳定当900时, dPE/d0,不稳定当=900时, dPE/d=0,分界点分析：第31页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四 静态稳定极限：指发电机运行角的极限值。 输送功率极限：发电机允许输出的最大功率，亦即功角特性曲线的最大值。在简单系统情况下，静态稳定极限所对应的功角正好和功率极限的功角一致，但二者并不是同一概念。 静态稳定储备系数： 正常运行时，Kp1520%

15、；事故运行方式下：Kp10% 2、几个概念：第32页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四以上是从物理概念分析，更一般的方法是从数学推倒出静稳判据。静稳分析方法：（小干扰法）小干扰法的步骤：列出系统的运动方程（非线形微分方程）线形化系统的运动方程求特征根根据特征根判断系统的稳定性第33页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四 电力系统静态稳定性的基本性质说明，发电机可能输送的功率极限越高，则静态稳定性越高。以一机对无限大系统的情形来看，减少发电机与系统之间的联系电抗就可以增加发电机的功率极限。从物理意义上讲，这就是加强发电机与无穷大系统的电气联系。联系紧密的

16、系统显然是不容易失去静态稳定的。 加强电气联系，即缩短“电气距离”，也就是减少各元件的阻抗，主要是电抗，以下介绍的几种提高静态稳定性的措施，都是直接或间接减小电抗的措施。 三、 提高系统静态稳定性的措施第34页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四 调节励磁则可以维持发电机端电压为常数，这就相当于将发电机的电抗减小为零。因此，发电机装设先进的调节器就相当于缩短了发电机与系统间的电气距离，从而提高了静态稳定性。. 1 采用自动调节励磁装置 发电机之间的联系电抗总是由发电机、变压器和线路的电抗所组成的，有实际意义的是减少线路电抗，具体做法有以下几种：采用分裂导线 2. 提高线路额

17、定电压等级 3. 采用串联电容补偿2 减少元件的电抗第35页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四1）. 改善系统的结构：增加输电线路的回路数；当输电线通过的地区就有电力系统时，将这些中间电力系统与输电线路连接起来也是有利的。2）. 采用中间补偿设备：如果在线路中间的降压变电所内装设同期调相机，而且同相调相机配有先进的自动励磁调节器，则可以维持同期调相机端点电压甚至高压母线电压恒定。这样，输电线路也就等值地分为两端，系统的静态稳定性得到提高。 3 改善系统的结构和采用中间补偿设备 第36页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四 在正常运行中提高电网的运行电压

18、也可以提高功率极限。为使电网具有较高的电压水平，必须在系统中设置足够的无功电源。. 4 提高系统的运行电压 第37页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四第四节 电力系统运行的暂态稳定性概述简单电力系统暂态稳定物理过程分析 等面积定则（暂态稳定判据） 提高暂态稳定的措施第38页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四一、基本概念暂态稳定：指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态的能力。 大干扰： 常见的大干扰有：短路故障，断线故障，正常检修（元件投切）等。影响暂态稳定的因素：原运行方式，干扰种类等。 第四节 电力系统运

19、行的暂态稳定性第39页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四二、 暂态稳定发展过程（时间分段）1、起始阶段：故障后约1s内的时间段，在这期间系统的保护和自动装置有一系列的动作，如：故障切除和自动重合闸等。但发电机的调节系统尚未启动。2、中间阶段：在起始阶段后，大约持续5s左右的时间段，发电机调节系统将起作用。3、后期阶段：在故障后几分钟内，热力设备（如锅炉）中的过程将影响到电力系统的暂态过程。此外，还将发生永久性切除电路及自动切除负荷等。 第40页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四重点讨论暂态起始阶段：基本假定：（1）网络中，=0 （网络等值电路同稳态分

20、析） （2）主要讨论短路干扰（重点是三相短路）（3）假定原动机输入机械功率不变（4）发电机参数采用暂态电势 因为暂态电势在短路前后一瞬间保持不变。第41页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四简单电力系统如图所示，发电机以E做其等值电势。三、简单系统暂态稳定物理过程分析（起始阶段）1.正常运行方式等值电抗：X=Xd+XT1+XL/2+XT2 功角方程：第42页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四2.故障情况下等值电抗：功角方程：X:附加阻抗 三相短路：X0，则X两相短路：负序阻抗第43页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四3.故障切除后

21、，相当于切除一回线路等值电抗： 功角方程：一般情况下，XX PP 第44页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四0cmhgabcdefPIIIPIIhP画出不同状态下的功率特性曲线 第45页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四故障发生后的过程为： 运行点变化 原因 结果 ab 短路发生 PTPE, 加速，上升， 增大 bc 上升，增大 0 ,动能增加 ce 故障切除 PT0 ，继续增大ef 动能释放 减速，当f =0，动能释放完 毕，m角达最大fk PTPE, 减速 减小 ,经振荡后稳定于平衡点k第46页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四 临界摇摆角 ：达到该点时转速必须达到同步速发电机才能稳定概念： 摇摆曲线：功角随时间变化曲线 最大摇摆角： 第47页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四结论：1 、若最大摇摆角不越过h点，系统可经衰减的振荡后停止于稳定平衡点，系统保持暂态稳定，反之，系统不能保持暂态稳定。2、 暂态稳定分析与初始运行方式、故障点条件、故障切除时间、故障后状态有关。3、.快速切除是保证暂态稳定的有效措施等面积定则数值计算方法直接法暂态稳定分析理论方法：第48页，共55页，2022年，5月20日，18点28分，星期四四、等面积定则A+ ：表示过剩转矩所作的功，也表示在