第15章电力系统运行稳定性的基本概念-郭壮志

1第十五章电力系统运行稳定性的基本概念15-1概述15-2功角的概念15-3静态稳定的初步概念15-4暂态稳定的初步概念15-5负荷稳定的概念15-6电压稳定性的概念15-7发电机转子运动方程215-1概述1、正常稳定运行状态：

任何G均具有相同的电角速度——同步速度ωi=ωN——同步运转；运行状态参数(V、I、P、Q、f等)基本保持不变，且V≈VN，f≈fN；

I≤

IN

负荷（用电设备）处于正常运行状态。2、电力系统暂态过程

正常稳态

3、稳定破坏的原因、危害：

稳定破坏：G失去同步/forV不可控地急剧下降/负荷失去正常运行原因：扰动——大扰动：大容量元件投、切；系统故障（短路/断线）

——小扰动：负荷随机变化(波动)；元件投、切；负荷快速大幅度增加危害：运行状态参数剧烈变化或振荡，供电质量下降；系统瓦解，大面积供电中断！暂态过程315-1概述4、稳定问题的分类——①一般分类原则：(1)按失稳特征分类：功角稳定（同步运行稳定性）频率稳定电压稳定(2)按扰动大小小扰动稳定——静态稳定(不计调节装置和元件动态特性)

动态稳定(计及调节装置和元件动态特性)

大扰动稳定——暂态稳定(3)按过渡过程时间框架暂态稳定——单摆稳定、多摆稳定短期稳定性、中期稳定性、长过程动态稳定性(4)稳定问题的分析方法小扰动静态稳定——基于潮流的分析方法小扰动动态稳定——线性化——基于空间线性状态方程的分析方法暂态稳定——非线性微分-代数方程组的分析方法中长期动态稳定——综合分析方法415-2发电机转子相对位置和电势相位——功角的概念1、发电机电势间的时间相位角——功角515-2发电机转子相对位置和电势相位——功角的概念2、发电机转子相对空间位置角——δ615-2发电机转子相对位置和电势相位——功角的概念3、δ与(同步/功角)稳定性的关系715-3静态稳定的初步概念1、静态稳定性的定义：

受到瞬时出现、立即消失的微小扰动后，系统具有抑制扰动、独立地恢复到原始运行状态(或近似的原始运行状态)的能力2、转子净加速功率(转矩)与转子运动行为的关系：

决定G转子运行行为的关键——△Ma=MT－Me△Ma>0，ω↑(>ωN)

→

δ↑

(>δ0)

△Ma<0，ω↓(<ωN)

→

δ↓

(<δ0)平衡点——△Ma=0，ω=ωN&δ=δ0=const83、静态稳定性的机理分析：15-3静态稳定的初步概念假设条件：G具有正阻尼(如摩擦转矩)915-3静态稳定的初步概念4、结论——静态稳定性的实用判据：(1)静态稳定条件：——静态稳定实用判据(2)电力系统维持正常运行的必要、但非充分条件：(3)隐极机单机—无穷大系统，不计AVR——Eq=const：1015-4暂态稳定的初步概念1、暂态稳定性的定义：

正常运行的系统受到(给定的)一定大小的扰动后，恢复到原始运行状态、或不失去同步地过渡到新的稳定运行状态的能力正常运行切除线路系统条件：正常双回输电线路运行条件下突然切除一回线路；隐极Eq=const功率特性：1115-4暂态稳定的初步概念2、暂态稳定过程分析(1)稳定情形：设：原动机机械输出功率（转矩）不变

原始运行点：a(SEP)，

ωG=ωN

、△ω=0

突然切除一回线路

转子惯性→功角不能突变运行点转移：

a→b→c，PT>Pe

，ωG↑、δ↑,

△ω>0&

↑

过c后:c→d，PT<Pe，

ωG↓、

△ω↓&

△ω>0

δ↑→d:δ

max、△ω=0

d:

PT<Pe

→

ωG、δ↓&△ω<0

d→c

c:

PT=Pe

，惯性→

ωG、δ↓

越过c→b方向转移

——PT>Pe——在c点附近若干次震荡后→

c

c点：SEPNew

→

PT=Pe

、ωG=ωN

、δ=δc1215-4暂态稳定的初步概念2、暂态稳定过程分析(2)不稳定情形：运行点过c后:c→c’，PT<Pe，——c’：△ω>0

→

δ↑——越过c’——PT>Pe→

ωG

↑

、δ↑

↑

→Pe↓↓

→

ωG

↑↑

→-----→

运行点“一去不复返”！

——

G与系统失去同步，稳定破坏！1315-4暂态稳定的初步概念3、暂态稳定的机理解释——简单系统暂态稳定判据PT>Pe

→

转子加速，积蓄动能；PT<Pe

→

转子减速，释放动能；

稳定条件：在最大可能的减速过程中，“积蓄”完全“释放”，回到同步转速稳定判据：

S+<S-max注意：

(1)

复杂系统无此简单判据

根本判稳依据：

δ(t)→δconst

且新的平衡点为SEP

δ(t)

——摇摆曲线(2)

S-↑

、S+↓

——稳定程度愈强1415-5负荷稳定的概念1、负荷稳定的定义：

母线电压、电网频率变化时，负荷(用电设备)维持其正常运行的能力

——一般而言，(理论上)只有动态负荷才存在稳定性问题！——典型负荷稳定问题——感应电动机(IM)运行稳定性

IM为主要的动态负荷，其运行稳定性表现为：能否以其额定(或接近额定)转速运行——不发生过负荷、过热损坏2、IM的M-s曲线1515-5负荷稳定的概念3、静态稳定性分析：

机理：△M=Me-MT>0→n↑→s↓

△M=Me-MT<0→n↓

→s↑

结论：a——SEP，b——UEP

判据：dMe/ds>0

实际：

s=5%左右注意：

IM失稳过程中(n↓、s↑

→s=1、n=0)

吸收大量Q——可能导致系统电压失稳！1615-6电压稳定性的概念1、单端供电系统的传输功率特性：定义：系统维持各节点电压在允许范围内的能力1715-6电压稳定性的概念2、(静态)电压稳定性的基本概念(1)区域I：ZLD

↓(YLD

↑)→V↓、P↑

——电压稳定

区域II：ZLD

↓(YLD

↑)→V↓、P↓

——电压不稳定

判据：dP/dV<0(2)电压崩溃：

电压失稳→电压不可控制地↓

↓

→大面积供电中断，乃至系统瓦解！(3)影响电压稳定性的关键因素：

本质原因：无功功率支撑

关键因素：负荷的动态特性

电压失稳时切除部分负荷有利于系统的电压稳定;但大量负荷失去也可能导致功角失稳！1815-7发电机转子运动方程一、转子运动方程1、基本形式1915-7发电机转子运动方程——一、转子运动方程2、转子电气角位移的表示Gi相对于固定轴：θi

、ωiGi相对于同步轴：δi

、△ωiGi、Gj

之间的角位移、相对角速度：δij

、△ωij20二、用标么值表示的转子运动方程选转矩基准值：15-7发电机转子运动方程——机械惯性时间常数1、基本标幺值形式：21二、用标么值表示的转子运动方程15-7发电机转子运动方程2、全标幺值形式：δ——rad2215-7发电机转子运动方程二、用标么值表示的转子运动方程3、状态方程形式：4、转差率形式的状态方程：23三、TJ

的物理意义15-7发电机转子运动方程1、TJ(N)=SN基准下、以ΩN旋转所具有的动能标幺值之2倍2、时间意义：2415-7发电机转子运动方程四、多机系统TJ——①不同基准容量

TJ的换算2515-7发电机转子运动方程四、多机系统TJ——②系统等值机组的TJ系统等值机组Geq：2615-7发电机转子运动方程五、稳定性分析面临的基本问题求解摇摆方程，获得摇摆曲线δ(t)

→判断系统稳定性机械功率特性——原动机及其Governor电磁功率特性——由G的电气特性、网络特性共同决定确定其变化规律(解析描述)——复杂——非线性、高维27序号大小英文国际音标字母读音意义1Ααalphaa:lfaa阿尔法角度（小写）；系数4Δδdeltadeltad,dh,德尔塔变化量（大写）；5Εεepsilonep`silone艾普斯龙对数之基数；电势能（小写）7Ηηetaetae,i艾塔磁滞系数；效率（小写）8Θθthetaθi