电力系统的运行状态及

电力系统的运行状态及1第1页，课件共53页，创作于2023年2月

1、正常运行状态：满足等式和不等式约束条件，是经济运行调度的基础。

2、警戒状态：满足等式和不等式约束条件，但不等式约束已经接近上下限，以安全调度为主。

3、紧急状态：不等式约束遭到破坏，等式约束仍能满足，系统仍能同步运行。

4、系统崩溃：不等式、等式约束同时不满足，系统将解列成几个独立的小系统。（负荷过大或者电源功率太大）

5、恢复状态：使崩溃后的若干个小系统向并列的大系统运行状态过渡。二、电力系统运行状态分类2第2页，课件共53页，创作于2023年2月电力系统运行状态示意图正常状态（满足负荷需求，进行经济运行）恢复状态（重新并列，恢复对用户供电）系统崩溃（切机、切负荷、断开线路）警戒状态（预防性控制）紧急状态（紧急控制）安全不安全超越不等式约束条件危险重新带负荷预防性控制储备系数减小或干扰概率增大并列紧急控制系统不完整(解列)系统保持原状切负荷解列超越等式约束条件3第3页，课件共53页，创作于2023年2月

2-2电力系统稳定性的基本概念电力系统稳定性分类：20世纪60年代前：前苏联、我国：静态稳定，动态稳定。

西方：静态稳定，暂态稳定。20世纪70年代起，国际通用：静态稳定，暂态稳定一、定义：静态稳定：在一个特定的稳定运行的条件下，电力系统受到任何一个小的扰动，经过一段时间，它能够自动恢复到或者靠近小扰动前的运行条件。暂态稳定：在一个特定的稳态运行条件下，电力系统受到一个特定的大干扰后，能够从原来的运行状态不失去同步地过渡到另一个允许的稳态运行条件。4第4页，课件共53页，创作于2023年2月GEqTLU0功角在时间上表示励磁电势和端电压之间的相角差；X发电机输出的电磁功率方程：二、电力系统静态稳定分析

根据同步发电机相量图，推导同步发电机输出电磁功率方程因为：所以：5第5页，课件共53页，创作于2023年2月GEqTLU0功角特性曲线X发电机输出的电磁功率方程：二、电力系统静态稳定分析

6第6页，课件共53页，创作于2023年2月GEqTLU0功角在空间上表现为发电机转子磁场轴线与定子合成磁场轴线之间夹角。X发电机输出的电磁功率方程：二、电力系统静态稳定分析

7第7页，课件共53页，创作于2023年2月

在a点，当扰动使发电机的角度获得微小增量时，发电机发出的功率将随之增大，此时发电机与原动机之间的功率平衡遭到破坏。由于这时发电机发出的电功率大于原动机的机械功率，即原动机的驱动转矩小于发电机的电磁滞动转矩，结果使发电机组开始减速，其角度增量逐渐减小，经过一段过渡过程后运行又恢复到扰动前的运行点a，使发电机与原动机间恢复了功率的平衡。所以，在a点运行时，电力系统是静态稳定的。

在b点，当扰动使发电机的角度获得微小增量时，发电机发出的功率减小，发电机与原动机的机械功率遭到破坏，此时发电机发出的电功率小于原动机的机械功率，即原动机的驱动转矩超过了发电机的电磁转矩，结果使发电机开始加速，其角度增量逐渐增大，且随着角度的增大发电机发出的功率继续减小，进一步引起角度继续增大，结果更加偏离了原先的运行情况，最终使发电机失去同步。所以在b点运行时，电力系统是静态不稳定的。8第8页，课件共53页，创作于2023年2月遭受微小扰动后分析a、b两个运行点的过渡过程：

a点：大于0时，转子转速上升，转子制动，趋于0。小于0时，转子转速下降，转子加速，趋于0。

b点：

大于0时，转子转速上升，转子加速，趋于无穷大。小于0时，转子转速下降，转子制动，趋于无穷大。

功角特性曲线(静态稳定工作点)：(静态不稳定工作点)9第9页，课件共53页，创作于2023年2月用图示功角的双重物理意义10第10页，课件共53页，创作于2023年2月

转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功,实现机电能量转换,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。

可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。11第11页，课件共53页，创作于2023年2月静态稳定储备储备系数：

为原动机输入功率功角特性曲线正常运行情况下，静态稳定储备系数应当大于15%，事故后要求不小于5%。12第12页，课件共53页，创作于2023年2月整步功率特性曲线

功角与发电机功率的增量有相同符号时，即系统是静态稳定的

当系统临界稳定当系统是不稳定的整步功率根据上面在点a及点b能否稳定运行分析，得出静态稳定判据：13第13页，课件共53页，创作于2023年2月三、电力系统暂态稳定分析GEqTU0L1L2简单电力系统及故障时的功角特性14第14页，课件共53页，创作于2023年2月

2-3研究电力系统稳定的基本模型同步发电机基本原理15第15页，课件共53页，创作于2023年2月

2-3研究电力系统稳定的基本模型同步发电机基本原理16第16页，课件共53页，创作于2023年2月

2-3研究电力系统稳定的基本模型同步发电机定子绕线示意图汽轮发电机转子结构示意图定子有3相电枢绕组（空间位置相差120。）转子有励磁和若干阻尼绕组17第17页，课件共53页，创作于2023年2月18第18页，课件共53页，创作于2023年2月

2-3研究电力系统稳定的基本模型同步发电机转子磁极绕线示意图汽轮发电机转子结构示意图19第19页，课件共53页，创作于2023年2月

2-3研究电力系统稳定的基本模型同步发电机转子磁极绕线示意图汽轮发电机转子绕组绕线结构示意图20第20页，课件共53页，创作于2023年2月21第21页，课件共53页，创作于2023年2月

2-3研究电力系统稳定的基本模型水轮发电机转子运动示意图22第22页，课件共53页，创作于2023年2月

2-3研究电力系统稳定的基本模型同步发电机转子磁极绕线示意图水轮发电机转子结构示意图23第23页，课件共53页，创作于2023年2月分析电力系统稳定的最主要工作在于确定：转子角度、角速度变化的同步发电机转子运动方程发电机定子：有3相电枢绕组（空间位置相差120。）发电机转子：有励磁和若干阻尼绕组

2-3研究电力系统稳定的基本模型一、同步发电机基本机构及模型现代汽轮发电机均为2极极数多24第24页，课件共53页，创作于2023年2月——发电机暂态电抗后的电势矢量；——发电机出口的端电压矢量；——发电机输出电流矢量；——发电机暂态电抗。二阶同步发电机模型转子运动方程：附加代数方程：同步发电机转子运动基本方程式：转子运动方程：25第25页，课件共53页，创作于2023年2月二、励磁系统模型

一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负载:

有功电流的变化影响发电机的转速及频率无功电流的变化影响发电机的电压。为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。因此，励磁系统的原有功能：目前，励磁系统已演变成多功能、多变量的控制器26第26页，课件共53页，创作于2023年2月二、励磁系统模型现代励磁控制的作用：（1）稳态运行时a)保持发电机在运行中的电压恒定；b)同步发电机并列运行时调节无功功率的分配；c)提高输电线路静态稳定极限，扩大稳定范围；d)可以阻尼和抑制低频震荡。不仅控制发电机端电压，还控制发电机的功率因数和电流等参数（2）暂态过程中a)负荷剧烈变化时，调节发电机输出电压；b)系统状态不稳定时，可以强行励磁，提高系统稳定性。27第27页，课件共53页，创作于2023年2月同步发电机励磁系统的组成励磁功率单元：由直流励磁机或交流励磁机加可控整流器，也可是交流变压器加可控整流器构成励磁调节单元：由自动电压调节器（AVR）、电力系统稳定器（PSS）及其附属电路和设备构成28第28页，课件共53页，创作于2023年2月按励磁电流提供方式不同：（1）直流机励磁系统由带有整流子的直流发电机供电电刷是约束，100MW以上机组很少使用时间常数大，电压响应速度较慢29第29页，课件共53页，创作于2023年2月整流子30第30页，课件共53页，创作于2023年2月按励磁电流提供方式不同：（2）交流机励磁系统

交流发电机与整流器构成直流电源，有辅助励磁机，轴系长

励磁响应时间长，对发电机端电压调节速度较慢31第31页，课件共53页，创作于2023年2月按励磁电流提供方式不同：（3）静态励磁系统

从发电机出口变压器加整流器由于无主副励磁机，无旋转部件，轴系短，有利于减少机组振动和扭振励磁响应时间短，对发电机端电压调节速度快32第32页，课件共53页，创作于2023年2月

励磁机可控硅输出移相触发综合放大量测滤波转子电压软负反馈

F可控硅励磁调节器其他信号ULfUGGIUG0YHLH可控硅励磁控制系统原理图33第33页，课件共53页，创作于2023年2月和分别为该环节的放大倍数和时间常数。量测滤波：惯性环节其传递函数可用下式表示——比例常数。——由互感器-整流器装置中的滤波作用所引起的时间常数，较小。综合放大、移相触发、可控硅输出：近似为惯性环节和分别为该环节的放大倍数和时间常数。转子电压软负反馈其作用是提高控制调节系统的稳定性品质，输出量大小与转子电压的变化率有关。34第34页，课件共53页，创作于2023年2月相位补偿传感器信号复归放大限幅输入信号励磁系统四、原动机调速系统模型三、电力系统稳定器模型（PowerSystemStabilizer,PSS）电力系统频率正比于原动机转速。调速系统由量测、放大、执行三个环节组成。量测环节的输入控制变量：信号测量当采用快速响应的可控硅励磁调节器，输入信号仅用发电机端子电压时，会使电力系统产生弱阻尼或负阻尼而引起电力系统增幅震荡，导致不稳定。若在励磁系统中引入其它附加信号，可以增强电力系统的阻尼。这类信号由电力系统稳定器提供：35第35页，课件共53页，创作于2023年2月1-轴；2-叶轮；3-动叶片；4-喷嘴

气轮机模型：汽容效应（调节气门与第一级喷嘴存在管道和空间）高压蒸汽室高再热器中联箱低低轴阀门开度去凝汽室中间再热机组工作原理汽缸汽缸36第36页，课件共53页，创作于2023年2月气轮机模型：

以给定功率为输入量以蒸汽量为输出量引进600MW汽轮发电机国产300MW汽轮发电机37第37页，课件共53页，创作于2023年2月水轮机模型：水锤现象（水流在水轮机及引水管中有惯性）38第38页，课件共53页，创作于2023年2月水轮机模型：考虑水锤现象输入量：导叶开度输出量：水轮机功率39第39页，课件共53页，创作于2023年2月2-4提高和改善电力系统稳定性的控制技术电力系统稳定性是限制交流远距离输电和输送能力的决定因素之一。~系统II双回线联接的系统示意图系统I~功率过剩传输能力不足功率不足因故障被切除40第40页，课件共53页，创作于2023年2月一般原则：

1）尽可能地提高电力系统的功率极限；2）减少发电机相对运动的振荡幅度。2-4提高和改善电力系统稳定性的控制技术电力系统稳定控制的核心是控制电力系统内同步发电机转子的运动状态，使其保持同步运行，即发电机输出端电压为50Hz41第41页，课件共53页，创作于2023年2月1、尽量缩短电气距离或等值电气距离（根本措施）1）减少发电机或变压器电抗；2）采用自动励磁装置；（投资小、优先考虑）3）减少线路电抗；（分裂导线或双回输电线）4）串联电容补偿；5）改善电力系统结构，系统中间增设中间调相机。2-4提高和改善电力系统稳定性的控制技术一、提高静态稳定的方法2、减小机械与电磁、负荷与电源的功率或能量差额（紧急状态下的临时措施）3、解列、合理选择解列点（权宜措施）42第42页，课件共53页，创作于2023年2月提高电力系统静态稳定性的措施电力系统具有静态稳定性是保证系统正常运行的必要条件。保证和提高系统静态稳定性，从有功来看，主要是提高功率极限值Pm=Ｅ*Ｕ／Ｘ∑，因此可以从减小系统各元件的电抗、提高发电机的电动势Ｅ和提高系统电压Ｕ三方面着手。43第43页，课件共53页，创作于2023年2月提高电力系统静态稳定性的措施（续）减小发电机或变压器的电抗。（会增加发电机的成本投入，变压器的电抗减小很困难，在经济上不合算）采用自动调节励磁装置。可以大大提高功率极限，并扩大稳定功角的范围。因为自动调节励磁装置在总投资中所占的比重很小，所以在各种提高静态稳定性的措施中，总是先考虑这一措施。减小线路电抗：提高输电线路的电压等级、采用分裂导线采用串联电容器补偿（Ｘ＝ＸＬ－ＸＣ）提高系统运行电压水平：电力系统的运行电压水平，不仅是电能质量的一个重要标志，而且对系统运行的静态稳定性也有重大影响，其基本措施是在电力系统中装设充足的无功功率电源并能随时保证系统在额定电压水平下无功功率平衡44第44页，课件共53页，创作于2023年2月维持电力系统稳定的重要手段——

进行电力系统无功功率控制发电机是电力系统中重要的无功电源，而控制发电机输出无功功率的是发电机的励磁调节系统。在电力系统静态稳定方面，合理的选用自动励磁调节器，可以使发电机出口某一电抗后面的电压维持不变，这相当于将发电机电抗和发电机后面的电抗减少到零，从而提高电力系统稳定性。在电力系统动态稳定方面，采用高励磁顶值、快速响应的励磁系统，会使发电机在加速过程中迅速增大励磁电流，从而有效地改善电力系统的暂态稳定性45第45页，课件共53页，创作于2023年2月方法：1）快速切除故障；

2）采用自动重合闸；

3）强行励磁（维持同步发动机出口电压UG为常数不变）；

4）改善原动机调速系统的调节特性（如快速关闭进气阀门）；

5）同步发电机输出端采用电气制动控制；

6）变压器中性点经小电阻接地；

7）强行串联补偿和设置开关站控制；

8）连锁切除同步发电机；

9）调节直流输电功率控制；

10）设置合理的解列点或同步发电机异步运行。二、提高暂态稳定的方法及措施2-4提高和改善电力系统稳定性的控制技术根本出发点：控制和减少功率、能量的差额。46第46页，课件共53页，创作于2023年2月发电机的励磁自动控制系统对静态稳定和暂态稳定的影响对暂态稳定的影响曲线1对应于正常运行时的状态；曲线2对应于故障时的运行状态；曲线3对应于故障切除后的运行状态。47第47页，课件共53页，创作于2023年2月当系统正常运行时，发电机工作在a点，发电机输出的有功功率为PG=P1(P1为系统取用的有功功率)。当系统中某点发生故障时，阻断了发电机与系统之间的部分联系(影响程度与故障点至发电机的电气距离有关)，系统取用功率由P1急剧减小，从而使发电机的输出功率PG急剧减小，其运行点突变到曲线2的b点，发电机的输入功率由于惯性而不会突变减小，造成发电机的输入功率大于输出功率，其输入转矩大于发电机的电磁转矩，使发电机转子加速，发电机的运行点由b点沿曲线2向c点移动，其功角δ不断增大。当故障切除后，发电机运行到曲线3上的d点。如果在故障时快速提高励磁电流，即增加发