15.电力系统运行稳定性的基本概念.ppt

1、0,第十五章,电力系统运行稳定性的基本概念,1,课程地位,先修课程 “电路原理”、“电机学”、“电磁场”、 “自动控制原理” 、“电力系统稳态分析”、“电力系统暂态分析”。 “电力系统稳定性分析”与“电力系统稳态分析”、“电力系统暂态分析”共同构成电力系统分析的基础课。,2,电力系统分析基础课,电力系统运行状态,稳态,正常的、相对静止的运行状态。,“电力系统稳态分析”,扰动使得系统从一种运行状态向另一种运行状态过渡。,电磁暂态,机电暂态,分析电网电气量的变化，比机电暂态快得多。,分析发电机转子转速的变化,“电力系统暂态分析”,暂态,“电力系统稳定性分析”,3,课程内容和目的,课程内容 第六章

2、稳定性问题概述和各元件机电特性 第七章 电力系统静态稳定 第八章 电力系统暂态稳定 课程目的 掌握电力系统静态、暂态稳定性的基本概念。 掌握发电机的静态和暂态数学模型及电磁功率特性。 掌握简单系统静态和暂态稳定性分析的基本方法。 学会分析影响静态和暂态稳定性的主要措施。,4,15.1 概述 15.2 同步发电机组的机电特性 15.3 自动调节励磁系统的作用原理和数学模型 15.4 负荷特性 15.5 柔性输电装置特性,第十五章 电力系统稳定性问题概述和各元件机电特性,5,15.1 概述 电力系统稳定性概念,电力系统稳定性问题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

3、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，则认为系统在该正常运行状态下是稳定的。不能，则系统是不稳定的。,6,15.1 概述 功角,无限大系统,隐极机,=常数,G,图6-1 (a) 系统图,电势方程：,总电抗：,发电机电磁功率：,功角,功角特性,T,L,不变，系统稳定；,一直变化，系统不稳定。,7,15.1 概述 发电机转子运动与功角的关系,稳态时：,扰动后：,q轴,电磁转矩,机械转矩,q轴,d轴,发电机转子运动示意图,q0轴,电气角速度,同步电气角速度,两q轴的空间相对位置,两转子的空间相对位置,8,15.1 概述 功角的含义,两电源电势的相角差，发电机q轴电势与无穷大系统

4、电源电势之间的相角差。 电磁功率的大小与相位角密切相关，称为“功角”或“功率角”。电磁功率与功角的关系式被称为“功角特性”或“功率特性”。 功角除了表征系统的电磁关系之外，还表明了各发电机转子之间的相对位置。,9,15.1 概述 功角稳定的概念,电力系统正常运行时，系统中所有同步发电机均同步运行，即功角 是稳定值。系统在受到干扰后，如果发电机转子经过一段时间的运动变化后仍能恢复同步运行，即功角 能达到一个稳定值，则系统就是功角稳定的，否则就是功角不稳定。 通常，所说的电力系统稳定性就指的是系统的功角稳定性。,10,15.1 概述 电力系统稳定性分类,当系统的有功或无功供给不足时，也可能出现全系

5、统的发电机是维持同步运行，但系统频率或电压不可控制的持续下降。此时系统从功角意义上仍然是稳定的，但系统已失去了稳定即出现了频率稳定或电压稳定问题。 电力系统稳定性包括：功角稳定频率稳定电压稳定,11,15.1 概述 功角稳定的分类,根据功角失稳的原因和发展过程，功角稳定可分为如下三类： 静态稳定（小干扰） 暂态稳定（大干扰） 动态稳定（长过程）,12,15.1 概述 静态稳定(Steady Stability),定义：静态稳定是指电力系统在某一正常运行状态下受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到原始运行状态的能力。如果能，则认为系统在该正常运行状态下是静态稳定的。不能，则系统是

6、静态失稳的。 特点：静态稳定研究的是电力系统在某一运行状态下受到微小干扰时的稳定性问题。系统是否能够维持静态稳定主要与系统在扰动发生前的原始运行状态有关，而与小干扰的大小、类型和地点无关。,13,15.1 概述 暂态稳定 (Transient Stability),定义：电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常运行状态下受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来的稳态运行状态的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。如果能，则认为系统在该正常运行状态下该扰动下是暂态稳定的。不能，则系统是暂态失稳的。 特点：暂态稳定研究的是电力系统在某一运行状态下受到较大干扰时的稳定性问题。系统

7、的暂态稳定性不仅与系统在扰动前的运行状态有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间均有关。,14,15.1 概述 动态稳定 (Dynamic Stability),定义：电力系统动态稳定是指电力系统在某一正常运行状态下受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程运行稳定性的能力。如果能，则认为系统在该正常运行状态下是动态稳定的。不能，则系统是动态失稳的。 特点：动态稳定的过程较长，参与动作的元件和控制系统更多、更复杂。（不讲）,15,作业1,功角的具体含义。 功角稳定及其分类。 电力系统静态稳定及其特点。 电力系统暂态稳定及其特点。,16,15.2 同步发电机组的机电特性,15.

8、2.1 同步发电机组转子运动方程 15.2.2 发电机的电磁转矩和功率 15.2.3 电动势变化过程的方程式,17,15.2.1 同步发电机组转子运动方程,15.2.1.1转子机械运动方程 15.2.1.2转子的机电运动方程推导 15.2.1.3 惯性时间常数 15.2.1.4 同步发电机组转子运动方程的进一步认识,18,15.2.1.1 转子的机械运动方程,（6-1）,转子的转动惯量,角加速度,机械角速度,机械(电磁)转矩,不平衡转矩,反映机械转速与转矩的动态关系，是纯机械运动，不能反映电气量的变化作用。,19,15.2.1.2转子机电运动方程的推导 转子机械运动方程的标么值处理,转矩(功率

9、)基准值,同步机械（电气）角速度,惯性时间常数,单位为s,极对数,20,15.2.1转子机电运动方程的推导 转子运动方程的二阶形式,（6-10）,功角 是两q轴之间的空间相对位置角,q轴,q0轴,机械功率,电磁功率,两边求导,21,15.2.1.2转子机电运动方程的推导 转子运动方程的状态方程形式,（6-11）,（6-12）,功率和电气角速度都是标幺值,功率是标幺值，电气角速度是有名值,注：习惯上标幺值不带（*）,反映暂态过程中，发电机转子转速、功角和不平衡功率之间的相互作用与变化规律，是功角稳定分析的基础。,22,15.2.1.3惯性时间常数,（1）发电机组惯性时间常数的物理意义 （2）发电

10、机组的惯性时间常数 （3）系统的惯性时间常数,23,15.2.1.3惯性时间常数发电机组惯性时间常数的物理意义,表示在发电机组转子上加额定转矩后，转子从停顿状态转到额定转速时所经过的时间。,(6-6),24,15.2.1.3惯性时间常数 发电机组的惯性时间常数,发电机铭牌参数有：飞轮转矩 (tm2)、发电机额定容量 ( KVA)、额定转速 ( r/min ),定义,以发电机组的额定容量 为基准的惯性时间常数 (S)。,(6-7),25,15.2.1.3惯性时间常数 系统的惯性时间常数,注意：容量折算,m台并联运行机组合并为单台等值机组：,单台发电机：,26,15.2.1.4 同步发电机组转子运

11、动方程的进一步认识,干扰后：,稳态：,功角变化,功角不变,假设调速器不起作用，机械功率 不变。电磁功率 的描述和计算，就成了电力系统功角稳定分析中最为复杂和困难的任务。,（6-12）,27,作业2,发电机组惯性时间常数的物理意义及其与系统惯性时间常数的关系。 例题6-1 (P152) （补充知识：当发电机出口断路器断开后，转子做匀加速旋转。汽轮发电机极对数p=1。额定频率为50Hz。要求列写每个公式的来源和意义。） 习题6-2-1 (P175),28,简单系统中PE的计算,功角稳定分析,求解状态方程,PE,本节内容：,15.2.2 发电机的电磁转矩和功率,复杂系统中PE的计算,29,3）不计发

12、电机定子绕组及电网中的电磁暂态过程。只计及发电机定子电流中的正序基频交流分量产生的电磁功率。 理由：a、定子及电网的电磁暂态过程很快，百分之几秒。 b、非周期分量在转子上产生的功率平均值接近于零，又由于转子转动惯量大，因此对转子运动影响很小。 c、不计零序和负序电流的影响，只考虑基波正序分量。零序电流所产生的磁场对转子运动没有影响。负序电流在转子上产生的功率平均值接近于零，因此对转子运动影响很小。,2）假设机组转速接近同步转速,1）略去发电机定子绕组电阻,15.2.2 发电机的电磁转矩和功率 假设条件一,30,4）假定发电机的某个电动势为恒定。,空载电动势恒定忽略自动调节励磁器的作用暂态电动势

13、恒定考虑自动调节励磁器的作用一般发电机端电压恒定考虑自动调节励磁器的作用很强,15.2.2 发电机的电磁转矩和功率 假设条件二,RC,G,G,pf,pE,E,G,TA,TV,D,AVR,ff,f,转子回路或励磁回路,定子回路,励磁调节器,图 6-14,dq轴1,dq轴2,他励回路,31,无限大系统,同步发电机,=常数,G,图6-1 (a) 系统图,忽略了电阻，,同步发电机的电路方程,T,L,15.2.2 发电机的电磁转矩和功率 简单电力系统的电磁功率,32,a,x,d轴,q轴,b,y,c,z,b,c,a,Lbb,Laa,Lcc,r,r,r,ub,ua,uc,ia,ic,ib,if,LDD,rD

14、,iD,LQQ,rQ,iQ,图2-18 同步发电机各绕组位置示意图,图2-19 同步发电机各回路电路图,15.2.2 发电机的电磁转矩和功率 同步发电机电路图,33,r,ua,ia,Laa,a相绕组的回路电路图,a相绕组的回路电压方程和磁链方程：,a相绕组的回路电压方程和磁链方程,机端电压,34,回路电压方程和磁链方程：,在abc三相下，定子和转子的回路电压方程为微分方程,(2-49),15.2.2 发电机的电磁转矩和功率 在abc三相中同步发电机方程,35,由于 1）转子绕组相对于定子绕组旋转； 2）转子仅对d、q轴对称。 定、转子绕组间互感，定子自、互感周期性变化，仅有转子绕组自感和转子绕

15、组间互感为常数。相应定子和转子回路电压方程为一组变系数微分方程，很难求解。,变系数矩阵,(2-50),详见附录A,36,数学角度上：派克变换是一种线性变换； 物理意义上：派克变换将观察者的角度从静止的定子绕组转移到随转子一同旋转的dq轴上。 可以使得定子绕组自、互感，定、转子绕组间互感变成常数，大大简化了同步发电机的原始方程。,15.2.2 发电机的电磁转矩和功率 派克变换,37,（2-67）,（2-64）,常系数矩阵,派克变换后发电机回路电压方程为常系数微分方程，容易求解。,38,15.2.2 发电机的电磁转矩和功率 在dq轴中同步发电机方程,dq轴2,电动势变化,39,机电暂态过程中，计算

16、发电机的电磁功率时， 1）略去发电机定子绕组电阻 r0 2）忽略定子绕组的电磁暂态过程 3）忽略阻尼绕组暂态过程 则发电机机端电压的q轴和d轴分量可表示为：,为空载电势,15.2.2 发电机的电磁转矩和功率 机端电压dq轴分量的代数方程,用,和,表示,40,相量形式,15.2.2 发电机的电磁转矩和功率 机端电压dq轴分量的相量方程,励磁假设条件,是 的d轴和q轴分量,和,41,写成相量形式：,定义：,有：,的d轴和q轴分量,的d轴和q轴分量,引出 参数，,15.2.2 发电机的电磁转矩和功率无限大系统母线电压的dq轴分量方程,=常数,则：,42,以暂态电势表示机端电压的dq轴分量,定义：暂态

17、电势 暂态电抗,励磁假设条件,dq轴磁链方程,43,发电机机端电压的dq轴分量可表示为：,相量形式,是 的d轴和q轴分量,和,以暂态电势表示机端电压的dq轴分量,44,写成相量形式：,定义：,有：,=常数,的d轴和q轴分量,的d轴和q轴分量,引出 参数，,以暂态电势表示无限大系统母线的dq轴分量,45,简单系统的主要电势方程,空载电势,暂态电势,虚拟电势,用一个等值电路代表同步发电机：,(6-14),(6-24),(6-17),(6-26),46,隐极机的简单系统相量图,图6-3,功角特性,47,凸极机的简单系统相量图,图6-6,48,简单系统中发电机电磁功率的计算方法,不考虑电阻，发电机与电

18、网各节点的注入有功相等,将电流分别用各电势代替，便可用不同电势表示出发电机电磁功率。,(6-15),49,用空载电势表示隐极机的功角特性,(6-14),(6-16),50,用暂态电势表示隐极机的功角特性,磁阻功率,(6-17),(6-18),51,用空载电势表示凸极机的功角特性,磁阻功率,（6-24）,（6-25）,52,用暂态电势表示凸极机的功角特性,磁阻功率,参照(6-18),(6-26),(6-27),53,用虚拟电势和机端电压表示同步发电机的功角特性,同乘以U/x,(6-22),(6-20),54,、 与 的关系式,隐极机,，可用(6-21)和(6-23)。,在近似计算中，常用 代替

19、。,55,简单系统中发电机功角特性分析 空载电势表示的隐极机,图6-4 为常数时隐极发电机的功角特性,56,简单系统中发电机的功角特性分析 空载电势表示的凸极机,图6-7,磁阻功率,57,简单系统中发电机的功角特性 暂态电势表示的同步发电机,磁阻功率,图6-5,58,例6-2简单系统功角特性的计算,系统基准值取法有很多，为计算方便，我们取：,隐极机,G,T1,T2,L,18/242kV,220/121kV,59,系统基准下发电机的阻抗标幺值参数,有名值,高压侧有名值,高压侧标幺值,标幺值,60,系统基准下变压器的电抗标幺值,高压侧有名值,高压侧标幺值,61,系统基准下线路的电抗标幺值,有名值,

20、标幺值,62,Q轴虚拟电势与功角的计算公式,参考电压,系统等值电路：,63,各种电势与相位差的计算公式,代替,代替,64,各种电势与相位差的计算公式,65,各种电势表示的功率特性,66,各种电势表示的功率特性,时,时,由,计算,当,当,相量图,67,三电势为常数时同步发电机功角特性对比,特点,图6-8,68,作业3,例题6-2 (P156) 习题6-2-2 (P175)（把题中的Eq|0|、Eq|0|以及Uq|0|为常数改为Eq、Eq以及UG为常数，要求画出系统图、等值电路图、相量图和功率特性曲线）,69,多机系统中同步发电机电磁功率,同步发电机和负荷的等值模型 系统的等值模型 多机系统中发电

21、机的电磁功率 两机系统中发电机的电磁功率,70,发电机和负荷的等值模型,负荷节点上的恒定导纳：,发电机的等值模型：,(6-28),71,系统的等值模型,图6-10,网络有N个节点 G个节点上接有发电机,72,运用节点导纳矩阵的节点电压方程 I=YU ,可得：,因此：,只保留发电机节点：,发电机注入电流表达式,G为发电机台数,展开,Yij为发电机节点i和j之间的互导纳,73,多机系统中发电机的电磁功率,为,的相角差。,和,(6-29),74,多机系统中发电机电磁功率的特点,任一台发电机的功角特性，是它与其余所以发电机电势相角差的函数。在系统含有三台以上发电机的情况下，不能用曲线作出发电机的功角特

22、性。 任一台发电机输出的电磁功率，都与所有发电机的电势及电势间的相角差有关，因此任一台发电机运行状态的变化，都要影响到其余发电机的运行状态。,(6-29),75,两机系统中发电机电磁功率,当G=2时（两机系统）：,(6-30),(6-29),76,两机系统的功角特性,(6-30),图6-11,很小,77,特殊的两机系统简单系统的功角特性,=常数,发电机的电磁功率：,(6-20),(6-31),78,计及电阻时简单系统的功角特性,=常数,(6-32),79,计及电阻时简单系统的功角特性,=常数,(6-33),80,计及电阻时简单系统的功角特性,图6-12,81,作业4,多机系统中发电机电磁功率的

23、特点,82,15.2.3 电动势变化过程的方程式,RC,G,G,pf,pE,E,G,TA,TV,D,AVR,ff,f,转子回路或励磁回路,定子回路,调节励磁系统,图 6-14,前面假定：当无自动调节励磁系统时， 是常数。当自动 调节励磁系统能力一般时， 是常数。 实际上：由于自动调节励磁系统和转子回路的暂态过程， 和 是变化的。,if,uf,rf,励磁绕组回路Page29,他励回路,83,15.2.3 电动势变化过程的方程式,励磁绕组电压回路方程为：,强制空载电动势,励磁绕组的时间常数,（6-34）,和,受控于,，,而,受控于自动调节励磁系统。,84,15.3 自动调节励磁系统的作用原理和数学

24、模型,原理：通过调节发电机励磁绕组的电压 ，改变发电机电动势，从而影响发电机的电磁功率及系统的稳定性。 构成：主励磁系统和自动调节励磁装置。,15.3.1 主励磁系统 15.3.2 自动调节励磁装置及其框图 15.3.3 自动调节励磁系统的简化模型,85,15.3.1 主励磁系统,主励磁系统：从励磁电源到发电机励磁绕组的励磁主 回路。有直流励磁系统、交流励磁系统 和静止励磁系统三类。 直流励磁系统具有接线和结构简单，运行经验丰富等优点，但因换向困难、可靠性差，难以制造大容量直流发电机。 交流励磁系统便于制造、成本低、工作可靠、反应迅速。他励式交流旋转半导体励磁系统无需换向。常用于大容量机组。

25、静止励磁系统 励磁电压的动态方程,86,他励直流励磁系统,pf,PE,E,G,TA,TV,U,AER,ff,f,RC,励磁机、发电机和原动机同轴旋转,发电机,直流励磁机,副励磁机,强行励磁电阻,整流器,励磁调节器,Automatic excitation regulator,励磁电流为直流,图 6-14,87,他励交流励磁系统,G,TA,TV,AER,励磁电流为直流,TV,发电机,交流励磁机,副励磁机,pf,ff,f,励磁调节器,SCR2,SCR1,图 6-15,PE,E,自励恒压单元,88,静止励磁系统,G,TA,TV,AER,发电机,f,励磁调节器,TV,G,TA,AER,发电机,f,励磁

26、调节器,(a)自并励,图 6-16,(b)自复励,TV,89,他励直流励磁系统中发电机励磁电压变化的动态方程,主励磁系统的回路等值电路 发电机励磁电压变化的动态方程,90,主励磁系统的回路等值电路,他励绕组回路,励磁绕组回路,Lff,iff,uff,rff,if,uf,rf,f,图6-17,他励绕组回路电压方程为：,（6-36）,91,不计饱和时：,发电机励磁电压变化的动态方程,不计励磁机转速的变化时：,计及饱和时：,（6-37）,（6-38）,（6-39）,其中， 为饱和系数 ，不计饱和时 。,他励绕组时间常数,（6-40）,92,发电机励磁电压变化的动态方程标幺制形式,之间基准值的关系取为

27、：,（6-43）,取,（6-40）,图6-18,93,15.3.2 自动调节励磁装置及其框图 晶闸管调节励磁器原理框图,G,TA,TV,量测滤波,综合放大,移相触发,晶闸管输出,转子电压软负反馈,励磁机,uf,uff,UG0,其它信号,、电气角速度的偏差量（PSS）、偏差量的一阶和二阶导数（强力式调节器）。,机端电压的偏差量（电压偏差比例式调节器）,AER,自动调节励磁装置根据发电机的运行参数，如端电压和定子电流等，自动调节主励磁系统的参数。,图6-20,励磁调节器,94,15.3.3 自动调节励磁系统的简化模型按电压偏差比例调节的自动调节励磁系统,小扰动后等值的一阶惯性环节：,（6-46）,

28、自动调节励磁系统的等值时间常数,Te：,Ke：,自动调节励磁系统的等值放大倍数,图6-22,去掉了标幺值的下标,95,大扰动后强行励磁动作与退出的原因,当发电机电压由于系统发生短路而大幅度下降时，采用强行励磁，即短接强励电阻RC或者全部开通晶闸管导通角，此时uff立即跃变至最大值uffm。短路切除后发电机端电压上升到一定值，或者强行励磁运行达到时间限制后，为了系统安全，则强行励磁将退出工作，即相应恢复RC或者晶闸管导通角的控制，此时uff将变为正常运行时的uff0。,96,强行励磁动作与退出的空载强制电势动态方程,（6-47）Page166,强励动作：短接强励电阻RC或者全部开通晶闸管导通角。

29、,强励退出：恢复RC或者晶闸管导通角的控制。,（8-32）Page218,去掉了标幺值的下标,97,发电机电势与励磁电压变化的动态方程(小结),大扰动后强励动作 (1)+(3),（1）,（2）,（3）,小扰动后电压偏差比例控制(1)+(2),发电机电势变化方程,大扰动后强励退出 (1)+(4),（4）,(6-34),(6-46),(6-47),(8-32),发电机励磁电压变化方程,98,作业5,发电机稳态运行时，强制空载电势与空载电势的关系？ 自动调节励磁系统直接控制发电机励磁电压还是励磁机励磁电压？ 晶闸管调节励磁器的工作原理？ 强行励磁动作与退出的原因是什么？,99,15.4 负荷特性,负

30、荷特性：负荷功率与系统电压及频率的关系。它对系统稳定性有相当影响。 负荷动态特性：当系统电压和频率快速变化时的负荷特性。通常采用异步电动机的动态特性作为负荷动态特性。 负荷静态特性：当系统电压和频率缓慢变化时的负荷特性，是各种用电设备静态特性的综合，又称为综合负荷静态特性。其中负荷随电压变化的特性称为综合负荷的静态电压特性，随频率变化的特性称为综合负荷的静态频率特性。 15.4.1 异步电动机的机电特性 15.4.2 综合负荷的静态电压特性,100,15.4.1 异步电动机组的机电特性,异步电动机组的转子运动方程 异步电动机的简化等值电路 异步电动机的电磁转矩 异步电动机电磁转矩-转差率特性曲

31、线 异步电动机转差率变化的动态过程 异步电动机转差率变化的静态特性,101,异步电动机组的转子运动方程,异步电动机的转子运动方程：,异步电动机的转差率：,转差率表示的转子运动方程：,机械负载转矩：,标幺值,(6-48),(6-49),(6-50),(6-51),a：与转速无关部分所占比例； ：与转速有关的指数； K：实际负荷与额定负荷的比值。,102,异步电动机的简化等值电路,可转换为机械功率的电磁功率,(6-52),图6-23(b),变化阻抗,103,异步电动机电磁转矩-转差率特性曲线,(6-53),忽略rs：,图 6-24,104,异步电动机转差率变化的动态过程,考虑转矩不平衡产生的动态过程：扰动作用，电压突然减小，转差不能突变，电磁转矩减小，运行点从a0到a1。机械转矩不变，Mm大于ME，s增大，运行点从a1运行到a2 达到新的平衡。 s从s0运行到s2 ，可由(6-50)、 (6-51)和(6-53)求解出s随时间的变化值，从而得到电动机等值阻抗的变化。,机械转矩,电磁转矩,105,异步电动机转差率变化的静态特性,假设转矩始终平衡，不考虑动态过程：电压变化，运行点直接从一个平衡点a0到另一个平衡点a2。由此根据不同电压计算得到不同转差率、不同等值阻抗和