电力系统运行的稳定性分析.ppt

第七章电力系统运行的稳定性分析,机电暂态分析,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δ密切相关，称δ为“功角”或“功率角”。,δ,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。,。,功角稳定问题的原因转矩不平衡正常运行时MeMm受到干扰时Me≠Mm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不能正常工作，这种情况称为系统不稳定。,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，系统的状态变量的变化很小，因此状态方程可以线形化。,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,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运动方程和功角特性的表达式,一．转子运动方程,J转动惯量；α角加速度；rad/s2Ω机械角速度；rad/s）△M不平衡转矩MTME,额定转速下的转子动能,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,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的时间。,将机械角速度Ω转换成电气角速度ω，,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,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,定义,Eq发电机空载电势。δ电势与无穷大系统电压夹角。φ功率因素角。,,,,,,,,,,,δ,U,功-角特性方程的推导,由相量图得,,,发电机功角特性方程,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。,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。,简化条件发电机为隐极机,不计及自动调节系统PTconst，Eqconst,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∑xdxT1xLxT2,,PEP0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,扰动使a→a→δ↑δΔδ,PEaP0→ΔPaPT-PEaP0→ΔPa“PT-PEa“0→ΔM0→加速→δ↑→a“→a,a点扰动过程分析,稳态时,扰动使b→b→δ↑δΔδ,PEb0→ΔM0→加速→δ↑→不再回到b点→非周期失步b→b“→δ↓（δ-Δδ），PEb“P0→ΔPb“PT-PEb“PE,加速，ω上升，δ增大b→cω上升，δ增大ωω0,动能增加c→e故障切除PTω0，δ继续增大e→f动能释放减速，当ωfω0，动能释放完毕，δm角达最大f→kPTPE,减速δ减小,经振荡后稳定于平衡点k,,,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,,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ｋ，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,暂态稳定分析理论方法,四、等面积定则,A表示过剩转矩所作的功，也表示在加速期间转子所储存的动能，即为图中abcd所包围的面积，称之为加速面积。A-表示制动转矩所作的功，也代表在减速期间转子所消耗的动能，即为图中defg所包围的面积，称之为减速面积。当加速面积和减速面积相等时，转子角速度恢复到同步速，系统才能保持暂态稳定，称为等面积定则。即AA-,极限切除角度δcm,当最大可能的A减小于A加时，如果减小δc，则可以使A加减小，同时A减增大，这就有可能使原来不能保持暂态稳定的系统变成能保持暂态稳定的系统。如果在某一切除角时，最大可能的A减等于A加时，则系统处于稳定的极限情况，大于这个角度切除故障，系统将失去稳定，这个角度成为极限切除角δcm。,当加速面积与允许的减速面积相等时，,,,,,极限切除角度的求取,注意角度均用弧度表示，,式中分别表示a点和h点对应的转子角度。,,,,暂态稳定判据,暂态稳定判据2实际加速面积180，系统不能保持暂态稳定。,五、δ-t曲线的计算（微分方程数值解法）,转子运动方程为,初始条件,计算目的由摇摆曲线可判断发电机是否稳定。为继电保护和断路器提供极限切除时间。（计算极限切除角所对应的切除时间）,（略）,六提高暂态稳定性的措施,1、故障的快速切除和自动重合闸装置的应用这是两种常常配合在一起使用的借减少功率差额来提高暂态稳定性的措施，经济而有效。快速切除故障对于提高系统的暂态稳定性有决定性的作用。电力系统的故障特别是高压输电线路的故障大多数是短路故障，而这些短路故障大多数又是暂时性的。,原则减小不平衡功率，增大减速面积，减小加速面积,2、提高发电机输出的电磁功率1对发电机施行强行励2）电气制动3）变压器中性点经小电阻接地,3、减少原动机输出的机械功率1）快速关气门2）切机（图b）,