第六章电力系统稳定概述.ppt

电力系统稳定性问题概述和各元件机电特性,Dr.TangYitangyi,第一节概述,发电机转速保持同步,,系统稳定,发电机转速不同步,,系统不稳定,发电机转速,,,,转子上的转矩,原动机提供的机械转矩,发电机提供的电磁转矩,原动机提供的机械转矩,发电机提供的电磁转矩,,平衡,,转子维持同步转速,,转子加速或减速,原动机的机械转矩是由发电厂动力部分的运行状态决定的,发电机的电磁转矩是由发电机及其联接的电力系统中的运行状态决定的,干扰,,运行状态改变,,转子上的转矩不平衡,,转速变化,,实际系统中的小扰动和大扰动都很常见,,要求,系统受到各种扰动后，发电机组经过一段过程的运动变化仍能恢复同步运行，则系统仍是稳定的。,,,,电力系统安全稳定导则,1、保证电力系统安全稳定运行的基本要求；2、电力系统的安全稳定标准；3、电力系统安全稳定计算分析；4、电力系统安全稳定工作的管理。,1、保证电力系统安全稳定运行的基本要求,1.1总体要求1.2电网结构1.3无功平衡及补偿1.4对机网协调及厂网协调的要求1.5防止电力系统崩溃1.6电力系统全停后的恢复,1.1总体要求,A为保证电力系统运行的稳定性，维持电网频率、电压的正常水平，系统应有足够的静态稳定储备和有功、无功备用容量。备用容量应分配合理，并有必要的调节手段。在正常负荷波动和调整有功、无功潮流时，均不应发生自发振荡。B合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的基础。C正常运行方式下，系统中任一元件发生单一故障时，不应导致主系统非同步运行，不应发生频率和电压崩溃。,1.1总体要求,D在事故后经调整的运行方式下，系统仍应有规定的静态稳定储备，并满足再次发生单一元件故障后的暂态稳定和其它元件不超过规定事故过负荷能力的要求。E电力系统发生稳定破坏时，必须有预定的措施，以防止事故范围扩大，减少事故损失。F低一级电网中的任何元件发生各种类型的单一故障均不得影响高一级电压电网的稳态运行。,电力系统稳定,,,静态稳定,暂态稳定,,电力系统在某个运行状态下，突然受到任意的小干扰后，能恢复到原来运行状态的能力。,电力系统在某个运行状态下，突然受到大干扰后能够过渡到新的稳态运行状态的能力。,,了解系统中各类旋转电机及其调节系统的机电动态特性,,电力系统的机电暂态过程,,同步发电机组的机电特性,,自动调节系统的作用原理和数学模型,,异步电动机的机电特性,,综合负荷特性,假设受端系统容量相对于发电机来说很大，则发电机输送任何功率时，受端母线电压的幅值和频率均不变（即无限大容量母线）。,根据等值电路画出正常运行情况下的相量图,根据等值电路画出正常运行情况下的相量图,,,,,,,,,,,便得,两端同时乘以，计及发电机输出功率,当发电机电势Eq和受端电压V均为恒定时，传输功率Pe是角度的正弦函数。,由相量图知,为和之间的相位角。因为传输功率的大小与相位角密切相关，因此又称为“功角”或“功率角”。传输功率与功角的关系称为“功角特性”或“功率特性”,,,,功角的讨论,功角在电力系统稳定问题的研究中占有特别重要的地位。它除了表示电势和电压之间的相位差（即系统的电磁关系）外，还表明了各发电机转子之间的相对空间位置（称为“位置角”）。,功角随时间的变化描述了各发电机转子间的相对运动，而发电机转子间的相对运动性质，恰好是判断各发电机之间是否同步运行的依据。,功角因此具有电气量和机械量的双重身份,功角的讨论,,,正常运行时，发电机输出的电磁功率为PEP0.此时，发电机转子上作用着两个转矩一个是原动机的转矩（PT），它推动转子旋转；一个是与发电机输出的电磁功率对应的电磁转矩，它制止转子旋转。在正常情况下，两者相互平衡，即PTPEP0,因而发电机以恒定速度旋转，且与受端系统的发电机的转速相同（指电角度），即两者同步运行，功角保持不变。,功角的讨论,,,设想把送端发电机和受端系统发电机的转子移到一处，则功角就是两个转子轴线间用电角度表示的相对空间位置角。因为两个发电机电角度相同，所以相对位置保持不变。,如果增大送端发电机的原动机的功率，使PT1P0时，则发电机转子上的转矩平衡便受到破坏。由于原动机功率大于发电机的电磁功率，所以发电机转子便加速使其转速高于受端系统发电机的转速，因而发电机转子间的相对空间位置便要发生变化，功角增大。当功角增大后，发电机输出的电磁功率也增大，直至PEP0PT1为止。此时，作用在送端发电机转子上的转矩再次达到平衡，送端发电机的转速又恢复到与受端的相同，保持同步运行，功角也增加直至不变。系统在新情况下稳定运行。,,,,在a点运行时，假定受微小扰动，运行点变动到点,产生正的电磁功率增量,原动机功率保持,转子上产生制动性的不平衡转矩，发电机转速开始下降，功角减小。经衰减振荡后，发电机恢复到原来运行点a。,,,,,a,a’,如果扰动后，产生负的电磁功率增量，是否稳定,,,,,,,,a,a’,若受扰动产生一个负的角度增量,则电磁功率增量,也为负,发电机将受加速性的不平衡转矩作用而恢复到点a运行。,所以在点a的运行是稳定的。,,,在a点运行小扰动后功角的变化,,,,,,b,,,在b点运行，,正的角度增量,电磁功率减小而产生负的电磁功率增量,于是，转子在加速性不平衡转矩作用下开始升速，使功角增大。,随着功角增大，电磁功率继续减小，发电机转速继续增加。这样送端和受端的发电机便不能继续保持同步运行，即失去了稳定。,在b点运行是否稳定,,,,,,b,,,在b点运行，,若受扰而获得负的角度增量,则将产生正的电磁功率,发电机将由b点过渡到a点,所以，点b运行是不稳定的。,在b点运行小扰动后功角的变化,静态稳定的初步概念,所谓静态稳定，就是电力系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复到它原来的运行状态的能力。,对于简单电力系统，要具有运行的静态稳定性，必须运行到功率特性的上升部分。,在这部分，电磁功率增量和角度增量总是具有相同的符号。而在功率特性下降部分，两者总具有相反的符号。,静态稳定的初步概念,所谓静态稳定，就是电力系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复到它原来的运行状态的能力。,静稳判据,写成极限形式,暂态稳定的初步概念,电力系统具有静态稳定性是稳定运行的必要条件。但是当电力系统受到大的扰动（短路、切除输电线路等）时，是否能够保持稳定性的问题是暂态稳定研究的内容。,讨论简单电力系统突然切除一回输电线路的情况,正常运行时，系统的总电抗,功率特性为,切除一回线路后，系统总电抗,相应的功率特性为,显然,不考虑发电机的电磁暂态过程和励磁调节作用，假定保持不变，可得功率特性曲线如图,达到c点处，转矩平衡，由于转子的惯性，功角将继续增大而越过点c。之后，当功角继续增大时，，发电机开始减速，开始减小并在d点达到零值。,正常运行状态点a，,切除线路瞬间运行于点b,原动机保持，则，发电机加速。于是送、受端出现正的相对速度功角开始增大。发电机工作点由b向c点变动。,,,,,,,,,不考虑发电机的电磁暂态过程和励磁调节作用，假定保持不变，可得功率特性曲线如图,,,,,,,,,于是发电机转速开始小于受端发电机转速，,在d点，，送、受端恢复同步，功角不再增大并抵达它的最大值。此刻电磁功率仍大于原动机功率，发电机继续减速。,功角开始减小，工作点向c点移动。由于惯性将越过c点而在b点附近再次为零，功角不再减小而达到最小值。以后功角又开始增大。由于各种损耗，功角变化将是一种减幅振荡。,最后在点c处，同时达到和，建立了新的稳定运行,,也可能是另外一种过程和结局,,,,,,,,,,从点c开始，转子减速，相对速度减小。因为，所以功角仍增大。如果还未降到零时，功角已达到临界角（对应点），则因为，故功角将继续增大而越过点，因而转子上的不平衡转矩又变成加速性了。于是又开始增加，功角将继续增大，使发电机与受端系统失去同步，破坏了电力系统的稳定运行。,暂态稳定的初步概念,电力系统具有暂态稳定性，一般是指电力系统在正常运行时，受到一个大的扰动后，能从原来的运行状态（平衡点），不失去同步地过渡到新的运行状态，并在新的运行状态下稳定地运行。,负荷稳定的概念,电力系统的负荷中，电动机负荷又占主要成分。其中，除一部分同步电动机之外，大部分为异步电动机。对于同步电动机负荷，与同步发电机一样存在受扰动后能否继续保持同步运行的稳定性问题。对于异步电动机负荷，由于异步电动机也是一种旋转电机，同样存在与转矩平衡有关的运行稳定性问题。有这样一些情况当负荷点的运行电压过低或异步电动机的机械负荷过重时，异步电动机会迅速减速以致停转，从而破坏了负荷的正常运行。停转时，异步电动机吸收的有功功率变得很小，使系统中发电机输出功率变化从而引起发电机转子间的相对运动，有时可能导致发电机之间失去同步。,以负荷为异步电动机为例,由图可见，有两个平衡点a、b。,在a点，受扰动后，转差产生增量,转子上产生加速性不平衡转矩,（或用功率表示为）,使电动机转速增大，转差减小，最终恢复到点a运行。,如扰动产生负的，运行点也将回到点a。,所以在点a的运行是稳定的，在点b的运行是不稳定的。,负荷稳定性,负荷在正常运行中受到扰动后能保持在某以恒定转差下继续运行的能力。,负荷静态稳定判据,用功率形式表示,在b点，受扰产生正的后，由图可见，，电动机转速将下降，转差继续增大，直至电动机停转。,电压稳定性的概念,返,发电厂经过一定距离的输电线向负荷中心供电的系统中，当电源电压和网络结构不变时，负荷节点的电压会随着负荷功率的增加而缓慢下降，当负荷功率增加到一定限值时，节点电压将发生不可控制的急剧下降，这就是所谓的“电压崩溃”现象。,电压失稳主要同负荷的动态特性有关,负荷节点静态电压稳定判据,,,负荷节点电压的下降总可以换取网络送达功率的增加系统稳定,电压的降低将导致功率的减少系统不稳定,第二节同步发电机组的机电特性,同步发电机组转子运动方程根据旋转物体的力学定律，同步发电机组转子的机械角加速度与作用在转子轴上的不平衡转矩之间有如下关系,,,转子机械角加速度,,,转子机械角速度,第二节同步发电机组的机电特性,同步发电机组转子运动方程根据旋转物体的力学定律，同步发电机组转子的机械角加速度与作用在转子轴上的不平衡转矩之间有如下关系,,,转子的转动惯量,,,作用在转子轴上的不平衡转矩,当转子以额定转速（同步转速）旋转时，其动能为,,转子在额定转速时的动能,当转子以额定转速（同步转速）旋转时，其动能为,,,代入,,,采用标幺值，两端同时除以基准值MB（）,则得,由于机械角速度和电角速度存在下列关系,p为同步发电机转子的极对数,,,同步电角速度,,改写,发电机组的惯性时间常数,,代入,可得,考虑到发电机组的惯性较大，一般机械角速度的变化不是很大，所以可近似认为转矩的标幺值等于功率的标幺值，即,,表明了电的或机械的角加速度和转子上不平衡转矩或功率的关系。在稳态运行时机械转矩或功率和发电机的电磁转矩或输出的电磁功率相等。,二、发电机的电磁转矩和功率,发电机电磁转矩的公式,可表示发电机处于任意暂态过程时的电磁转矩,如何分析同步发电机受到干扰后的机电暂态过程呢,分析同步发电机受到干扰后的机电暂态过程,,转子运动方程式,同步电机回路基本方程,,分析计算短路电流,分析稳定问题时,,忽略,忽略,简化包括两个方面,（1）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转矩或功率，忽略暂态过程中定子电流的其它分量产生的转矩或功率。也就是忽略定子的暂态过程。,（2）对于发电机励磁系统暂态过程的不同简化，将影响发电机等值电动势的取值。,讨论同步发电机在以下几个假设条件下的电磁功率,1）略去发电机定子绕组电阻；2）设机组转速接近同步转速；3）不计定子绕组中的电磁暂态过程；4）发电机的某个电动势为恒定，如空载电动势或暂态电动势甚至端电压。,简单系统中发电机的功率,多机系统中发电机的功率,简单系统中发电机的功率,隐极同步发电机的功角特性,凸极式发电机的功角特性,,,,,以空载电动势和同步电抗表示发电机,以暂态电动势和暂态电抗表示发电机,,发电机端电压为常数,简单系统中发电机的功率,隐极同步发电机的功角特性,凸极式发电机的功角特性,,,,,以空载电动势和同步电抗表示发电机,以暂态电动势和暂态电抗表示发电机,发电机端电压为常数,,简单系统中发电机的功率,隐极同步发电机的功角特性,凸极式发电机的功角特性,,,,,以空载电动势和同步电抗表示发电机,以暂态电动势和暂态电抗表示发电机,,发电机端电压为常数,以空载电动势和同步电抗表示发电机,代入有功功率的表达式,得到以空载电动势时表示的功率表达式为,Eq为常数时隐极机的功角关系式,Eq为常数时隐极机的功角图,,,,,该图为简单系统中的隐极发电机，在Eq为常数情况下的有功功率和功角的关系曲线，此曲线为一正弦曲线，最大值为顶点值，也是该种情况下的功率极限。,简单系统中发电机的功率,隐极同步发电机的功角特性,凸极式发电机的功角特性,,,,,以空载电动势和同步电抗表示发电机,以暂态电动势和暂态电抗表示发电机,,发电机端电压为常数,以暂态电动势和暂态电抗表示发电机,由图6-3可得,代入有功功率的表达式,暂态电动势为常数时隐极发电机的有功功率的功角特性图,,,,,,发电机的电磁功率也仅是功角的函数。,由于暂态电抗和同步电抗不相等，出现一个按两倍功角正弦变化的功率分量，称为暂态磁阻功率。由于它的存在，功角特性曲线发生畸变，使功率极限略有增加，并且极限值出现在功角大于九十度处。,近似工程计算中对上式作进一步简化,1、用电动势代替；,2、用角度代替；,讨论,简单系统中发电机的功率,隐极同步发电机的功角特性,凸极式发电机的功角特性,,,,,以空载电动势和同步电抗表示发电机,以暂态电动势和暂态电抗表示发电机,,发电机端电压为常数,发电机端电压为常数,由隐极机相量图可直接写出发电机的功率为,,,发电机端与无限大母线间电抗,类似可得,简单系统中发电机的功率,隐极同步发电机的功角特性,凸极式发电机的功角特性,,,,,以空载电动势和同步电抗表示发电机,以暂态电动势和暂态电抗表示发电机,发电机端电压为常数,,1以空载电动势和同步电抗表示发电机,,代入,,（2）以暂态电动势和暂态电抗表示发电机,,,,,,3发电机端电压为常数的功率表达式,空载电动势为常数时的功率表达式为,暂态电动势为常数时的功率表达式为,近似计算,发电机端电压为常数时的功率表达式,以空载电动势和同步电抗表示发电机,以暂态电动势和暂态电抗表示发电机,发电机端电压为常数的功率表达式,多机系统的发电机功率,若系统中有多台发电机，近似地将发电机以一等值电抗和电动势来表示，负荷用恒定阻抗等值，则每台发电机的功率有简明表达式。（1）多机系统的发电机功率（2）两机系统的功率特性,（1）多机系统的发电机功率,若网络有N个节点，其中G个节点上接有发电机，则在G个节点上应接入个发电机的等值电抗和电动势。用恒定导纳表示负荷节点,UD潮流计算所得该负荷节点的电压模值,PD、QD潮流计算所得该负荷节点所吸收的有功、无功功率,接入发电机和负荷等值电路后的网络模型,发电机发出的功率是什么,讨论发电机发出的功率与什么因素有关,为和之间的夹角；,任一发电机发出功率是该发电机电动势相对于其他发电机电动势相量的相角差的函数。,在系统含有两台以上发电机时，就无法作出发电机的功角特性曲线。,（2）两机系统的功率特性,,功率特性曲线,两机系统的功角特性,单机与无限大系统相连,若发电机经与无限大系统母线相连，则,,若单机通过阻抗回路与无穷大系统相连,发电机电动势处功率为,发电机向无限大系统输送的功率为,两者之差是,即为电阻r消耗的功率,例题6-3,,作业,简单电力系统的接线如图所示，试作输送到无限大容量母线处的功角特性曲线。1设发电机为隐极机，Xd1.8;2设发电机为凸极机，Xd1.8,Xq1.1。,,,