第10章電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性夏世威華北電力大學2016-06-03電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性基本概念同步機的轉子運動方程簡單電力系統(tǒng)的靜穩(wěn)定簡單電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要意義單獨運行的發(fā)電廠和規(guī)模不大的電力系統(tǒng)通常沒有穩(wěn)定問題。電力系統(tǒng)規(guī)模越大，運行穩(wěn)定性的問題就越明顯，含有遠距離輸電環(huán)節(jié)的大電力系統(tǒng)往往都有突出的穩(wěn)定問題。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞是危害很嚴重的事故，會造成大面積停電。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題分類靜態(tài)穩(wěn)定

小擾動、狀態(tài)量偏移小、線性化暫態(tài)穩(wěn)定

大擾動、狀態(tài)量偏移大、不允許線性化動態(tài)穩(wěn)定時間長、計及調(diào)節(jié)裝置和控制裝置的作用電力系統(tǒng)的大停電事故（我國）1972年湖北電網(wǎng)大面積停電事故1972年浙江電網(wǎng)瓦解事故1974年陜西電網(wǎng)振蕩事故1979年水豐廠靜穩(wěn)破壞事故1980年安徽電網(wǎng)大面積停電事故1982年華中電網(wǎng)穩(wěn)定破壞事故1983年華東電網(wǎng)解列事故1990年廣東電網(wǎng)大停電事故1996年北京部分電網(wǎng)穩(wěn)定事故電力系統(tǒng)的大停電事故（國外）1965年美國東部大停電事故1977年紐約大停電事故1978年法國大停電事故1982年加拿大魁北克系統(tǒng)大停電事故1983年瑞典電力系統(tǒng)停電事故1987年東京電力系統(tǒng)大停電事故1989年加拿大魁北克系統(tǒng)大停電事故2003.8.14美加大停電大停電事故的經(jīng)驗教訓電網(wǎng)結構要合理具備合適可靠的繼電保護和安全自動裝置無功電源和電壓控制防止負荷大量轉移引起的惡性連鎖反應建立好最后一道防線，防止長時間大面積停電和對最重要用戶的破壞性停電電力系統(tǒng)安全的三道防線第一道防線：繼電保護第二道防線：故障錄波第三道防線：設置解列點防止系統(tǒng)失穩(wěn)的措施規(guī)劃（幾十年，幾年）電源，線路，配電運行規(guī)劃（年度，季度，周，天）檢修安排，緊急檢修在線/實時運行安全監(jiān)視，預防控制，校正控制同步發(fā)電機轉子運動方程根據(jù)力學定律，同步發(fā)電機轉子的機械角加速度與作用再轉子軸上的轉矩之間的關系為：原動機的機械轉矩發(fā)電機的電磁轉矩作用在轉子軸上的凈加速轉矩機組轉子的轉動慣量轉子機械角速度同步發(fā)電機轉子運動方程由機械角速度、電角速度和電角度的關系最終可以得到如下的發(fā)電機轉子運動方程：電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的極限功率簡單電力系統(tǒng)的靜穩(wěn)定電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的概念發(fā)電機組在遭受微小干擾后能自動恢復到原來運行狀態(tài)（或相近狀態(tài)）的能力。簡單電力系統(tǒng)的定義發(fā)電機通過變壓器和輸電線，把功率送到受端系統(tǒng)的母線。并且首端系統(tǒng)的容量很大，以致可以認為任意改變發(fā)電機的輸出功率，都不會改變首端電壓U的大小和相位。也稱這樣的系統(tǒng)為單機無窮大母線系統(tǒng)。靜態(tài)穩(wěn)定起因：系統(tǒng)受到小的干擾，例如負荷的隨機漲落、汽輪機蒸汽壓力的波動、發(fā)電機端電壓發(fā)生小的偏移，等等。過程：系統(tǒng)將會偏離平衡點。結果：如果這種偏離很小，小干擾消失后，系統(tǒng)又重新恢復平衡，則稱系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的。特點：系統(tǒng)的狀態(tài)變量偏離很小，從而允許把描述系統(tǒng)的狀態(tài)方程線性化。單機—無窮大母線系統(tǒng)xL/2

T1T2LGUEq

xd

xT1

xT2U“無窮大容量母線”-----母線上接有“無限大容量電源”，即z=0、U=定值，以致與之相聯(lián)的母線電壓大小恒定外，還體現(xiàn)在慣性時間常數(shù)為無限大，以致使轉子的轉速恒為同步轉速，E或U的交變頻率恒等于同步頻率。單機—無窮大母線系統(tǒng)的相量圖

IX∑cosφ＝Eqsinδ

Eq—發(fā)電機空載電勢

δ—發(fā)電機空載電勢與受端母線電壓之間的相位角

發(fā)電機的功角特性由于故電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的極限功率當Eq、U、X∑恒定不變時，發(fā)電機的輸出功率是功角δ的正弦函數(shù)。當δ＝90°時輸出功率最大Pmax稱為極限輸出功率，或稱功率極限

電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的極限功率電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定實用判據(jù)當a點的功角小于90°，P和δ的增量具有相同符號時，即當b點的功角小于90°，P和δ的增量具有不同符號時，即系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定

系統(tǒng)靜態(tài)不穩(wěn)定

電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定實用判據(jù)臨界點系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定

系統(tǒng)靜態(tài)不穩(wěn)定

這一點正好是功率極值點

電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定實用判據(jù)電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的實用判據(jù)是系統(tǒng)保持靜態(tài)穩(wěn)定的充分必要條件，也是電力系統(tǒng)靜穩(wěn)定的實用判據(jù)。

比整步功率定義比整步功率的大小代表發(fā)電機與受端系統(tǒng)同步運行的能力。當δ越接近90°，發(fā)電機輸出功率越大，同步功率減小，穩(wěn)定程度降低。

-----比整步功率（同步功率）靜穩(wěn)定儲備系數(shù)Kp大對靜穩(wěn)有利，但輸出功率受限制；Kp小靜穩(wěn)定程度低，但可輸出較多功率。運行規(guī)程規(guī)定：正常運行時，Kp≥15%～20%；故障時，Kp≥5%～10%。提高靜態(tài)穩(wěn)定的措施提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，主要在于提高Pmax。若要提高Pmax，可通過提高Eq、U，降低X∑

來實現(xiàn)。提高系統(tǒng)電壓U提高系統(tǒng)的運行電壓水平。在系統(tǒng)中裝設足夠的無功電源，如在遠距離輸電線路的中途裝設調(diào)相機或者在負荷中心裝設調(diào)相機、靜止補償器等補償裝置。提高輸電電壓等級。要大幅度提高靜態(tài)穩(wěn)定功率極限，應通過合理選用高一級的輸電線路額定電壓。提高發(fā)電機空載電勢Eq無自動勵磁調(diào)節(jié)器作用時當δ增大時，由于發(fā)電機輸出功率增大，而發(fā)電機勵磁電流不變，引起發(fā)電機端電壓下降。有自動勵磁調(diào)節(jié)器作用時負荷增大或端電壓下降時，勵磁裝置中的測量元件測出ΔI、ΔU，增加發(fā)電機的勵磁電流，提高發(fā)電機電勢，使發(fā)電機端電壓維持不變（或變化很小）。由于發(fā)電機空載電勢的增大，功角特性曲線轉移。減少系統(tǒng)電抗X∑減小輸電線路電抗。如緊湊型輸電線路、分裂導線；串聯(lián)補償，串聯(lián)補償?shù)难a償度愈大，對靜穩(wěn)愈有利，但易產(chǎn)生“次同步振蕩”或“自勵磁”現(xiàn)象，在離電源較近處電容器后方，輸電線路發(fā)生短路時，短路電流可能會大于發(fā)電機端部短路時的短路電流。串聯(lián)補償?shù)难a償度一般不大于0.5。提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的主要措施采用自動勵磁調(diào)節(jié)裝置；采用分裂導線；提高線路的額定電壓等級；改善系統(tǒng)結構、減小電氣距離；采用串聯(lián)補償設備；采用并聯(lián)補償設備。簡單電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定暫態(tài)穩(wěn)定的定義：電力系統(tǒng)受到大的干擾后，經(jīng)過暫態(tài)過程，達到新的（或恢復到原來的）穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。對定義的詳細剖析：大干擾：一般指短路故障、突然斷開線路或發(fā)電機。不能保持暫態(tài)穩(wěn)定：受到大干擾后，各發(fā)電機組轉子之間一直有相對運動，相對角不斷變化，因而系統(tǒng)的功率、電流和電壓都不斷振蕩。影響因素：系統(tǒng)原來的運行情況；干擾的方式暫態(tài)穩(wěn)定條件：正常運行的電力系統(tǒng)承受一定大小擾動過程：1）這種擾動消失之后，恢復到近似它原有的運行狀況的能力；2）擾動不消失，但系統(tǒng)可能從原有的運行狀況安全地過渡到新的運行狀況的可能。結果：系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)特點：研究暫態(tài)穩(wěn)定性時需要對系統(tǒng)做些合理假設暫態(tài)穩(wěn)定的基本假設假定系統(tǒng)頻率不變，保持同步速，即系統(tǒng)中ω＝ω0；忽略零序電流和負序電流的作用；假定發(fā)電機暫態(tài)電抗xd’后的電勢E’恒定；假定原動機輸出功率不發(fā)生變化。系統(tǒng)受到大干擾時第一階段正常運行

第二階段

故障發(fā)生第三階段切除故障線路

故障前后的功角特性與搖擺曲線δ0

δh

δc

δm

δh

δ0δcδhδP

PT

P

PT

δ

δm

δk

δ0

tδ

δ

tδ0

發(fā)電機轉子角運動過程

P

PT

δ

δ0

δh

δc

δm

δh

a

b

c

d

efghki故障前后功角特性的分析分析結果：若δm≤δh則系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定第一個搖擺周期的最大搖擺角臨界搖擺角等面積定則等面積定則是判斷單擊無窮大系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一種定量方法，計算簡便，并且有明確的物理意義，十分有助于對暫態(tài)穩(wěn)定過程機理的理解和分析。基本思路：將發(fā)電機公角特性曲線與原動機輸出功率曲線之間所包圍的面積與發(fā)電機所獲得或釋放的能量聯(lián)系起來，從而得到發(fā)電機轉子角搖擺的最大值，并可據(jù)此判斷發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定性。故障發(fā)生后發(fā)電機的轉子運動方程：同時在b點到c點的區(qū)間對轉子角積分：abcd所包圍的面積從a點轉移到c點的過程中，轉子動能的增加故障線路切除后類似的，可以得到故障切除后轉子在減速過程中動能的減少量：defg所包圍的面積轉子變化到極值點時的動能的減少量等面積定則綜合考慮加速和減速過程，轉子在減速過程中動能的減少正好等于加速過程中動能的增加，即：暫態(tài)穩(wěn)定等面積定則

P

PT

δ

δ0

δh

δc

δm

δh

a

b

c

d

efghki加速面積為a-b-c-d-a所圍成的面積，等于加速過程中增加的動能減速面積為d-e-f-g-d所圍成的面積，等于減速過程中動能的減少簡單系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)根據(jù)能量轉換的觀點當加速面積等于減速面積時，角速度等于同步電角速度。最大可能的減速面積為d-e-h-d所圍成的面積。暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)：若加速面積小于等于最大可能的減速面積，則系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。按照等面積，當加速面積等于最大可能減速面積時，可求出極限切除角，只要故障切除角小于極限切除角，系統(tǒng)就不會失去穩(wěn)定。自動重合閘自動重合閘系統(tǒng)在P1曲線上a點發(fā)生故障，跳變至P2曲線上的b點運行，在c點將故障線路切除，運行點跳變至P3曲線上的e點，加速面積為S1。當由于故障的快速切除，使得在自動重合閘之前，系統(tǒng)故障已經(jīng)被切除，因此在r點自動重合閘，系統(tǒng)運行點跳變至曲線P1，在達到f點時，發(fā)電機轉子角達到最大角，轉速恢復同步速，減速面積為S2+S3+S4?？梢钥闯?，由于自動重合閘成功，減速面積明顯增大，即增加的S4，增強了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。由于自動重合閘的成功率在90％以上，因此加裝自動重合閘裝置有利于系統(tǒng)恢復穩(wěn)定。提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施主要依靠縮小加速面積，增大減速面積，即減少擾動量縮短擾動時間。采用強行勵磁等措施來增大系統(tǒng)承受外部擾動的能力。利用快速繼電保護和快速動作的斷路器快速切除故障。采用自動重合閘減小原動機功率：改善調(diào)速系統(tǒng)的特性；快關汽門；機械制動；切除部分機組；采用電氣制動；采用串聯(lián)電容器強行補償；在長距離輸電線路的中途設置中間開關站。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的主要措施故障的快速切除和自動重合閘裝置的應用；發(fā)電機采用快速強行勵磁裝置；采用電氣制動；變壓器中性點經(jīng)小電阻接地；通過快關和切機減小原動機出力；高壓直流（HVDC）輸電聯(lián)絡線的控制。提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施主要依靠縮小加速面積，增大減速面積，即減少擾動量縮短擾動時間有關電力系統(tǒng)穩(wěn)定的一些說法穩(wěn)定性問題歸結為研究當系統(tǒng)遭受外擾而破壞平衡狀態(tài)后的運行規(guī)律，從而判斷電力系統(tǒng)是否可能失去穩(wěn)定，以及研究提高穩(wěn)定性的措施等。電力系統(tǒng)中并聯(lián)運行的發(fā)電機保持同步是電力系統(tǒng)正常運行的一個基本條件。電力系統(tǒng)的運行正是功率平衡不斷被打破，同時又不斷恢復的過程。研究電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性實際上是分析同步發(fā)電機轉子間相對運行狀態(tài)對干擾的響應，即由δ=f（t）來描述轉子相對運動的變化過程和變化結局，進而判斷系統(tǒng)受擾后是否為穩(wěn)定。保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基本條件理想的電網(wǎng)結構合理的電網(wǎng)結構合理的電源負荷分布預想事故分析對預想事故集的分析以及對預想事故的處理和備用投入有預防措施防止出現(xiàn)惡性連鎖反應縮小事故范圍并使系統(tǒng)盡快恢復正常電力系統(tǒng)穩(wěn)定的主要指標功率角是判斷電力系統(tǒng)穩(wěn)定的主要指標。決定功角變化的則是機組轉子軸上的不平衡轉矩，或與之對應的不平衡功率，也就是機組機械功率和電磁功率的差值。在分析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性前，對發(fā)電機電磁功率與功率角的關系，即所謂的發(fā)電機的功-角特性作進一步研究。作業(yè)1、什么是電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性問題？2、電力系統(tǒng)功率極限與什么有關？3、靜態(tài)穩(wěn)定性的實用判據(jù)是