電力系統(tǒng)分析(上)第十五章+電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性基本概念

華南理工大學(xué)電力學(xué)院林舜江linshj@第十五章電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性

的基本概念主要內(nèi)容15-1概述15-2功角的概念15-3靜態(tài)穩(wěn)定的初步概念15-4暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念15-5負(fù)荷穩(wěn)定的概念15-6電壓穩(wěn)定性的概念15-7發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運動方程穩(wěn)定運行狀態(tài)同步運行狀態(tài)是指所有并聯(lián)運行的同步發(fā)電機(jī)都有相同的電角速度。在這種情況下，表征系統(tǒng)運行狀態(tài)的參數(shù)具有接近于不變的數(shù)值，通常稱此種情況為穩(wěn)定運行狀態(tài)。電力系統(tǒng)正常運行的一個重要標(biāo)志，乃是系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)處于同步運行狀態(tài)。電力系統(tǒng)不穩(wěn)定性的現(xiàn)象同步不穩(wěn)定性的現(xiàn)象：電力系統(tǒng)受到擾動后,出現(xiàn)電流、電壓、功率等運行參數(shù)劇烈變化和振蕩的現(xiàn)象，這表明系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)之間失去了同步。電壓不穩(wěn)定性的現(xiàn)象：當(dāng)系統(tǒng)向負(fù)荷中心大量傳送功率時，隨著傳送功率的增加,負(fù)荷端的電壓將會逐漸下降。在有些情況下，出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的電壓持續(xù)下降，或者電壓長期滯留在安全運行所不能允許的低水平上不能恢復(fù)，這表明系統(tǒng)發(fā)生了電壓失穩(wěn)。15-1概述1.

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概念：按干擾大小分類:小干擾下的穩(wěn)定性和大干擾下的穩(wěn)定性.

電力系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下，受到小的或大的擾動之后，經(jīng)過一定時間后，能否返回到原來穩(wěn)定運行狀態(tài)，或者過渡到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。如果可以則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)不穩(wěn)定。2.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類：按不穩(wěn)定現(xiàn)象分類:功角穩(wěn)定性電壓穩(wěn)定性頻率穩(wěn)定性

功角穩(wěn)定很早得到人們的重視，建立了一套較完備的分析理論與方法。電壓穩(wěn)定研究卻進(jìn)展緩慢。①電壓失穩(wěn)或崩潰造成大停電事故較晚；②對電壓穩(wěn)定機(jī)理認(rèn)識不夠，以及受許多難題制約，如：負(fù)荷模型、元件動態(tài)過程及相互影響。電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定運行狀態(tài)的后果電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，將造成大量用戶供電中斷，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)的瓦解，后果極為嚴(yán)重。切機(jī)切負(fù)荷解列15-2功角的概念簡單電力系統(tǒng)如圖示，考慮隱極發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)輸出功率為：傳輸功率與功角的關(guān)系Pe=f()稱為“功角特性”或“功率特性”，見圖。

為和之間的相位差角，因為傳輸功率大小與密切相關(guān)，又稱為功角。簡單電力系統(tǒng)及其等值電路簡單電力系統(tǒng)的相量圖發(fā)電機(jī)電勢到系統(tǒng)電壓的電抗為:功角特性

功角除了表示電勢和電壓之間的相位差角，還表示各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的相對空間位置。δ角隨時間的變化描述了各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對運動。而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對運動性質(zhì)，恰好是判斷各發(fā)電機(jī)之間是否同步運行的依據(jù)。功角特性15-3靜態(tài)穩(wěn)定的初步概念靜態(tài)穩(wěn)定性分析：初始狀態(tài)必須是平衡點。

發(fā)電機(jī)能夠恢復(fù)到a點運行，所以在a點運行是穩(wěn)定的。t靜態(tài)穩(wěn)定的概念小擾動后功角的變化a點運行1.在a點運行時，假定受微小擾動小擾動后功角的變化b點運行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷增加不能恢復(fù)到b點運行，所以在b點運行是不穩(wěn)定的。2.在

b點運行時，假定受微小擾動靜穩(wěn)判據(jù)：（在曲線上升的區(qū)間是穩(wěn)定的）電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性：電力系統(tǒng)在運行中受到微小擾動后，獨立地恢復(fù)到它原來的運行狀態(tài)的能力。PT=P0=constant15-4暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念研究系統(tǒng)受到大的擾動能否保持穩(wěn)定運行。討論簡單電力系統(tǒng)突然切除一回輸電線路的情況。正常運行時，系統(tǒng)的總電抗：功率特性為：切除一回線路后，系統(tǒng)總電抗：功率特性為：功率特性曲線如圖。顯然切除一回輸電線路功率特性暫態(tài)穩(wěn)定性分析：1.切除線路瞬間運行于點b原動機(jī)保持PT=P0

，則PT>Pe

，發(fā)電機(jī)加速。于是送、受端出現(xiàn)正的相對速度，功角開始增大。發(fā)電機(jī)工作點由b向c點變動。正常運行狀態(tài)點a，PT=Pe=P0(初始狀態(tài)必須是靜態(tài)穩(wěn)定點。)2.達(dá)到c點處，轉(zhuǎn)矩平衡，由于轉(zhuǎn)子的慣性，功角將繼續(xù)增大而越過點c。之后，當(dāng)功角繼續(xù)增大時，PT<Pe

，發(fā)電機(jī)開始減速，開始減小并在d點達(dá)到零值。由于<

，功角開始減小，工作點向c點移動。3.在d點，=

，送、受端恢復(fù)同步，功角不再增大并抵達(dá)它的最大值max

。此刻電磁功率仍大于原動機(jī)功率，發(fā)電機(jī)繼續(xù)減速，且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速開始小于受端發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.最終穩(wěn)定運行點為c點，穩(wěn)定運行功角為c。

以后功角在b點而在d點之間等幅振蕩?？紤]各種損耗，則功角變化是一種減幅振蕩。保持暫態(tài)穩(wěn)定

從點c開始，轉(zhuǎn)子減速。因為，功角仍增大。若未降到零時，功角已達(dá)到臨界角cr(c點)，功角將繼續(xù)增大而越過點c，轉(zhuǎn)子上的不平衡轉(zhuǎn)矩又變成加速性質(zhì)。于是又開始增加，功角將繼續(xù)增大，使發(fā)電機(jī)與受端系統(tǒng)失去同步，破壞了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。暫態(tài)不穩(wěn)定情況：失去暫態(tài)穩(wěn)定電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性：指電力系統(tǒng)在正常運行時，受到一個大的擾動后，能從原來的運行狀態(tài)(平衡點)，不失去同步地過渡到新的運行狀態(tài)，并在新的運行狀態(tài)下穩(wěn)定地運行。暫穩(wěn)判據(jù)：用功角隨時間變化的特性作為暫態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)。受端電壓和功率隨負(fù)荷阻抗變化的曲線15-6電壓穩(wěn)定性的概念電壓崩潰：發(fā)電廠經(jīng)過一定距離的輸電線向負(fù)荷中心供電的系統(tǒng)中，當(dāng)電源電壓和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變時，負(fù)荷節(jié)點的電壓會隨著負(fù)荷功率的增加而緩慢下降，當(dāng)負(fù)荷功率增加到一定限值時，節(jié)點電壓將發(fā)生不可控制的急劇下降現(xiàn)象。電壓失穩(wěn)還與負(fù)荷的靜態(tài)及動態(tài)特性有關(guān)負(fù)荷節(jié)點靜態(tài)電壓穩(wěn)定判據(jù)：負(fù)荷節(jié)點電壓的下降總可以換取網(wǎng)絡(luò)送達(dá)功率的增加—系統(tǒng)穩(wěn)定電壓的降低將導(dǎo)致功率的減少——系統(tǒng)不穩(wěn)定15-7發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運動方程一、轉(zhuǎn)子運動方程若不平衡轉(zhuǎn)矩為a，轉(zhuǎn)動慣量為J，轉(zhuǎn)子加速度為A，則以表示機(jī)械角位移，表示機(jī)械角速度，則加速度得轉(zhuǎn)子運動方程轉(zhuǎn)子運動方程改寫為電氣量表示的形式:以

表示電氣角度，表示電氣角速度，極對數(shù)為p，則=p

，=

p參考軸與角度二、用標(biāo)么值表示的轉(zhuǎn)子運動方程選轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值，上式兩邊除以便得定義于是定義轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子2倍動能除以基準(zhǔn)功率。寫成狀態(tài)方程形式觀察圖形寫出狀態(tài)方程(一般轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值省略下標(biāo)“*”)討論：轉(zhuǎn)速為N的轉(zhuǎn)子，動能表達(dá)式是什么？又能量與功率之比的量綱是什么？分析N/TJ的量綱？記住兩邊的量綱要對應(yīng)三、慣性時間常數(shù)的意義由定義知，慣性時間常數(shù)TJ是在額定轉(zhuǎn)速下的動能的兩倍除以基準(zhǔn)功率。選基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩MB=MN=SN/N則代入上式并將dt右移，兩邊積分得如果取MT*=1、Me*=0，則Ma*=1

于是得到TJN=額定慣性時間常數(shù)TJN

的物理意義：

在轉(zhuǎn)子加上額定轉(zhuǎn)矩MN

，使轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)啟動到額定轉(zhuǎn)速時所需的時間，就是發(fā)電機(jī)組的額定慣性時間常數(shù)TJN。(積分區(qū)間為=0~1，t=0~)取時間基準(zhǔn)值則轉(zhuǎn)子運動方程可寫為同步角速度是每秒走過的弧度，其倒數(shù)則為同步角速度下走過1弧度所需的時間時間標(biāo)幺值形式一般不常用四、等值發(fā)電機(jī)的慣性時間常數(shù)回顧：1.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運動方程（根據(jù)相量圖直接寫出狀態(tài)方程）。2.敘述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子額定慣性時間常數(shù)TJN的物理意義。3.假