第十一章-電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性

第十一章

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性9-1暫態(tài)穩(wěn)定性概述9-2簡單電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的分析計(jì)算9-5提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施9-3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值解法9-4復(fù)雜電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的分析計(jì)算9-1暫態(tài)穩(wěn)定性概述電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是研究電力系統(tǒng)受到較大擾動(dòng)后各發(fā)電機(jī)是否能繼續(xù)保持同步運(yùn)行的問題。大擾動(dòng)主要有以下幾種：（1）負(fù)荷的突然變化（2）切除或投入系統(tǒng)的主要元件（3）電力系統(tǒng)的短路故障9-1暫態(tài)穩(wěn)定性概述1、忽略頻率變化對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的影響；2、忽略發(fā)電機(jī)定子電流的非周期分量；3、發(fā)電機(jī)的參數(shù)用E′和Xd′表示；4、當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)，忽略負(fù)序和零序分量電流對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的影響；5、忽略負(fù)荷的動(dòng)態(tài)影響；6、在簡化計(jì)算中，還忽略暫態(tài)過程中發(fā)電機(jī)的附加損耗。9-2簡單電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的分析計(jì)算圖9-1簡單電力系統(tǒng)及等值電路9-2-1系統(tǒng)在各種運(yùn)行方式下發(fā)電機(jī)的電磁功率1、正常運(yùn)行方式2、故障運(yùn)行方式2、故障運(yùn)行方式在正序網(wǎng)的故障點(diǎn)上接一附加電抗構(gòu)成正序增廣網(wǎng)絡(luò)式中:x△為附加電抗，當(dāng)故障是單相接地時(shí)，當(dāng)故障是兩相接地時(shí)當(dāng)故障是三相接地時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率為3、故障切除后的運(yùn)行方式一般情況下，以上三種運(yùn)行方式下電抗之間有如下關(guān)系則相應(yīng)三種運(yùn)行方式下，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率之間的關(guān)系為9-2-2系統(tǒng)受大干擾后的物理過程分析圖9-2簡單電力系統(tǒng)正常運(yùn)行、故障后及故障切除后的功角特性曲線功角δ隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。在這種情況下，該系統(tǒng)在受到此種擾動(dòng)后是暫態(tài)穩(wěn)定的。故障是在大于角度后才被切除，則系統(tǒng)將可能失去穩(wěn)定性，

圖9-3功角隨時(shí)間變化曲線9-2-3等面積定則1、發(fā)電機(jī)在加速期間，功角由

移到時(shí)過剩轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)子所做的功為

轉(zhuǎn)子在加速期間所儲(chǔ)藏的動(dòng)能增量等于面積Sabcd，這塊面積稱為加速面積。2、在減速期間，由過程中，轉(zhuǎn)子克服制動(dòng)轉(zhuǎn)矩消耗的有功為轉(zhuǎn)子在減速期間所消耗的動(dòng)能等于面積Sdefg，這塊面積稱為減速面積。一個(gè)暫態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在加速過程中所獲得的動(dòng)能必須在減速過程中全部釋放完，它的功角達(dá)到最大值，這就是等面積定則。即有9-2-4極限切除角積分后得:解得極限切除角臨界角注：這里所有的角度都是用弧度表示。應(yīng)用前述公式即可求極限切除角δc.lim。顯然，為了保持系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，必須在功角δ<δc.lim前切除短路故障。如果切除角δ>δc.lim時(shí)，意味著加速面積大于減速面積，運(yùn)行點(diǎn)會(huì)越過k′點(diǎn)而使系統(tǒng)失去同步。等面積定則只限于分析簡單系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，當(dāng)功角特性可在平面坐標(biāo)上表示時(shí)，才可用等面積定則確定極限切除角。9-3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值解法為了保持電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，需要知道必須在多長時(shí)間內(nèi)切除短路故障，即極限切除角δc.lim

對(duì)應(yīng)的極限切除時(shí)間tc.lim，這就需要找出發(fā)電機(jī)受到大干擾后，轉(zhuǎn)子相對(duì)角δ隨時(shí)間t變化的規(guī)律，即δ=?(t)曲線，此曲線稱作搖擺曲線。數(shù)值計(jì)算方法:分段計(jì)算法和改進(jìn)歐拉法。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程是非線性的常微分方程，一般用數(shù)值計(jì)算方法求其近似解。9-4復(fù)雜電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的分析計(jì)算復(fù)雜電力系統(tǒng)中任一臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率，是該發(fā)電機(jī)電勢相量相對(duì)其他發(fā)電機(jī)電勢相量相角差（δi

-δj）的函數(shù)。若得到大干擾后各臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間相對(duì)功角隨時(shí)間變化的曲線，可根據(jù)任意兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)角（δi

-δj）隨時(shí)間的變化來判斷暫態(tài)穩(wěn)定性，若相對(duì)角（δi

-δj）隨時(shí)間不斷增大且超過180o時(shí)，可判斷該系統(tǒng)不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。9-5提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施9-5-1快速切除短路故障由于快速切除故障減小了加速面積，增加了減速面積，從而提高了發(fā)電機(jī)之間并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。另一方面，快速切除故障，還可使負(fù)荷中電動(dòng)機(jī)的端電壓迅速回升，減小了電動(dòng)機(jī)失速和停頓的危險(xiǎn)，因而也提高了負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性。釆用自動(dòng)重合閘裝置，就是當(dāng)線路發(fā)生故障后，斷路器將故障線路斷開，經(jīng)過一定時(shí)間后自動(dòng)重合閘裝置將線路恢復(fù)正常運(yùn)行。若短路故障是瞬時(shí)性的，則當(dāng)斷路器重合后系統(tǒng)將恢復(fù)正常運(yùn)行，即重合閘成功。這不僅提高了供電可靠性，而且對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定也是有利的。9-5-2釆用自動(dòng)重合閘裝置比較圖9-4a、b可見，不裝設(shè)自動(dòng)重合閘時(shí)，系統(tǒng)不能保持暫態(tài)穩(wěn)定；裝設(shè)自動(dòng)重合閘后，在運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)移到k點(diǎn)時(shí)自動(dòng)重合成功，重合成功時(shí)運(yùn)行點(diǎn)將從功角特性曲線上的k點(diǎn)躍升到功角特性曲線上的g點(diǎn)，使減速面積增大，系統(tǒng)可以保持暫態(tài)穩(wěn)定。b圖9-4自動(dòng)重合閘提高運(yùn)行穩(wěn)定性ab外部短路而使發(fā)電機(jī)端電壓UG低于額定電壓的85%時(shí)，低電壓繼電器動(dòng)作，并通過一中間繼電器將勵(lì)磁裝置的調(diào)節(jié)電阻強(qiáng)行短接，使勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流大大增加，提高了發(fā)電機(jī)電勢，增加了發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率，減少了轉(zhuǎn)子的不平衡功率，提高了暫態(tài)穩(wěn)定性。9-5-3強(qiáng)行勵(lì)磁圖9-5強(qiáng)行勵(lì)磁裝置1、對(duì)于汽輪機(jī)釆用快速的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)或者快速關(guān)閉進(jìn)汽門；9-5-4快速減小原動(dòng)機(jī)功率2、聯(lián)鎖切機(jī)，即在切除故障的同時(shí)，連鎖切除送端發(fā)電廠中的一臺(tái)或兩臺(tái)發(fā)電機(jī)。3、釆用機(jī)械制動(dòng)，即釆取轉(zhuǎn)子直接制動(dòng)的方法。圖9-6減少原動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定影響電氣制動(dòng)就是當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障后，在送端發(fā)電機(jī)上迅速投入電阻，以消耗發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的過剩功率。9-5-5采用電氣制動(dòng)圖9-7制動(dòng)電阻接入方式當(dāng)電阻串聯(lián)接入時(shí)，斷路器正常時(shí)是閉合的，投入制動(dòng)電阻時(shí)將斷路器斷開。并聯(lián)接入時(shí)，開關(guān)正常時(shí)是斷開的，投入制動(dòng)電阻時(shí)將其閉合。圖9-8a、b中比較了有無電氣制動(dòng)的情況。圖9-8電氣制動(dòng)的作用運(yùn)用電氣制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)電阻的選擇要適當(dāng)。欠制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)電阻太大，會(huì)使制動(dòng)作用不足，系統(tǒng)照樣失步；過制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)電阻太小，發(fā)電機(jī)雖在第一次振蕩中沒有失步，但在故障切除的同時(shí)切除制動(dòng)電阻后的第二次振蕩中失步了。欠制動(dòng)和過制動(dòng)都不能保持系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。圖9-9制動(dòng)電阻太小時(shí)的情形9-5-6串聯(lián)電容器的強(qiáng)行補(bǔ)償為提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和故障后的靜態(tài)穩(wěn)定性也可采用強(qiáng)行串聯(lián)補(bǔ)償。即在切除線路的同時(shí)切除部分并聯(lián)的電容器組，以增大串聯(lián)補(bǔ)償電容的容抗，部分地甚至全部地抵償由于切除故障線路而增加的線路感抗。在變壓器中性點(diǎn)接地的電力系統(tǒng)中發(fā)生不對(duì)稱接地短路時(shí)，將產(chǎn)生零序電流分量。9-5-7變壓器中性點(diǎn)以小電阻接地圖9-10中性點(diǎn)接入小電阻若此時(shí)在系統(tǒng)中Y0接線的變壓器中性點(diǎn)以一小電阻接地，則零序電流將在這一電阻中產(chǎn)生功率損耗，這種功率損耗與發(fā)電機(jī)的電氣制動(dòng)一樣可以減少轉(zhuǎn)子的不平衡功率，有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)輸電線路較長（如500KM以上），且經(jīng)過的地區(qū)也沒有變電所時(shí)，可以考慮設(shè)置中間開關(guān)站，如圖9-11所