電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性分析ppt課件

1、1,第七章 電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性分析,————機電暫態(tài)分析,2,第一節(jié) 概述,一、基本概念：1.穩(wěn)定：是指電力系統(tǒng)經受擾動后能繼續(xù)保持向負荷正常供電的狀，即具有承受擾動的能力，穩(wěn)定總是與干擾相聯系的2.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性:就是當系統(tǒng)在某一正常運行狀態(tài)下受到某種干擾后，能否經過一定的時間后回到原來的運行狀態(tài)或者過渡到一個新的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)的問題，如果能夠，則認為系統(tǒng)在該正常運行狀態(tài)下是穩(wěn)定的,反之，若系統(tǒng)不能回到原來的運行狀態(tài)或者不能

2、建立一個新的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，則說明系統(tǒng)的狀態(tài)變量沒有一個穩(wěn)態(tài)值，而是隨時間不斷增大或振蕩，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。,,。,3,第一節(jié) 概述,一、基本概念：,,3.功角：表示發(fā)電機轉子軸線子之間的夾角，又表示各發(fā)電機電勢間的夾角。,傳輸功率的大小與相位角δ密切相關，稱δ為“功角”或“功率角”。,δ,4,第一節(jié) 概述,二、電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 電力系統(tǒng)中的各同步發(fā)電機只有在同步運行(即所有發(fā)電機以相同的速度旋轉)狀態(tài)下，送出的電功率為定值，并

3、維持系統(tǒng)中任何點的電壓、頻率和功率潮流為定值。 如果某些發(fā)電機之間不能維持同步運行，其送出的電功率以及相應節(jié)點的電壓及相應線路的潮流將發(fā)生大幅度的周期性振蕩，如果失去同步的機組之間不能迅速恢復同步，即電力系統(tǒng)失去了穩(wěn)定運行的狀態(tài)。這種由于機組失去同步造成的穩(wěn)定問題實際上是電力系統(tǒng)的功角穩(wěn)定問題。,。,5,功角穩(wěn)定問題的原因——轉矩不平衡 正常運行時： Me=Mm 受到干擾時： Me≠Mm 機械轉矩M

4、m由發(fā)電廠動力部分的運行狀態(tài)決定 電磁轉矩Me由發(fā)電機及其相連的電力系統(tǒng)中的運行狀態(tài)決定,危害：穩(wěn)定破壞是電網中最為嚴重的事故 之一，大電力系統(tǒng)的穩(wěn)定破壞事故，往往引起大面積停電，給國民經濟造成重大損失。隨著電網互聯規(guī)模的增大，穩(wěn)定問題更加突出。,失穩(wěn)現象：如果由于某種干擾使發(fā)電轉速不再同步，那么系統(tǒng)中任一點的電壓、電流和發(fā)電機功率幅值不斷振蕩以致系統(tǒng)不能正常工作，這種情況稱為系統(tǒng)不穩(wěn)定。,6,三、功角穩(wěn)定分類（干擾大小，便于分析

5、）：(1)靜態(tài)穩(wěn)定——電力系統(tǒng)在某個運行狀態(tài)下, 突然受到任意的小干擾后，能恢復到原來的（或是與原來的很接近）運行狀態(tài)的能力.,靜態(tài)穩(wěn)定研究的是電力系統(tǒng)在某一運行方式下受到微小干擾時的穩(wěn)定性問題。假設在電力系統(tǒng)中有一個瞬時性小干擾，如果在擾動消失后系統(tǒng)能夠恢復到原始的運行狀態(tài)，則系統(tǒng)在該運行方式下是靜態(tài)穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是靜態(tài)不穩(wěn)定的。靜態(tài)穩(wěn)定研究的是系統(tǒng)對微小干擾的適應能力，或者說考慮的是系統(tǒng)在運行點處維持同步運行的能力，,小干擾：

6、是在這種干擾作用下，系統(tǒng)的狀態(tài)變量的變化很小，因此狀態(tài)方程可以線形化。,7,三、功角穩(wěn)定分類（干擾大小，便于分析）：(2)暫態(tài)穩(wěn)定——電力系統(tǒng)在某個運行狀態(tài)下，突然受到較大的干擾后，能夠過渡到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)或者回到原來運行狀態(tài)的能力。 如果電力系統(tǒng)在某一運行方式下受到某種形式的大擾動，經過一個機電暫態(tài)過程后能夠恢復到原始的穩(wěn)態(tài)運行方式或過渡到一個新的穩(wěn)態(tài)運行方式，則認為系統(tǒng)在這種情況下是暫態(tài)穩(wěn)定的。大干擾

7、：系統(tǒng)的狀態(tài)方程不能線形化,8,三。穩(wěn)定研究方法：,1、 靜態(tài)穩(wěn)定分析方法： 微分方程線性化（小干擾法） 通常可以采用在運行點處線性化后的系統(tǒng)模型進行特征根分析來判別系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。2、暫態(tài)穩(wěn)定分析方法： 非線性微分方程數值解法（時域法） 等面積定則（僅適合單機無窮大系統(tǒng)） 一般采用的是對全系統(tǒng)非線性狀態(tài)方程的數值積分法進行對系統(tǒng)動態(tài)過程的時域仿真，通過對計算得到的系統(tǒng)運行參數(

8、如轉子角)的動態(tài)過程的分析判別系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。,9,第二節(jié) 同步發(fā)電機組的轉子運動方程和功角特性,研究穩(wěn)定，實際上是分析電力系統(tǒng)受擾動后發(fā)電機之間相對運動的特性，發(fā)電機的相對運動可由功角d 隨時間的變化來描述。即 ：,發(fā)電機搖擺曲線：,為了得到 ，必須首先建立：發(fā)電機轉子運動方程 和功角特性的表達式,10,一．轉子運動方程,J：轉動慣量；α：角加速度； (rad/s2)Ω：

9、機械角速度； (rad/s）△M：不平衡轉矩 MT—ME,額定轉速下的轉子動能,11,采用標么制 ，設轉矩基準值 為,當轉速用標么值表示時，上式可寫成,令 ---慣性時間常數，于是得到：,12,則 轉子的運動方程可寫為：,慣性時間常數的意義,當發(fā)電機空載時，如原動機將一個數值等于MT的恒定轉矩（MT*＝1）加到轉子上，則轉子從靜止狀態(tài)啟動到額定值時所需的時間。,將機械角速度Ω轉換成電氣角速度ω，,13

10、,14,15,16,17,方程式初看似乎簡單，但它的右函數，即不平衡轉矩(或功率)卻是很復雜的非線性函數。右函數的第一項是發(fā)電機的原動機功率，它主要取決于本臺發(fā)電機的原動機及其調速系統(tǒng)的特性。右函數的第二項發(fā)電機的電磁功率，在多機電力系統(tǒng)中，它不但與本臺發(fā)電機的電磁特性、勵磁調節(jié)系統(tǒng)特性等有關，而且還與其它發(fā)電機的電磁特性、網絡結構等有關，它是電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析計算中最為復雜的部分。對多機系統(tǒng)的穩(wěn)定我們不作分析，只研究單機對無窮大系統(tǒng)

11、。此時發(fā)電機的電磁功率與發(fā)電機的功角有什么關系？,18,二．隱極發(fā)電機的功-角特性,-----即發(fā)電機的電磁功率與功角之間的關系,一臺同步發(fā)電機與無限大容量電源組成的系統(tǒng),定義：,Eq：發(fā)電機空載電勢。δ：電勢與無窮大系統(tǒng)電壓夾角。φ：功率因素角。,19,,,,,,,,,,,δ,U,功-角特性方程的推導,由相量圖得：,,,——發(fā)電機功角特性方程,20,以上公式當電勢、電壓、阻抗恒定不變時發(fā)電輸出功率就是功角的正弦函數。90度時最大，

12、稱為輸送功率極限。,21,第三節(jié) 簡單電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定分析,靜態(tài)穩(wěn)定定義：電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小干擾后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或非周期性失步， 自 動恢復到初始運行狀態(tài)的能力。,起因：系統(tǒng)受到小干擾。 例如，個別電動機的接入和切除或加負荷和減負荷；又如架空輸電線圍風吹擺動引起的線間距離(影響線路電抗)的微小變化；另外，發(fā)電機轉子的旋轉速度也不是絕對均勻的。,22,結果：如果這種偏離很小，干擾消去后，系

13、統(tǒng)又重行回到平衡，則系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的。,特點：系統(tǒng)的狀態(tài)變量偏移很小，從而允許把描述系統(tǒng)的狀態(tài)方程線性化。,簡單系統(tǒng)：單機無窮大系統(tǒng)。即受端系統(tǒng)是無窮大系統(tǒng)，其電壓和頻率都恒定不變。,過程：系統(tǒng)將會偏離平衡點。,23,簡化條件：發(fā)電機為隱極機,不計及自動調節(jié)系統(tǒng)： PT=const，Eq=const,發(fā)電機輸出的電磁功率,一、簡單系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定過程分析,等值電路：xd∑=xd+xT1+xL+xT2,24,,PE=P0與功率特性曲線有兩個交

14、點a和b， 即電機的兩個運行點。 下面就對a點和b點進行分析,25,擾動使a→a´→δ↑(δ+Δδ) ,PEa´>P0 →ΔPa ´=PT-PEa´P0 →ΔPa"=PT-PEa">0→ΔM>0→加速→δ↑→a"→a,a點擾動過程分析：,穩(wěn)態(tài)時：,26,擾動使 b→b´→δ↑(δ+Δδ),PEb´0 →ΔM>0→加速→

15、δ↑→不再回到b點→非周期失步b→b"→δ↓（δ-Δδ），PEb">P0→ΔPb"=PT-PEb"<0→ΔM<0→減速→δ↓→a,b點擾動過程分析：,穩(wěn)態(tài)時：,27,對于運行點a：當系統(tǒng)受到小擾動后能夠自動恢復到原來的平衡狀態(tài), 因此a是靜態(tài)穩(wěn)定的。,a 點受小擾動后功角變化特性：,28,b 點受小擾動后功角變化特性：,對于運行點b：受到干擾后, 不是轉移運行點a 就是非周期

16、的失去同步, 故b點是不穩(wěn)定的, 即系統(tǒng)本身無能力維持在b點運行 。,29,分析a ,b兩個運行點的異同：,相同點： a，b 兩點都是平衡點。,不同點： 1） a 點對應功角δa900 2） a點: ΔPE、 Δδ同符號，ΔPE/Δδ>0，穩(wěn)定 b點: ΔPE、Δδ符號相反, ΔPE/Δδ<0，不穩(wěn)定,30,二、靜態(tài)穩(wěn)定判據和靜穩(wěn)定儲備系數：,1、靜態(tài)穩(wěn)定判據：,稱為同步功率

17、或自整步功率，,靜態(tài)穩(wěn)定,靜態(tài)不穩(wěn)定,定義：,它反映發(fā)電機維持同步運行的能力。,31,當δ0,穩(wěn)定當δ>900時, dPE/dδ<0,不穩(wěn)定當δ=900時, dPE/dδ=0,分界點,分析：,32,靜態(tài)穩(wěn)定極限：指發(fā)電機運行角的極限值。 輸送功率極限：發(fā)電機允許輸出的最大功率，亦即功角特性曲線的最大值。在簡單系統(tǒng)情況下，靜態(tài)穩(wěn)定極限所對應的功角正好和功率極限的功角一致，但二者并不是同一概念。 靜態(tài)穩(wěn)定

18、儲備系數： 正常運行時，Kp≥15—20%；事故運行方式下：Kp≥10%,2、幾個概念：,33,以上是從物理概念分析，更一般的方法是從數學推倒出靜穩(wěn)判據。,靜穩(wěn)分析方法：（小干擾法）,小干擾法的步驟：列出系統(tǒng)的運動方程（非線形微分方程）線形化系統(tǒng)的運動方程求特征根根據特征根判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性,34,電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的基本性質說明，發(fā)電機可能輸送的功率極限越高，則靜態(tài)穩(wěn)定性越高。以一機對無限大系統(tǒng)的情形來看，減少發(fā)電機與

19、系統(tǒng)之間的聯系電抗就可以增加發(fā)電機的功率極限。從物理意義上講，這就是加強發(fā)電機與無窮大系統(tǒng)的電氣聯系。聯系緊密的系統(tǒng)顯然是不容易失去靜態(tài)穩(wěn)定的。 加強電氣聯系，即縮短“電氣距離”，也就是減少各元件的阻抗，主要是電抗，以下介紹的幾種提高靜態(tài)穩(wěn)定性的措施，都是直接或間接減小電抗的措施。,三、 提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的措施,35,調節(jié)勵磁則可以維持發(fā)電機端電壓為常數，這就相當于將發(fā)電機的電抗減小為零。因此，發(fā)電機裝設先進的調節(jié)器

20、就相當于縮短了發(fā)電機與系統(tǒng)間的電氣距離，從而提高了靜態(tài)穩(wěn)定性。.,1 采用自動調節(jié)勵磁裝置,發(fā)電機之間的聯系電抗總是由發(fā)電機、變壓器和線路的電抗所組成的，有實際意義的是減少線路電抗，具體做法有以下幾種：采用分裂導線 2. 提高線路額定電壓等級 3. 采用串聯電容補償,2 減少元件的電抗,36,1）. 改善系統(tǒng)的結構：增加輸電線路的回路數；當輸電線通過的地區(qū)就有電力系統(tǒng)時，將這些中間電力系統(tǒng)與輸電線路連

21、接起來也是有利的。2）. 采用中間補償設備：如果在線路中間的降壓變電所內裝設同期調相機，而且同相調相機配有先進的自動勵磁調節(jié)器，則可以維持同期調相機端點電壓甚至高壓母線電壓恒定。這樣，輸電線路也就等值地分為兩端，系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性得到提高。,3 改善系統(tǒng)的結構和采用中間補償設備,37,在正常運行中提高電網的運行電壓也可以提高功率極限。為使電網具有較高的電壓水平，必須在系統(tǒng)中設置足夠的無功電源。.,4 提高系統(tǒng)的運行電壓,38,第四節(jié)

22、電力系統(tǒng)運行的暫態(tài)穩(wěn)定性,概述簡單電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定物理過程分析 等面積定則（暫態(tài)穩(wěn)定判據） 提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施,39,一、基本概念,暫態(tài)穩(wěn)定：指電力系統(tǒng)在某個運行情況下突然受到大的干擾后，能否經過暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)的能力。 大干擾： 常見的大干擾有：短路故障，斷線故障，正常檢修（元件投切）等。影響暫態(tài)穩(wěn)定的因素：原運行方式，干擾種類等。,第四節(jié) 電力系統(tǒng)運行的暫態(tài)穩(wěn)定性,40,二、 暫態(tài)穩(wěn)定發(fā)展過程（時間分段）,1、起

23、始階段：故障后約1s內的時間段，在這期間系統(tǒng)的保護和自動裝置有一系列的動作，如：故障切除和自動重合閘等。但發(fā)電機的調節(jié)系統(tǒng)尚未啟動。2、中間階段：在起始階段后，大約持續(xù)5s左右的時間段，發(fā)電機調節(jié)系統(tǒng)將起作用。3、后期階段：在故障后幾分鐘內，熱力設備（如鍋爐）中的過程將影響到電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程。此外，還將發(fā)生永久性切除電路及自動切除負荷等。,41,重點討論暫態(tài)起始階段：基本假定：（1）網絡中，ω=ω0 （網絡等值電路同穩(wěn)態(tài)分析

24、） （2）主要討論短路干擾（重點是三相短路）（3）假定原動機輸入機械功率不變（4）發(fā)電機參數采用暫態(tài)電勢 因為暫態(tài)電勢在短路前后一瞬間保持不變。,42,簡單電力系統(tǒng)如圖所示，發(fā)電機以E´做其等值電勢。,三、簡單系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定物理過程分析（起始階段）,1.正常運行方式等值電抗：XⅠ=Xd´+XT1+XL/2+XT2 功角方程：,43,2.故障情況下等值

25、電抗：功角方程：,XΔ:附加阻抗 三相短路：XΔ＝0，則XⅡ＝∞兩相短路：負序阻抗,44,3.故障切除后，相當于切除一回線路等值電抗： 功角方程：一般情況下，XⅠPⅢ>PⅡ,45,δ0,δc,δm,δh,畫出不同狀態(tài)下的功率特性曲線,46,故障發(fā)生后的過程為：,運行點變化 原因 結果 a→b 短路發(fā)生 PT

26、>PE, 加速，ω上升， δ增大 b→c ω上升，δ增大 ω>ω0 ,動能增加 c→e 故障切除 PTω0 ，δ繼續(xù)增大e→f 動能釋放 減速，當ωf =ω0，動能釋放完 畢，δm角達

27、最大f→k PT<PE, 減速 δ減小 ,經振蕩后穩(wěn)定于平衡點k,,,47,臨界搖擺角 ：達到該點時轉速必須達到同步速發(fā)電機才能穩(wěn)定,概念： 搖擺曲線：功角隨時間變化曲線 最大搖擺角：,,48,結論：1 、若最大搖擺角不越過h點，系統(tǒng)可經衰減的振蕩后停止于穩(wěn)定平衡點ｋ，系統(tǒng)保持暫態(tài)穩(wěn)定，反之，系統(tǒng)不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。2、 暫態(tài)穩(wěn)定分析與初始運行方式、故障點條件、故障切除時間、

28、故障后狀態(tài)有關。3、.快速切除是保證暫態(tài)穩(wěn)定的有效措施,暫態(tài)穩(wěn)定分析理論方法：,49,四、等面積定則,A+ ：表示過剩轉矩所作的功，也表示在加速期間轉子所儲存的動能，即為圖中abcd所包圍的面積，稱之為加速面積。A- ：表示制動轉矩所作的功，也代表在減速期間轉子所消耗的動能，即為圖中defg所包圍的面積，稱之為減速面積。當加速面積和減速面積相等時，轉子角速度恢復到同步速，系統(tǒng)才能保持暫態(tài)穩(wěn)定，稱為等面積定則。 即 ：A+

29、 = A-,50,極限切除角度——δcm,當最大可能的A減小于A加時，如果減小δc，則可以使A加減小，同時A減增大，這就有可能使原來不能保持暫態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)變成能保持暫態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)。如果在某一切除角時，最大可能的A減等于A加時，則系統(tǒng)處于穩(wěn)定的極限情況，大于這個角度切除故障，系統(tǒng)將失去穩(wěn)定，這個角度成為極限切除角δcm。,51,當加速面積與允許的減速面積相等時，,,,,,極限切除角度的求取,注意：角度均用弧度表示，,式中

30、 分別表示a點和h點對應的轉子角度。,52,,,,暫態(tài)穩(wěn)定判據,暫態(tài)穩(wěn)定判據2：實際加速面積<允許的減速面積，系統(tǒng)能保持暫態(tài)穩(wěn)定，否則不能保持暫態(tài)穩(wěn)定,53,,,,暫態(tài)穩(wěn)定判據3：,暫態(tài)穩(wěn)定判據,簡單系統(tǒng)中，當δ達δm后開始減小，則系統(tǒng)能保持暫態(tài)穩(wěn)定；δ>180°，系統(tǒng)不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。,54,五、δ-t曲線的計算（微分方程數值解法）,轉子運動方程為,初始條件：,計算目的：由搖擺曲線可判斷發(fā)電機

31、是否穩(wěn)定。為繼電保護和斷路器提供極限切除時間。（計算極限切除角所對應的切除時間）,（略）,55,六 提高暫態(tài)穩(wěn)定性的措施,1、故障的快速切除和自動重合閘裝置的應用這是兩種常常配合在一起使用的借減少功率差額來提高暫態(tài)穩(wěn)定性的措施，經濟而有效。快速切除故障對于提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有決定性的作用。電力系統(tǒng)的故障特別是高壓輸電線路的故障大多數是短路故障，而這些短路故障大多數又是暫時性的。,原則： 減小不平衡功率，增大減速面積，減小