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1、电力系统的稳定性夏世威 华北电力大学 2016-06-03电力系统的稳定性l基本概念l同步机的转子运动方程l简单电力系统的静稳定l简单电力系统的暂态稳定l提高电力系统稳定性的措施电力系统稳定性的重要意义l单独运行的发电厂和规模不大的电力系统 通常没有稳定问题。l电力系统规模越大，运行稳定性的问题就 越明显，含有远距离输电环节的大电力系 统往往都有突出的稳定问题。l电力系统稳定性破坏是危害很严重的事故 ，会造成大面积停电。电力系统稳定性问题分类l静态稳定 l小扰动、状态量偏移小、 线性化l暂态稳定 l大扰动、状态量偏移大、不允许线性化l动态稳定l时间长、计及调节装置和控制装置的作用电力系统的大停
2、电事故（我国）l1972年湖北电网大面积停电事故l1972年浙江电网瓦解事故l1974年陕西电网振荡事故l1979年水丰厂静稳破坏事故l1980年安徽电网大面积停电事故l1982年华中电网稳定破坏事故l1983年华东电网解列事故l1990年广东电网大停电事故l1996年北京部分电网稳定事故电力系统的大停电事故（国外）l1965年美国东部大停电事故l1977年纽约大停电事故l1978年法国大停电事故l1982年加拿大魁北克系统大停电事故l1983年瑞典电力系统停电事故l1987年东京电力系统大停电事故l1989年加拿大魁北克系统大停电事故l2003.8.14 美加大停电大停电事故的经验教训l电网
3、结构要合理l具备合适可靠的继电保护和安全自动装置l无功电源和电压控制l防止负荷大量转移引起的恶性连锁反应l建立好最后一道防线，防止长时间大面积 停电和对最重要用户的破坏性停电电力系统安全的三道防线l第一道防线：继电保护l第二道防线：故障录波l第三道防线：设置解列点防止系统失稳的措施l规划 （几十年，几年）l电源，线路，配电l运行规划（年度，季度，周，天）l检修安排，紧急检修l在线/实时运行l安全监视，预防控制，校正控制同步发电机转子运动方程l根据力学定律，同步发电机转子的机械角 加速度与作用再转子轴上的转矩之间的关 系为：原动机的 机械转矩发电机的 电磁转矩 作用在转子轴上 的净加速转矩机组转
4、子的 转动惯量转子机 械角速 度同步发电机转子运动方程l由机械角速度、电角速度和电角度的关系 最终可以得到如下的发电机转子运动方程 ：电力系统静态稳定的极限功率简单电力系统的静稳定l电力系统静态稳定的概念l发电机组在遭受微小干扰后能自动恢复到原来运行 状态（或相近状态）的能力。l简单电力系统的定义l发电机通过变压器和输电线，把功率送到受端系统 的母线。l并且首端系统的容量很大，以致可以认为任意改变 发电机的输出功率，都不会改变首端电压U的大小和 相位。l也称这样的系统为单机无穷大母线系统。静态稳定l起因：系统受到小的干扰，例如负荷的随 机涨落、汽轮机蒸汽压力的波动、发电机 端电压发生小的偏移，
5、等等。l过程：系统将会偏离平衡点。l结果：如果这种偏离很小，小干扰消失后 ，系统又重新恢复平衡，则称系统是静态 稳定的。l特点：系统的状态变量偏离很小，从而允 许把描述系统的状态方程线性化。单机无穷大母线系统xL/2T1 T2LGUEq xd xT1 xT2Ul“无穷大容量母线”-母线上接有“无限大容量电源” ，即z=0、U=定值，以致与之相联的母线电压大小恒 定外，还体现在惯性时间常数为无限大，以致使转 子的转速恒为同步转速，E或U的交变频率恒等于同 步频率。 单机单机无穷大母线系统的相量图无穷大母线系统的相量图I XcosEq sin Eq 发电机空载电势 发电机空载电势与受端母线电压之间
6、的相位角 发电机的功角特性由于故电力系统静态稳定的极限功率l当Eq、U、X恒定不变时，发电机的输 出功率是功角的正弦函数。l当90时输出功率最大Pmax称为极限输出功率，或称功率极限 电力系统静态稳定的极限功率电力系统静态稳定实用判据 l当a点的功角小于90，P和的增量具有 相同符号时，即l当b点的功角小于90，P和的增量具有 不同符号时，即系统静态稳定 系统静态不稳定 电力系统静态稳定实用判据 l临界点系统静态稳定 系统静态不稳定 这一点正好是功率极值点 电力系统静态稳定实用判据 l电力系统静态稳定的实用判据是系统保持静态稳定的充分必要条件， 也是电力系统静稳定的实用判据。 比整步功率l定义
7、l比整步功率的大小代表发电机与受端系统 同步运行的能力。l当越接近90，发电机输出功率越大，同 步功率减小，稳定程度降低。 -比整步功率（同步功率）静稳定储备系数 lKp大对静稳有利，但输出功率受限制；lKp小静稳定程度低，但可输出较多功率。l运行规程规定：l正常运行时，Kp15%20%；l故障时，Kp5%10%。 提高静态稳定的措施 l提高系统的静态稳定性，主要在于提高 Pmax。 若要提高Pmax，可通过提高Eq、U ，降低X 来实现。提高系统电压Ul提高系统的运行电压水平。在系统中装设 足够的无功电源，如在远距离输电线路的 中途装设调相机或者在负荷中心装设调相 机、静止补偿器等补偿装置。
8、l提高输电电压等级。要大幅度提高静态稳 定功率极限，应通过合理选用高一级的输 电线路额定电压。提高发电机空载电势Eql无自动励磁调节器作用时l当增大时，由于发电机输出功率增大，而发 电机励磁电流不变，引起发电机端电压下降 。l有自动励磁调节器作用时l负荷增大或端电压下降时，励磁装置中的测 量元件测出I、U，增加发电机的励磁电流 ，提高发电机电势，使发电机端电压维持不 变（或变化很小）。由于发电机空载电势的 增大，功角特性曲线转移。减少系统电抗Xl减小输电线路电抗。如紧凑型输电线路、 分裂导线；l串联补偿，串联补偿的补偿度愈大，对静 稳愈有利，但易产生“次同步振荡”或“ 自励磁”现象，在离电源较
9、近处电容器后 方，输电线路发生短路时，短路电流可能 会大于发电机端部短路时的短路电流。串 联补偿的补偿度一般不大于0.5。 提高电力系统静态稳定的主要措施l采用自动励磁调节装置；l采用分裂导线；l提高线路的额定电压等级；l改善系统结构、减小电气距离；l采用串联补偿设备；l采用并联补偿设备。简单电力系统的暂态稳定l暂态稳定的定义：l电力系统受到大的干扰后，经过暂态过程，达到新 的（或恢复到原来的）稳态运行状态。l对定义的详细剖析：l大干扰：一般指短路故障、突然断开线路或发电机 。l不能保持暂态稳定：受到大干扰后，各发电机组转 子之间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系 统的功率、电流和电压都不
10、断振荡。l影响因素：系统原来的运行情况；干扰的方式暂态稳定l条件：正常运行的电力系统承受一定大小扰动l过程：l1）这种扰动消失之后，恢复到近似它原有的运行状 况的能力；l2）扰动不消失，但系统可能从原有的运行状况安全 地过渡到新的运行状况的可能。l结果：系统达到新的稳定运行状态l特点：研究暂态稳定性时需要对系统做些合理 假设暂态稳定的基本假设l假定系统频率不变，保持同步速，即系统中 0；l忽略零序电流和负序电流的作用；l假定发电机暂态电抗xd后的电势E恒定；l假定原动机输出功率不发生变化。系统受到大干扰时第一阶段 正常运行 第二阶段 故障发生第三阶段 切除故障线路 故障前后的功角特性与摇摆曲线
11、0 h c m h 0 c h P PT PPT m k 0 t t 0 发电机转子角运动过程 P PT 0 h c m h a b c d efghki故障前后功角特性的分析l分析结果：若mh 则系统暂态稳定第一个摇摆周期 的最大摇摆角临界摇摆角等面积定则l等面积定则是判断单击无穷大系统暂态稳 定性的一种定量方法，计算简便，并且有 明确的物理意义，十分有助于对暂态稳定 过程机理的理解和分析。l基本思路：将发电机公角特性曲线与原动 机输出功率曲线之间所包围的面积与发电 机所获得或释放的能量联系起来，从而得 到发电机转子角摇摆的最大值，并可据此 判断发电机的暂态稳定性。故障发生后l发电机的转子运
12、动方程：l同时在b点到c点的区间对转子角积分：abcd所包 围的面积从a点转移到c点的过 程中，转子动能的增 加故障线路切除后l类似的，可以得到故障切除后转子在减速 过程中动能的减少量：defg所包 围的面积转子变化到极值点时 的动能的减少量等面积定则l综合考虑加速和减速过程，转子在减速过 程中动能的减少正好等于加速过程中动能 的增加，即：暂态稳定等面积定则 P PT 0 h c m h a b c d efghki加速面积为a-b-c-d-a所 围成的面积，等于加速 过程中增加的动能减速面积为d-e-f-g-d所 围成的面积，等于减速 过程中动能的减少简单系统暂态稳定的判据l根据能量转换的观
13、点l当加速面积等于减速面积时，角速度等于同步电角 速度。l最大可能的减速面积为d-e-h-d所围成的面积。 l暂态稳定判据：l若加速面积小于等于最大可能的减速面积，则系统 是暂态稳定的。l按照等面积，当加速面积等于最大可能减速面积时 ，可求出极限切除角，只要故障切除角小于极限切 除角，系统就不会失去稳定。 自动重合闸自动重合闸l系统在P1曲线上a点发生故障，跳变至P2曲线上的b点 运行，在c点将故障线路切除，运行点跳变至P3曲线上 的e点，加速面积为S1。l当由于故障的快速切除，使得在自动重合闸之前，系统 故障已经被切除，因此在r点自动重合闸，系统运行点 跳变至曲线P1，在达到f点时，发电机转
14、子角达到最大 角，转速恢复同步速，减速面积为S2+S3+S4。l可以看出，由于自动重合闸成功，减速面积明显增大， 即增加的S4，增强了系统的暂态稳定性。l由于自动重合闸的成功率在90以上，因此加装自动重 合闸装置有利于系统恢复稳定。 提高暂态稳定的措施 l提高暂态稳定的措施主要依靠缩小加速面积， 增大减速面积，即减少扰动量缩短扰动时间。l采用强行励磁等措施来增大系统承受外部扰动的能 力。l利用快速继电保护和快速动作的断路器快速切除故 障。l采用自动重合闸l减小原动机功率：改善调速系统的特性；快关汽门 ；机械制动；切除部分机组；采用电气制动；采用 串联电容器强行补偿；在长距离输电线路的中途设 置
15、中间开关站。 提高电力系统暂态稳定的主要措施l故障的快速切除和自动重合闸装置的应用 ；l发电机采用快速强行励磁装置；l采用电气制动；l变压器中性点经小电阻接地；l通过快关和切机减小原动机出力；l高压直流（HVDC）输电联络线的控制。提高暂态稳定的措施主要依靠缩小加速面积， 增大减速面积，即减少扰动量缩短扰动时间有关电力系统稳定的一些说法l稳定性问题归结为研究当系统遭受外扰而破坏平衡状态 后的运行规律，从而判断电力系统是否可能失去稳定， 以及研究提高稳定性的措施等。l电力系统中并联运行的发电机保持同步是电力系统正常 运行的一个基本条件。l电力系统的运行正是功率平衡不断被打破，同时又不断 恢复的过
16、程。l研究电力系统的稳定性实际上是分析同步发电机转子间 相对运行状态对干扰的响应，即由=f（t）来描述转子 相对运动的变化过程和变化结局，进而判断系统受扰后 是否为稳定。 保证系统安全稳定运行的基本条件l理想的电网结构l合理的电网结构l合理的电源负荷分布l预想事故分析l对预想事故集的分析l以及对预想事故的处理和备用投入l有预防措施l防止出现恶性连锁反应l缩小事故范围并使系统尽快恢复正常电力系统稳定的主要指标l功率角是判断电力系统稳定的主要指标。l决定功角变化的则是机组转子轴上的不平 衡转矩，或与之对应的不平衡功率，也就 是机组机械功率和电磁功率的差值。l在分析电力系统的稳定性前，对发电机电 磁功率与功率角的关系，即所谓的发电机 的功-角特性作进一步研究。作业l1、什么是电力系统的静态稳定性问题？l
