第二章第二章 电力系统的运行状态及稳定性分析电力系统的运行状态及稳定性分析一、电力系统运行的正常和非正常状态一、电力系统运行的正常和非正常状态有功电源：发电机有功电源：发电机无功电源：并联电容器无功电源：并联电容器 同步调相机同步调相机 同步电动机同步电动机 静止补偿器静止补偿器2-1 电力系统的运行状态电力系统的运行状态不等式约束条件：不等式约束条件：等式约束条件：等式约束条件：1、正常状态遵守的约束条件1 1、正常运行状态：、正常运行状态：满足等式和不等式约束条件，是经济运行调度的基础 2、警戒状态：、警戒状态：满足等式和不等式约束条件，但不等式约束已经接近上下限，以安全调度为主 3、紧急状态：、紧急状态：不等式约束遭到破坏，等式约束仍能满足，系统仍能同步运行 4、系统崩溃：、系统崩溃：不等式、等式约束同时不满足，系统将解列成几个独立的小系统 5、恢复状态：、恢复状态：使崩溃后的若干个小系统向并列的大系统运行状态过渡二、电力系统运行状态分类二、电力系统运行状态分类2 正常状态正常状态（满足负荷需求，进行经济运行）（满足负荷需求，进行经济运行） 恢复状态恢复状态（重新并列，（重新并列， 恢复对用户供电）恢复对用户供电） 系统崩溃系统崩溃（切机、切负荷、（切机、切负荷、断开线路）断开线路） 警戒状态警戒状态 （预防性控制）（预防性控制） 紧急状态紧急状态 （紧急控制）（紧急控制）3 2-2 电力系统稳定性的基本概念电力系统稳定性的基本概念电力系统稳定性分类：20世纪60年代前：前苏联、我国：静态稳定，动态稳定。
西方：静态稳定，暂态稳定20世纪70年代起，国际通用：静态稳定，暂态稳定一、定义：一、定义：静态稳定：在一个特定的稳定运行的条件下，电力系统受到任何一个小的扰动，经过一段时间，它能够自动恢复到或者靠近小扰动前的运行条件暂态稳定：在一个特定的稳态运行条件下，电力系统受到一个特定的大干扰后，能够从原来的运行状态不失去同步地过渡到另一个允许的稳态运行条件4 G功角在时间上表示励磁电势和受电端电压之间的相角差；X发电机输出的电磁功率方程：二、电力系统静态稳定分析二、电力系统静态稳定分析 根据同步发电机相量图，根据同步发电机相量图，推导同步发电机输出电磁推导同步发电机输出电磁功率方程功率方程因为：因为：所以：所以：I5 G功角特性曲线功角特性曲线X发电机输出的电磁功率方程：二、电力系统静态稳定分析二、电力系统静态稳定分析 6 同步发电机的功率流程：二、电力系统静态稳定分析二、电力系统静态稳定分析 7 遭受微小扰动后遭受微小扰动后a、、b两个运行点的过渡过程分析：两个运行点的过渡过程分析： a点：点： 大于大于 0 时，转子转速上升，转子制动，时，转子转速上升，转子制动， 趋于趋于0。
小于小于 0 时，转子转速下降，转子加速，时，转子转速下降，转子加速， 趋于趋于0 b点：点： 大于大于 0 时，转子转速上升，转子加时，转子转速上升，转子加速，速， 趋于无穷大趋于无穷大 小于小于 0 时，转子转速下降，转子制时，转子转速下降，转子制动，动， 趋于无穷大趋于无穷大 功角特性曲线功角特性曲线( (静态稳定工作点静态稳定工作点) )：：( (静态不稳定工作点静态不稳定工作点) )8 G功角在空间上表现为发电机转子磁场轴线与定子合成磁场轴线之间夹角X发电机输出的电磁功率方程：二、电力系统静态稳定分析二、电力系统静态稳定分析 9 用图示功角的双重物理意义用图示功角的双重物理意义10 转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功,实现机电能量转换,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。
功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来动紧密联系起来11 为原动机输入的电磁功率为原动机输入的电磁功率功角特性曲线功角特性曲线对静态稳定储备系数的要求： 正常运行情况下应大于15% 事故后要求不小于5%静态稳定储备储备系数：储备系数：12 整步功率特性曲线整步功率特性曲线 功角功角 与发电机电磁功率与发电机电磁功率 的的增量有相同符号时，增量有相同符号时， 即即 系统系统是静态稳定的是静态稳定的 当当 系统系统临界稳定临界稳定 当当 系系统是不稳定的统是不稳定的整步功率整步功率 根据上面在点根据上面在点a及点及点b能否稳定运能否稳定运行分析，得出静态稳定判据：行分析，得出静态稳定判据：13 三、电力系统暂态稳定分析三、电力系统暂态稳定分析 G14 2-3 研究电力系统稳定的基本模型研究电力系统稳定的基本模型同步发电机基本原理同步发电机基本原理15 2-3 研究电力系统稳定的基本模型研究电力系统稳定的基本模型同步发电机基本原理同步发电机基本原理16 2-3 研究电力系统稳定的基本模型研究电力系统稳定的基本模型同步发电机定子绕线示意图同步发电机定子绕线示意图汽轮发电机转子结构示意图汽轮发电机转子结构示意图定子有定子有3相电枢绕组（空间位置相差相电枢绕组（空间位置相差120。
转子有励磁和若干阻尼绕组转子有励磁和若干阻尼绕组17 18 2-3 研究电力系统稳定的基本模型研究电力系统稳定的基本模型同步发电机转子磁极绕线示意图同步发电机转子磁极绕线示意图汽轮发电机转子结构示意图汽轮发电机转子结构示意图19 2-3 研究电力系统稳定的基本模型研究电力系统稳定的基本模型同步发电机转子磁极绕线示意图同步发电机转子磁极绕线示意图汽轮发电机转子绕组绕线结构示意图汽轮发电机转子绕组绕线结构示意图20 21 2-3 研究电力系统稳定的基本模型研究电力系统稳定的基本模型水轮发电机转子运动示意图水轮发电机转子运动示意图22 2-3 研究电力系统稳定的基本模型研究电力系统稳定的基本模型同步发电机转子磁极绕线示意图同步发电机转子磁极绕线示意图水轮发电机转子结构示意图水轮发电机转子结构示意图23 vv分析电力系统稳定的最主要工作在于确定：分析电力系统稳定的最主要工作在于确定：分析电力系统稳定的最主要工作在于确定：分析电力系统稳定的最主要工作在于确定： 转子角度、角速度变化的同步发电机转子运动方程转子角度、角速度变化的同步发电机转子运动方程转子角度、角速度变化的同步发电机转子运动方程转子角度、角速度变化的同步发电机转子运动方程发电机定子：发电机定子： 有有3相电枢绕组（空间位置相差相电枢绕组（空间位置相差120。
发电机转子：发电机转子： 有励磁和若干阻尼绕组有励磁和若干阻尼绕组 2-3 研究电力系统稳定的基本模型研究电力系统稳定的基本模型一、同步发电机基本机构及模型一、同步发电机基本机构及模型现代汽轮发电机均为现代汽轮发电机均为2极极极数多极数多24 ——发电机暂态电抗后的电势矢量；发电机暂态电抗后的电势矢量；——发电机出口的端电压矢量；发电机出口的端电压矢量；——发电机输出电流矢量；发电机输出电流矢量；——发电机暂态电抗发电机暂态电抗二阶同步发电机模型二阶同步发电机模型转子运动方程：转子运动方程：附加代数方程：附加代数方程：同步发电机转子运动基本方程式：同步发电机转子运动基本方程式：转子运动方程：转子运动方程：25 二、励磁系统模型二、励磁系统模型 一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负载一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负载: : 有功电流的变化影响发电机的转速及频率有功电流的变化影响发电机的转速及频率 无功电流的变化影响发电机的电压无功电流的变化影响发电机的电压 为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变 为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。
化及时调节发电机的输入功率和励磁电流因此，励磁系统的原有功能：因此，励磁系统的原有功能：目前，励磁系统已演变成多功目前，励磁系统已演变成多功能、多变量的控制器能、多变量的控制器26 二、励磁系统模型二、励磁系统模型现代励磁控制的作用：现代励磁控制的作用：（1）稳态运行时a)a)保持发电机在运行中的电压恒定；保持发电机在运行中的电压恒定；b)b)同步发电机并列运行时调节无功功率的分配；同步发电机并列运行时调节无功功率的分配；c)c)提高输电线路静态稳定极限，扩大稳定范围；提高输电线路静态稳定极限，扩大稳定范围；d)d)可以阻尼和抑制低频震荡可以阻尼和抑制低频震荡不仅控制发电机端电压，还控制发电机的功率因数和电流等参数不仅控制发电机端电压，还控制发电机的功率因数和电流等参数（2）暂态过程中a)a)负荷剧烈变化时，调节发电机输出电压；负荷剧烈变化时，调节发电机输出电压；b)b)系统状态不稳定时，可以强行励磁，提高系统稳定性系统状态不稳定时，可以强行励磁，提高系统稳定性27 同步发电机励磁系统的组成同步发电机励磁系统的组成励磁功率单元：励磁功率单元：由直流励磁机或交流励磁机加可控整流器，也可是交流变压器由直流励磁机或交流励磁机加可控整流器，也可是交流变压器加可控整流器构成加可控整流器构成励磁调节单元：励磁调节单元：由自动电压调节器（由自动电压调节器（AVRAVR）、电力系统稳定器（）、电力系统稳定器（PSSPSS）及其附属）及其附属电路和设备构成电路和设备构成28 按励磁电流提供方式不同：按励磁电流提供方式不同：（（1）直流机励磁系统）直流机励磁系统 由带有整流子的直流发电机供电由带有整流子的直流发电机供电 电刷是约束，电刷是约束，100MW100MW以上机组很少使用以上机组很少使用 时间常数大，电压响应速度较慢时间常数大，电压响应速度较慢29 30 按励磁电流提供方式不同：按励磁电流提供方式不同：（（2）交流机励磁系统）交流机励磁系统 交流发电机与整流器构成直流电源，有辅助励磁机，轴系长交流发电机与整流器构成直流电源，有辅助励磁机，轴系长 励磁响应时间长，对发电机端电压调节速度较慢励磁响应时间长，对发电机端电压调节速度较慢31 按励磁电流提供方式不同：按励磁电流提供方式不同：（（3）静态励磁系统）静态励磁系统 从发电机出口变压器加整流器从发电机出口变压器加整流器 由于无主副励磁机，无旋转部件，轴系短，有利于减少机组振动和扭振由于无主副励磁机，无旋转部件，轴系短，有利于减少机组振动和扭振 励磁响应时间短，对发电机端电压调节速度快励磁响应时间短，对发电机端电压调节速度快 32 励励磁磁机机可控硅可控硅 输输 出出 移移 相相 触触 发发综合放大综合放大 量测滤波量测滤波转子电压转子电压软负反馈软负反馈 F33 和和 分别为该环节的放大倍数和时间常数。
分别为该环节的放大倍数和时间常数量测滤波：惯性环节 其传递函数可用下式表示——比例常数比例常数——由互感器由互感器-整流器装置中的滤波作用所引起的时间常数，较小整流器装置中的滤波作用所引起的时间常数，较小综合放大、移相触发、可控硅输出：近似为惯性环节和和 分别为该环节的放大倍数和时间常数分别为该环节的放大倍数和时间常数转子电压软负反馈其作用是提高控制调节系统的稳定性品质，输出量大小与转子电压的变化率有关其作用是提高控制调节系统的稳定性品质，输出量大小与转子电压的变化率有关34 相位补偿相位补偿传感器传感器信号复归信号复归放大限幅放大限幅四、原动机调速系统模型四、原动机调速系统模型三、电力系统稳定器模型三、电力系统稳定器模型（（Power System Stabilizer,PSS））电力系统频率正比于原动机转速调速系统由量测、放大、执行三个环节组成量测环节的输入控制变量：信号测量信号测量 当采用快速响应的可控硅励磁调节器，输入信号仅用发电机端子电压时，会使当采用快速响应的可控硅励磁调节器，输入信号仅用发电机端子电压时，会使电力系统产生弱阻尼或负阻尼而引起电力系统增幅震荡，导致不稳定。
若在励磁系电力系统产生弱阻尼或负阻尼而引起电力系统增幅震荡，导致不稳定若在励磁系统中引入其它附加信号，可以增强电力系统的阻尼统中引入其它附加信号，可以增强电力系统的阻尼 这类信号由电力系统稳定器提供：这类信号由电力系统稳定器提供：35 1-轴；轴；2-叶轮；叶轮；3-动叶片；动叶片；4-喷嘴喷嘴 汽轮机模型：汽轮机模型： 汽容效应（调节气门与第一级喷嘴存在管道和空间）汽容效应（调节气门与第一级喷嘴存在管道和空间）高压高压蒸汽室蒸汽室高高再热器再热器中中联联 箱箱低低低低轴轴阀门阀门开度开度去凝汽室去凝汽室36 汽轮机模型：汽轮机模型： 以给定功率为输入量以给定功率为输入量以蒸汽量为输出量以蒸汽量为输出量引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机37 水轮机模型：水轮机模型： 水锤现象（水流在水轮机及引水管中有惯性）水锤现象（水流在水轮机及引水管中有惯性）38 水轮机模型：水轮机模型： 考虑水锤现象考虑水锤现象输入量：导叶开度输入量：导叶开度输出量：水轮机功率输出量：水轮机功率39 2-4 提高和改善电力系统稳定性的控制技术提高和改善电力系统稳定性的控制技术 电力系统稳定性是限制交流远距离输电和输送能力的决定因素之一。
~~功率功率过剩过剩传输传输能力能力不足不足功率功率不足不足因故因故障被障被切除切除问题的提出：问题的提出：40 一般原则：一般原则： 1）尽可能地提高电力系统的功率极限2-4 提高和改善电力系统稳定性的控制技术提高和改善电力系统稳定性的控制技术电力系统稳定控制的核心是控制电力系统内同步发电机转子的运动状态，使其保持同步运行，即发电机输出端电压为50Hz2）减少发电机相对运动的振荡幅度41 1、尽量缩短电气距离或等值电气距离（根本措施） 1 1）减少发电机或变压器电抗；）减少发电机或变压器电抗； 2 2）采用自动励磁装置；）采用自动励磁装置；（补偿电枢反应的去磁作用，保证了发电机输出电压自（补偿电枢反应的去磁作用，保证了发电机输出电压自 动调整动调整( (恒压恒压) )投资小、优先考虑）投资小、优先考虑） 3 3）减少线路电抗；）减少线路电抗；（分裂导线或双回输电线）（分裂导线或双回输电线） 4 4）串联电容补偿；）串联电容补偿； 5 5）改善电力系统结构，系统中间增设中间调相机。
改善电力系统结构，系统中间增设中间调相机2-4 提高和改善电力系统稳定性的控制技术提高和改善电力系统稳定性的控制技术一、提高静态稳定的方法一、提高静态稳定的方法2、减小机械与电磁、负荷与电源的功率或能量差额 （紧急状态下的临时措施）3、解列、合理选择解列点（权宜措施）42 分裂导线分裂导线串联电容补偿器串联电容补偿器中间调相机中间调相机 串联补偿电容器组可以更有效地利用输电线路，串联补偿电容器组可以更有效地利用输电线路，使输电系统更加可靠、经济地运行增加输电能力的使输电系统更加可靠、经济地运行增加输电能力的要求意味着增加输电线路或者对线路进行补偿，串联要求意味着增加输电线路或者对线路进行补偿，串联补偿是一个提高线路输电能力既经济又有效的办法，补偿是一个提高线路输电能力既经济又有效的办法，不但可以改善线路电器参数，实现不但可以改善线路电器参数，实现2 2条线路输送条线路输送3 3条线条线路的功率，而且既提高了传输功率又节省了投资仅路的功率，而且既提高了传输功率又节省了投资仅用于高压系统用于高压系统 分裂导线一般是将每相导线用分裂导线一般是将每相导线用2-42-4根截面根截面较小的导线组成，分导线间相距较小的导线组成，分导线间相距0.3-0.50.3-0.5米，米，可以起到增大导线直径的作用，比总截面相可以起到增大导线直径的作用，比总截面相同的大导线，更不容易产生电晕，送电能力同的大导线，更不容易产生电晕，送电能力提高。
分裂导线主要有应用于提高分裂导线主要有应用于330330千伏及以上千伏及以上电压的线路上电压的线路上 调相机在电力系统中的作用，就是发出无功或吸收无功，达到改善功率因数，同时兼有调整电压的作用调相机在电力系统中的作用，就是发出无功或吸收无功，达到改善功率因数，同时兼有调整电压的作用 在长距离输电线路中，线路电压降随负载情况的不同而发生变化，如果在输电线的受电端装一同步调相机，在长距离输电线路中，线路电压降随负载情况的不同而发生变化，如果在输电线的受电端装一同步调相机，在电网负载重时，让其过励运行，减少输电线中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降；在输电线轻载的在电网负载重时，让其过励运行，减少输电线中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降；在输电线轻载的情况下，让其欠励运行，吸收滞后的无功电流，可防止电网电压上升，从而维持电网的电压在一定的水平上情况下，让其欠励运行，吸收滞后的无功电流，可防止电网电压上升，从而维持电网的电压在一定的水平上同步调相机还有提高电力系统稳定性的作用随着电力电子技术的发展和静止无功补偿器同步调相机还有提高电力系统稳定性的作用随着电力电子技术的发展和静止无功补偿器 (SVC)(SVC)的推广使用，的推广使用，调相机现已很少使用。
调相机现已很少使用 43 方法：1 1）快速切除故障；）快速切除故障； 2 2）采用自动重合闸；）采用自动重合闸； 3 3）强行励磁）强行励磁（维持同步发动机出口电压（维持同步发动机出口电压UG为常数不变）为常数不变） ；； 4 4）改善原动机调速系统的调节特性（如快速关闭进气阀门）；）改善原动机调速系统的调节特性（如快速关闭进气阀门）； 5 5）同步发电机输出端采用电气制动控制；）同步发电机输出端采用电气制动控制； 6 6）变压器中性点经小电阻接地；）变压器中性点经小电阻接地； 7 7）强行串联补偿和设置开关站控制；）强行串联补偿和设置开关站控制； 8 8）连锁切除同步发电机；）连锁切除同步发电机； 9 9）调节直流输电功率控制；）调节直流输电功率控制； 1010）设置合理的解列点或同步发电机异步运行设置合理的解列点或同步发电机异步运行二、提高暂态稳定的方法及措施二、提高暂态稳定的方法及措施2-4 提高和改善电力系统稳定性的控制技术提高和改善电力系统稳定性的控制技术根本出发点：控制和减少功率、能量的差额。
44 具体措施：1）切除部分机组（水电厂）G2G4G1G3GG水电站水电站中间变电站中间变电站受端系统受端系统就就地地切切机机远动切机远动切机45 GG2）电气制动（水电厂） 故障后迅速投入电阻，消耗发电机过剩的有功功率启动信号的选择启动信号的选择过制动和欠制动过制动和欠制动注意的问题：注意的问题：电阻投入时刻：电阻投入时刻：立即、二次重合立即、二次重合 电阻退出时刻：电阻退出时刻：R容量相当于电厂装机容量的1/3至1/4（容量足够时才有效）46 3）快关汽门 减小原动机转矩，适合应用于汽轮机慎用）（慎用）4）自动重合闸 一般指二次重合闸，主要针对瞬时故障5）采用快速励磁系统 强行励磁保持电压水平6）切除部分负荷 在频率正常情况下，在短路故障切除0.5s内切除负荷， 再在15min内分级将负荷重新投入7）再同步控制 加大、减小原动机转矩8）解列 解列点选择：解列点选择：(1) 解列后各小系统功率基本平衡；解列后各小系统功率基本平衡； (2) 再并列较方便、通信可靠性高、远动设备水平高。
再并列较方便、通信可靠性高、远动设备水平高47 在a点，当扰动使发电机的角度获得微小增量 时，发电机发出的功率将随之增大，此时发电机与原动机之间的功率平衡遭到破坏由于这时发电机发出的电功率大于原动机的机械功率，即原动机的驱动转矩小于发电机的电磁滞动转矩，结果使发电机组开始减速，其角度增量 逐渐减小，经过一段过渡过程后运行又恢复到扰动前的运行点a，使发电机与原动机间恢复了功率的平衡所以，在a点运行时，电力系统是静态稳定的 在b点，当扰动使发电机的角度获得微小增量 时，发电机发出的功率减小，发电机与原动机的机械功率遭到破坏，此时发电机发出的电功率小于原动机的机械功率，即原动机的驱动转矩超过了发电机的电磁转矩，结果使发电机开始加速，其角度增量 逐渐增大，且随着角度的增大发电机发出的功率继续减小，进一步引起角度继续增大，结果更加偏离了原先的运行情况，最终使发电机失去同步所以在b点运行时，电力系统是静态不稳定的。