电力系统分析第四篇电力系统运行稳定性的基本概念

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1、Wuhan University电力系统运行稳定性的基本概念主讲教师：徐箭所在单位：电气工程学院内容提要本章将叙述电力系统稳定性的含义和分 类，介绍静态稳定性、暂态稳定性、负荷稳 定性及电压稳定性等初步概念，导出适合于 电力系统分析计算用的同步发电机转子运动 方程。15-1概述15-2功角的概念15-3静态稳定的初步概念15-4暂态稳定的初步概念15-5负荷稳定的概念15-6电压稳定性的概念15-7发电机转子运动方程15-1概述稳定运行状态系统中的同步电机（主要是发电机）都处于同步运行状态。即所有并联运行的同步电机都有相同的电角速度。电力系统同步稳定性问题电力系统在运行中受到扰动后能否继续保持

2、系统中同步电机 间同步运行的问题。由于稳定性是根据电机转子之间相对位 移角的变化来判别是否同步的，所以又称为功角稳定问题。电力系统分析 主讲人：电气工程学院 徐箭电力系统稳定性的新定义2004年，IEEE Power System Dynamic PerformanceCommit tee 和 CIGRE Study Committee 38 重新确定了电力系 统稳定性的定义：电力系统稳定性是指对于某一个特定的初始状态，在保持 绝大多数的系统变量不越限，且保持系统整体完整的情况 下，一个电力系统受到给定扰动后重新获得某一个平衡状 态的能力。电力系统稳定性的分类动角稳定15-2功角的概念图15-

3、1所示，一个单机-无穷大容量母线的简单系统，受端 电压V的幅值和频率均不变。系统总电抗XdE=Xd+XT1+XL/2+XT2由图15-2的相量图容易 推得发电机输出功率为EVPesin 8.B15-2简单电力系貌的相量留 二二1 一.X(iz当Eq和V恒定时，传输功率Pe是角度6的正弦函数，因传输 功率的大小与6密切相关，所以6称为“功角”，功和角的关 系Pe=f ( 6 )称为“功角特性图15-3就是简单系统的功角H15-4功角相对空间位置的概念功角6在电力系统稳定研究中占有特殊地位，它除了表布莫 电机电势和无穷大系统之间的相位差外（时间概念），更重 要的是它还表明了各发电机转子之间的相对位

4、置（空间概 念）15-3静态稳定的初步概念电力系统静态稳定性系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复原来的运 行状态的能力简单电力系统静态稳定的判据电力系统分析 主讲人：电气工程学院 徐箭dPe dS 0简单电力系统静态稳定的判据15-6小扰动后功角的变化(a)点a运行 (b)点b运行15-4暂态稳定的初步概念电力系统暂态稳定性电力系统在正常运行时，受到大的扰动后，能从原来 的运行状态不失同步地过渡到新的运行状态，并在新 状态下稳定运行。简单电力系统的暂稳判据:等面积定则大扰动现象切除一回输电线路，如图15-7所示。切除前的正常运行时系统总电抗xdsl=Xd+XT1+XL/2+XT2PnEV-s

5、in 5 X dznE. J熊(b)图157切除一切除一回线路后系统总电抗 xdEII=xd+xT1+xL+xT2EqVR =-sin5XdziEV=sin5 XdgiF VPn 二一sin 511 V(a)T-lLi T-2 V0C TKeH(a)7Vdz n15-8暂态稳定的概念9 15-8 H态糠定的根念 、.失去暂态稳定15-5负荷稳定的概念负荷稳定性负荷在正常运行中受到扰动后能保持某一恒定转差S 继续运行的能力。负荷稳定性是电力系统稳定性的一个重要 方面。异步电动机的电磁转矩为Me2emax此max尤1，尤2为异步电动机定、转子漏抗之和。异步电动机的转矩、转差特性如图15-10所示。

6、电力系统分析$ b负荷稳定的概念主讲人：电气工程学院徐箭负荷稳定判据电力系统分析 主讲人：电气工程学院 徐箭dMe0dsS 15-10负荷稳定的概念15-6电压稳定性的概念图1机14筒单供电系统负荷节点的电压稳定如图10-14 (P24)所示单机简单电力系统不存在功角稳定问题，但却存在电压稳定问题。产十沁(sH假设：输电线路总阻抗为zs=zs0s负荷等值阻抗为 Zld =据电压相量图，由余弦定理可得E2 =V2 + |zJ2/2+2|zv|V7cos(-)将/ =上代人可得E27LD2/2 +2 卜 J V7 cos（8 0）（2H图1以14 微单供电系境V2+ZldZsP = ICOS0 =

7、VldLD+ 2cos（6 0）2V2P = j- cos (p LIE2 cos(p/zs电力系统分析 主讲人：电气工彳图1A14 简单供电系统+2cos(。-0)Z$ 么 LD当电源电势一定，输电系统阻抗和 负荷功率因数一定时，受端电压和 功率为负荷阻抗幅值或输电系统阻 抗与负荷阻抗比值的函数。V2P = COS0 二分析:VldE2cos/|z5ZldZs+ 2cos（6 o）匕/%| = 0（受端开路）f p =。|Zs/Zlo| = 8（受端短路）f P =0 zs/zLD = i受端功率P达到最大值，为_E2 COS 9m 2|zJl + cos（6-）电力系统分析主讲人：电气工程

8、学院徐箭V2E2分析:+ 21 +Zs电力系统分析 主讲人：电气工程学院 徐箭当Zs/zLD由零变化到无穷大时，受端电压将由E单 调下降到零;当 匕少| = 1时,受端功率达到极限,相对应的电压为临界电压，其值为受端电压和功率随负荷阻抗变化的曲线一V2E21+ZsLDn V2P = COS。=LD三ZldCOS 伊 一。）图1415受电压和功率的负荷E2 cos%凰抗变化的曲线%LD+ 2cos(8-0)LD电力系统分析 主讲人：电气工程学院 徐箭E2 cos（p/zs+ 2cos（夕一夕）功率极限与负荷功率因数的关系分析:石2 COS = 1（ = 0） = =71ZA2 zj（l + co

9、s。）00。（功率因数滞后）COS0 1 +cos （。 0） 1 + cos 0cos越小（即。越大），功率极限越小，相应的临界电压当值V2 CGS(p =E2 cos(p/zsLDLDZsZsZld+ 2cos(。- 0)当负荷为超前功率因数，即。0时，在功率因数角变化的一定范围内，功率极限将会随着功率因数的减小而 增大，相应的临界电压也会升高。当o 二 -e时，功率极限有最大值，为E2 _ E24 z, cos 9 4r ss(p 0这种情况下输电系统总阻抗与负荷等值阻抗的关系如下:ZLD rs = rLD 4+%=供电点的输出功率为:E2 _ E2ld2rs电力系统分析 主讲人：电气工

10、彳图M14简单供电系统炉二炉P二E2二.rs+rLD 2rs M 4 cose 4r送达负荷点的功率仅为供电点功率的一半，输电效 率为50%。负荷节点的电压为:V = 2 cos /9电网固有功率传输特性：分析图10-15可知：VB 10-15 受熔电压和功率MCA荷 阻抗变化的曲畿当 ZsZLD 1时，若Zld1，负荷所需PJ但电网能供给的P 反而减少。功率失衡加剧，负荷Zld进一步自动减小（如电动机s增 大），电压随之迅速下降，如此恶性循环导致“电压崩溃二电网固有电压特性：当ZldI时，负荷节点电压呈单调下降趋势。ffi 10-15 受电压和功率RB金荷 阻抗文化的曲戕分析： 当系统运行在

11、P- |zs/zLD|曲线的上升段时，负荷有功功 率的暂时供需失衡，依靠网络和负荷的固有特性总可以 恢复平衡，系统稳定，只是电压有所下降；电力系统分析 主讲人：电气工程学院 徐箭当系统运行在P- |zs/zLD| 曲线的下降段时，负荷因 需求功率的增加而减小阻 抗，电网送达的功率反而 减少，导致功率不平衡加 剧。S 10-15 受*电压和功率|依荷 阻抗交化的曲线根据负荷特性，此时负荷阻抗将继续减少，负荷节点 电压随之迅速下降，从而会引发“电压崩溃”。可见，电压平衡是负荷维持功率平衡而调节阻抗的特 性与网络的功率传输特性相互作用的结果。说明：|xb/uj|图10-15 受地电压和功率随仇荷 限抗文化的曲绕负荷功率因数（滞后） 不同时，P- |zs/zLD|曲线 和V- |ZsldI曲线的形状 不变； 功率因数变小时，对应于相同IZsldI值的功率P和电压V均要减小;负荷失稳与电压失稳的关系。电压失稳是负荷失稳的一种外在表现。（4）电压稳定性判据（分析如下）。电力系统分析 主讲人：电气工程学院 徐箭V/E尸/尸mHB 10-15 受地电压和功*随负荷 阻抗交化的曲械P-V曲线的右分支相当于P- |zs/zLD|曲线的上升段，负荷 节点电压的下降可以换取网络送达功率