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1、第二章第二章 电力系统的运转形状及稳定性分析电力系统的运转形状及稳定性分析一、电力系统运转的正常和非正常形状一、电力系统运转的正常和非正常形状1、正常形状遵守的约束条件、正常形状遵守的约束条件有功有功电源：源：发电机机无功无功电源：并源：并联电容器容器 同步伐相机同步伐相机 同步同步电动机机 静止静止补偿器器2-1 电力系统的运转形状电力系统的运转形状不等式约束条件：不等式约束条件：等式约束条件：等式约束条件： 1、正常运转形状：满足等式和不等式约束条、正常运转形状：满足等式和不等式约束条件，是经济运转调度的根底。件，是经济运转调度的根底。 2、警戒形状：满足等式和不等式约束条件，、警戒形状：
2、满足等式和不等式约束条件，但不等式约束曾经接近上下限，以平安调但不等式约束曾经接近上下限，以平安调度为主。度为主。 3、紧急形状：不等式约束遭到破坏，等式约、紧急形状：不等式约束遭到破坏，等式约束仍能满足，系统仍能同步运转。束仍能满足，系统仍能同步运转。 4、系统解体：不等式、等式约束同时不满足，、系统解体：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。负荷系统将解列成几个独立的小系统。负荷过大或者电源功率太大过大或者电源功率太大 5、恢复形状：使解体后的假设干个小系统向、恢复形状：使解体后的假设干个小系统向并列的大系统运转形状过渡。并列的大系统运转形状过渡。二、电力系统运转形状分
3、类二、电力系统运转形状分类 正常形状正常形状满足足负荷需求，荷需求，进展展经济运运转 恢复形状恢复形状重新并列，重新并列， 恢复恢复对用用户供供电 系系统解体解体切机、切切机、切负荷、荷、断开断开线路路 警戒形状警戒形状 预防性控防性控制制 紧急形状急形状 紧急控急控制制 2-2 电力系统稳定性的根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：静态稳定：在一个特定的稳定运转的条件下，电力系统遭到任何一个小的扰动，经过一段时间，它可以自动恢复到或者接近小扰动前的运转条件。暂态稳
4、定：在一个特定的稳态运转条件下，电力系统遭到一个特定的大干扰后，可以从原来的运转形状不失去同步地过渡到另一个允许的稳态运转条件。G功角在时间上表示励磁电势和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，推导同步发电机输出电磁根据同步发电机相量图，推导同步发电机输出电磁功率方程功率方程由于：由于：所以：所以：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 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
5、分析二、电力系统静态稳定分析 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，结果使发电机组开场减速，其角度增量 逐渐减小，经过一段过渡过程后运转又恢复到扰动前的运转点a，使发电机与原动机间恢复了功率的平衡。所以，在a点运转时，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越了发电机的电磁转矩，
6、结果使发电机开场加速，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转情况，最终使发电机失去同步。所以在b点运转时，电力系统是静态不稳定的。蒙受微小扰动后分析蒙受微小扰动后分析a、b两个运转点的过渡过程：两个运转点的过渡过程： 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， 趋趋于于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， 趋趋于于0。 b点：点： 大于大于 0 时，转子转速上升，转时，转子转速上升，转子加速，子加速， 趋于无穷大。趋于无穷大。 小于小于 0
7、时，转子转速下降，时，转子转速下降，转子制动，转子制动， 趋于无穷大。趋于无穷大。 功角特性曲线功角特性曲线( (静静态稳定任定任务点点) )：( (静静态不不稳定任定任务点点) )用用图示功角的双重物理意示功角的双重物理意义 转子因有原动机的驱动转矩抑制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。 可见，功角是研讨同步发电机运转形状的一个重要参数，它不仅决议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，经过它把同步电机的电磁关系和机械运动严密联络起来。静态稳定贮藏 贮藏系数： 为原动机输入功率功角特性曲线功角特性曲线 正常运转情况下
8、，静态稳定贮藏系数该当大于正常运转情况下，静态稳定贮藏系数该当大于15%15%，事故后要求不小于，事故后要求不小于5%5%。整步功率特性曲线整步功率特性曲线 功角功角 与发电机功率与发电机功率 的增量有一样的增量有一样符号时，符号时， 即即 系统是静态稳定的系统是静态稳定的 当当 系统临界稳定系统临界稳定 当当 系统是不稳定的系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转分析，得出静态稳定判据：转分析，得出静态稳定判据：三、电力系统暂态稳定分析三、电力系统暂态稳定分析 G 2-3 研讨电力系统稳定的根本模型同步发电机根本原理同步发电机根本原理 2-3
9、 研讨电力系统稳定的根本模型同步发电机根本原理同步发电机根本原理 2-3 研讨电力系统稳定的根本模型同步发电机定子绕线表示图同步发电机定子绕线表示图汽轮发电机转子构造表示图汽轮发电机转子构造表示图定子有定子有3相电枢绕组空间位置相差相电枢绕组空间位置相差120。转子有励磁和假设干阻尼绕组转子有励磁和假设干阻尼绕组 2-3 研讨电力系统稳定的根本模型同步发电机转子磁极绕线表示图同步发电机转子磁极绕线表示图汽轮发电机转子构造表示图汽轮发电机转子构造表示图 2-3 研讨电力系统稳定的根本模型同步发电机转子磁极绕线表示图同步发电机转子磁极绕线表示图汽轮发电机转子绕组绕线构造表示图汽轮发电机转子绕组绕线
10、构造表示图 2-3 研讨电力系统稳定的根本模型水轮发电机转子运动表示图水轮发电机转子运动表示图 2-3 研讨电力系统稳定的根本模型同步发电机转子磁极绕线表示图同步发电机转子磁极绕线表示图水轮发电机转子构造表示图水轮发电机转子构造表示图vv分析分析分析分析电电力系力系力系力系统稳统稳定的最主要任定的最主要任定的最主要任定的最主要任务务在于确定：在于确定：在于确定：在于确定：vv 转转子角度、角速度子角度、角速度子角度、角速度子角度、角速度变变化的同步化的同步化的同步化的同步发电发电机机机机转转子子子子运运运运动动方程方程方程方程发电机定子：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
11、位置相差120。发电机转子：发电机转子： 有励磁和假设干阻尼绕组有励磁和假设干阻尼绕组 2-3 研讨电力系统稳定的根本模型一、同步发电机根本机构及模型一、同步发电机根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极极极数多极数多发电机机暂态电抗后的抗后的电势矢量；矢量；发电机出口的端机出口的端电压矢量；矢量；发电机机输出出电流矢量；流矢量；发电机机暂态电抗。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根本方程式：同步发电机转子运动根本方程式：转子运动方程：转子运动方程：二、励磁系统模型二、励磁系统模型 普通情况下，发电机
12、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 无功电流的变化影响发电机的电压。为了了坚持持发电机的机的频率和率和电压的的稳定，必需随定，必需随负载变化及化及时调理理发电机的机的输入功率和励磁入功率和励磁电流。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，励磁系统已演化成多功目前，励磁系统已演化成多功能、多变量的控制器能、多变量的控制器二、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稳态运转时a)a)坚持发电机在运转中的电压恒定；坚持发电机在运转中的电压恒定；b)b)同步发电机并列运转时调理无功功率的分配；同步发电机并列运转时调
13、理无功功率的分配；c)c)提高输电线路静态稳定极限，扩展稳定范围；提高输电线路静态稳定极限，扩展稳定范围；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)负荷猛烈变化时，调理发电机输出电压；负荷猛烈变化时，调理发电机输出电压；b)b)系统形状不稳定时，可以强行励磁，提高系统稳定性。系统形状不稳定时，可以强行励磁，提高系统稳定性。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：由直流励磁机或交流励磁机加可控整流器，也可是交流励磁功率单元：由直流
14、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变压器加可控整流器构成励磁调理单元：由自动电压调理器励磁调理单元：由自动电压调理器AVRAVR、电力系统稳定器、电力系统稳定器PSSPSS及及其附属电路和设备构成其附属电路和设备构成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，100MW以上机组很少运用以上机组很少运用 时间常数大，电压呼应速度较慢时间常数大，电压呼应速度较慢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
15、整流器构成直流电源，有辅助励磁机，交流发电机与整流器构成直流电源，有辅助励磁机，轴系长轴系长 励磁呼应时间长，对发电机端电压调理速度较慢励磁呼应时间长，对发电机端电压调理速度较慢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动和扭振 励磁呼应时间短，对发电机端电压调理速度快励磁呼应时间短，对发电机端电压调理速度快 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
16、波量测滤波转子电压转子电压软负反响软负反响 F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 其传送函数可用下式表示比例常数。比例常数。由互感器由互感器-整流器安装中的整流器安装中的滤波作用所引起的波作用所引起的时间常数，常数，较小。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。转子电压软负反响其作用是提高控制调理系统的稳定性质量，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理系统的稳定性质量，输出量大小与转子电压的变化率有关。相位补偿相位补偿传感器传感器信号复归
17、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：信号丈量信号丈量 当采用快速呼应的可控硅励磁调理器，输入信号仅用发电机端子电压时，会使当采用快速呼应的可控硅励磁调理器，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。假设在励磁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。假设在励磁系统中引入其它附加信号，可以加强电力系统的
18、阻尼。系统中引入其它附加信号，可以加强电力系统的阻尼。 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：1-轴；轴；2-叶轮；叶轮；3-动叶片；动叶片；4-喷嘴喷嘴 气轮机模型：气轮机模型： 汽容效应调理气门与第一级喷嘴存在管道和空间汽容效应调理气门与第一级喷嘴存在管道和空间高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气轮机模型：气轮机模型： 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国产300MW汽汽轮发电机机水轮机模型：水轮机模型： 水锤景象水流在水轮机及引水管中有
19、惯性水锤景象水流在水轮机及引水管中有惯性水轮机模型：水轮机模型： 思索水锤景象思索水锤景象输入量：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间隔输电和保送才干的决议要素之一。功率功率过剩过剩传输传输才干才干缺乏缺乏功率功率缺乏缺乏因缺因缺点被点被切除切除普通原那么：普通原那么： 1尽能够地提高电力系统的功率极限；2减少发电机相对运动的振荡幅度。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中心是控制电力系统内同步发电机转子的运
20、动形状，使其坚持同步运转，即发电机输出端电压为50Hz1、尽量缩短电气间隔或等值电气间隔根本措施 1减少发电机或变压器电抗； 2采用自动励磁安装；投资小、优先思索 3减少线路电抗；分裂导线或双回输电线 4串联电容补偿； 5改善电力系统构造，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 紧急形状下的暂时措施3、解列、合理选择解列点权宜措施提高电力系统静态稳定性的措施v电力系力系统具有静具有静态稳定性是保定性是保证系系统正常运正常运转的必要条件。的必要条
21、件。保保证和提高系和提高系统静静态稳定性，从有功来看，主要是提高功定性，从有功来看，主要是提高功率极限率极限值Pm=*，v因此可以从减小系因此可以从减小系统各元件的各元件的电抗、提高抗、提高发电机的机的电动势和提高系和提高系统电压三方面着手。三方面着手。提高电力系统静态稳定性的措施续v减小发电机或变压器的电抗。会添加发电机的本钱投入，减小发电机或变压器的电抗。会添加发电机的本钱投入，变压器的电抗减小很困难，在经济上不合算变压器的电抗减小很困难，在经济上不合算v采用自动调理励磁安装。可以大大提高功率极限，并扩展稳采用自动调理励磁安装。可以大大提高功率极限，并扩展稳定功角的范围。由于自动调理励磁安
22、装在总投资中所占的比定功角的范围。由于自动调理励磁安装在总投资中所占的比重很小，所以在各种提高静态稳定性的措施中，总是先思索重很小，所以在各种提高静态稳定性的措施中，总是先思索这一措施。这一措施。v减小线路电抗：提高输电线路的电压等级、采用分裂导线减小线路电抗：提高输电线路的电压等级、采用分裂导线v采用串联电容器补偿采用串联电容器补偿v提高系统运转电压程度：电力系统的运转电压程度，不仅是提高系统运转电压程度：电力系统的运转电压程度，不仅是电能质量的一个重要标志，而且对系统运转的静态稳定性也电能质量的一个重要标志，而且对系统运转的静态稳定性也有艰苦影响，其根本措施是在电力系统中装设充足的无功功有
23、艰苦影响，其根本措施是在电力系统中装设充足的无功功率电源并能随时保证系统在额定电压程度下无功功率平衡率电源并能随时保证系统在额定电压程度下无功功率平衡维持持电力系力系统稳定的重要手段定的重要手段 进展展电力系力系统无功功率控制无功功率控制发电机是电力系统中重要的无功电源，而控制发电机发电机是电力系统中重要的无功电源，而控制发电机输出无功功率的是发电机的励磁调理系统。输出无功功率的是发电机的励磁调理系统。在电力系统静态稳定方面，合理的选用自动励磁调理在电力系统静态稳定方面，合理的选用自动励磁调理器，可以使发电机出口某一电抗后面的电压维持不变，器，可以使发电机出口某一电抗后面的电压维持不变，这相当
24、于将发电机电抗和发电机后面的电抗减少到零，这相当于将发电机电抗和发电机后面的电抗减少到零，从而提高电力系统稳定性。从而提高电力系统稳定性。在电力系统动态稳定方面，采用高励磁顶值、快速呼在电力系统动态稳定方面，采用高励磁顶值、快速呼应的励磁系统，会使发电机在加速过程中迅速增大励应的励磁系统，会使发电机在加速过程中迅速增大励磁电流，从而有效地改善电力系统的暂态稳定性磁电流，从而有效地改善电力系统的暂态稳定性方法：1快速切除缺点； 2采用自动重合闸； 3强行励磁维持同步发动机出口电压UG为常数不变 ； 4改善原动机调速系统的调理特性如快速封锁进气阀门； 5同步发电机输出端采用电气制动控制； 6变压器
25、中性点经小电阻接地； 7强行串联补偿和设置开关站控制； 8连锁切除同步发电机； 9调理直流输电功率控制； 10设置合理的解列点或同步发电机异步运转。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。发电机的励磁自动控制系统对静态稳定和暂态稳定的影响v对暂态稳定的影响曲线1 对应于正常运转时的形状；曲线2对应于缺点时的运转形状；曲线3 对应于缺点切除后的运转形状。v当系当系统正常运正常运转时，发电机任机任务在在a点，点，发电机机输出的有功出的有功功率功率为P G = P 1
26、(P 1为系系统取用的有功功率取用的有功功率)。当系。当系统中某中某点点发生缺点生缺点时，阻断了，阻断了发电机与系机与系统之之间的部分的部分联络(影响影响程度与缺点点至程度与缺点点至发电机的机的电气气间隔有关隔有关)，系，系统取用功率由取用功率由 P 1急急剧减小，从而使减小，从而使发电机的机的输出功率出功率 P G急急剧减小，其运减小，其运转点突点突变到曲到曲线2 的的b点，点，发电机的机的输入功率由于入功率由于惯性而不性而不会突会突变减小，呵斥减小，呵斥发电机的机的输入功率大于入功率大于输出功率，其出功率，其输入入转矩大于矩大于发电机的机的电磁磁转矩，使矩，使发电机机转子加速，子加速，发电
27、机的机的运运转点由点由b点沿曲点沿曲线2向向c 点挪点挪动，其功角，其功角 不断增大。当缺不断增大。当缺点切除后，点切除后，发电机运机运转到曲到曲线3上的上的d 点。假点。假设在缺点在缺点时快快速提高励磁速提高励磁电流，即添加流，即添加发电机的感机的感应电势，使，使发电机缺点机缺点时的功角特性曲的功角特性曲线2 的幅的幅值添加，从而使添加，从而使发电机在缺点机在缺点时的的输出功率相出功率相对较大，降低大，降低转子加速程度，提高子加速程度，提高发电机的机的暂态稳定性。定性。v提高同步发电机的强励才干，即提高励磁顶提高同步发电机的强励才干，即提高励磁顶值电压和励磁电压的上升速度，是提高电力值电压和
28、励磁电压的上升速度，是提高电力系统暂态稳定性的最经济、最有效的手段之系统暂态稳定性的最经济、最有效的手段之一。一。详细措施：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GG2电气制动水电厂 缺点后迅速投入电阻，耗费发电机过剩的有功功率 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。电阻投入时辰：立刻、二次重合 电阻退出时辰：启启动信号的信号的选择过制制动和欠制和欠制动留意的留意的问题：3快关汽门 减小原动机转矩，合顺运用于汽轮机。慎用4自动重合闸 普通指二次重合闸，主要针对瞬时缺点。5采用快速励磁系统 强行励磁坚持电压程度。6切除部分负荷 在频率正常情况下，在短路缺点切除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：(1) 解列后各小系统功率根本平衡； (2) 再并列较方便、通讯可靠性高、远动设备程度高。分裂导线分裂导线
