6、电力系统稳定性分析

第一部分电力系统基础主要内容•第一章电力系统的基本概念•第二章电力网元件参数及等值电路•第三章电力系统潮流计算•第四章电力系统运行方式的调整和控制•第五章电力系统故障分析•第六章电力系统稳定性分析第六章电力系统稳定性分析•第一节概述•第二节电力系统静态稳定•第三节电力系统暂态稳定第一节概述一、电力系统稳定性的定义给定运行条件下的电力系统，在受到扰动后，如果能重新恢复到原来运行平衡状态或新的运行平衡状态，并且系统中的多数运行参数可维持在一定的允许范围内，使整个系统能稳定运行，即称电力系统是稳定的。二、电力系统稳定性的分类根据性质的不同，电力系统稳定性可分为功角稳定、电压稳定和频率稳定三类。（一）功角稳定不考虑发电机的励磁调节器作用——空载电势Eq恒定sin,qEdEUPx功角特性：称为功角。不考虑原动机调速器的作用——发电机的机械功率PT恒定dxqEGUTxLUULxI～G1、功角稳定的含义和本质功角δ：发电机电势与系统电压的相角差。功角稳定性：即系统受到干扰之后，Ｅq与Ｕ之间的夹角能稳定于一个固定值。功角稳定，是系统稳定的首要条件。功角稳定的本质：并列运行的发电机，当它们的电角速度都相等时，称它们处于同步运行状态。功角稳定的本质就是系统受到干扰之后，发电机转子的转速可以稳定于同步转速，这样线路上的电流、电压、发电机输出功率等电磁参数都能在扰动之后能保持稳定。功角稳定取决于系统中每一台发电机维持或恢复其电磁转矩与机械转矩的平衡关系的能力。2、功角稳定分类(1)电力系统静态稳定：指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。(2)电力系统暂态稳定：指电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。(3)电力系统动态稳定：指系统受到小、大干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，不发生振幅不断增大的振荡而失步，即保持长时间运行稳定性的能力。远距离输电线路的输电能力受这3种稳定能力的限制，有一个极限。它既不能等于或超过静态稳定极限，也不能超过暂态稳定极限和动态稳定极限。在我国，由于网架结构薄弱，暂态稳定问题较突出，因而线路输送能力相对国外来说要小一些。（二）电压稳定1、定义：电力系统在受到扰动后，凭借系统本身固有的特性和控制设备的作用，能维持所有母线电压在可接受范围。2、电压不稳定的原因电压不稳定现象，一般出现在电源远离负荷中心或愉电系统带重负荷的情况，当无功电源（发电机、调相机、电容器，高压输电线）突然切除，或者电力系统的无功电源不足，负荷（特别是无功负荷）慢慢增加到一定程度时，有可能使电压大幅度下降，以致发生所谓电压崩喷现象。这时系统中大量电动机停止转动，发电机甩掉大量负荷，最后导致电力系统的解列，甚至使电力系统的一部分或全部瓦解。如（a）图所示，在点a切除无功电源，电压下降，到点b电压崩喷，到点c局部电力系统瓦解。如（b）图所示，由于负荷（特别是无功负荷）的逐渐增加，到点a开始电压崩溃，到点b开始发生振荡。无功电源切除电压崩溃负荷增加电压崩溃（三）频率稳定1、定义：电力系统在受到扰动后，凭借系统本身固有的特性和控制设备的作用，能维持系统频率在可接受范围。2、频率不稳定的原因：电力系统的频率不稳定现象出现在有功电源开断或负荷突然增大时，由于电源和负荷间有功功率的严重不平衡，会引起电力系统领率突然大幅度下降，威胁电力系统的正常运行（如汽轮机叶片强烈振动，发电厂辅助机械的不正常工作）。如果不立即采取措施，使频率恢复正常，将会使整个发电厂解列，电力系统有功功率不平衡加剧，频率进一步下降，产生所谓频率崩溃现象，导致全系统的瓦解。曲线1表示电力系统失去少量电源△P，但电力系统尚有足够的备用电源，所以能够很快使频率恢复。曲线2表示失去很大电源△P，同时电力系统又无足够备用电源，所以频率就一直下降，以至崩溃。第二节电力系统静态稳定一、静态稳定的概念静态稳定是指电力系统在某一正常运行状态下受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到原始运行状态的能力。静态稳定问题实际上就是确定小扰动下系统的某个运行稳态点能否保持。t00t00自发振荡，静态失稳t0非周期性失步，静态失稳静态稳定0二、简单电力系统静态稳定的物理过程分析0TPPPMPaaaabbbb090EP0180aaaTaaaaPPaaaTaaaaPPa点：小扰动后能自行恢复到原先的平衡状态，静态稳定运行点。图7-1(b)aabbsindqExUEP0(1)1()TEJddtdPPdtT0TPPPMPaaaabbbb090EP0180b点：小扰动后，转移到a点或失去同步，静态不稳定运行点。bbbTbbbbPPbbbTbbbbPP图7-1(b)aabbsindqExUEP0(1)1()TEJddtdPPdtT0TPPPMPaaaabbbb090EP0180图7-1(b)aabbsindqExUEPaaaat0t周期衰减振荡a点是静态稳定运行点0TPPPMPaaaabbbb090EP0180图7-1(b)aabbsindqExUEPaat0tbbbb非周期失稳转移到a点b点是静态不稳定运行点•a点稳定，处于功角特性的上升沿，该点的斜率大于0；b点不稳定，处于功角特性的下降沿，该点的斜率小于0。•简单系统的稳定判据：运行点处功角特性的斜率（导数）大于0，即：0ddPE整步功率系数整步功率系数大小可表示系统静态稳定的程度。整步功率系数值越小，静态稳定的程度越低。整步功率系数等于0，则是稳定与不稳定的分界点，即静态稳定极限点。在简单系统中静态稳定极限点所对应的功角就是功角特性的最大功率所对应的功角。(7-2)•静态稳定储备系数00100%MpPPKP正常运行方式的静态稳定储备要求%)20~%15(pK%10pK事故后运行方式的静态稳定储备要求根据我国现行的《电力系统安全稳定导则》：MP稳定极限点对应的功率0P某一运行情况下的输送功率2sinsin22qdqEddqEUxxUPxxxEPEmP090018000090mqEPaaabbbaaaTaaaaPPaaaTaaaaPPbbbTbbbbPPbbbTbbbbPPb点：静态不稳定运行点a点：静态稳定运行点稳定判据：0ddPE整步功率系数0TPPabaabb简单系统中发电机为凸极机时的静态稳定分析三、提高系统静态稳定性的措施1、利用自动调节励磁装置2、减小元件的电抗3、改善系统的结构和采用中间补偿设备1、利用自动调节励磁装置090018000mEqPmEqPmUGPUmEmEmqqGPPP0P0GqqUmEmEmPPP2.521.8131.15124.68°117.15°90°无自动调节励磁器：基本恒定自动调节励磁器作用一般：基本恒定自动调节励磁器作用很强：基本恒定qE'qEGU自动调节励磁器可增大极限点功率、极限功角和静态稳定储备系数，即可增强系统静态稳定性。090018000mEqPmEqPmUGPmqEmqEmGUPPP0P0GqqUmEmEmPPP•无自动励磁调节器时，稳定极限由SEq=0确定，为图中的a点。•安装电压偏差比例式励磁调节器，如果Ke（偏差放电倍数）选择合适，稳定极限近似由SE’q=0确定，为图中的b点。•安装PSS或强力式调节器，稳定极限近似由SUG=0确定，为图中的c点。abc2、减小元件的电抗（1）采用分裂导线（2）提高线路额定电压输电线路电抗的标么值与电压的平方成反比（3）采用串联电容补偿一般，串联电容补偿度愈大，线路等值电抗愈小，对提高稳定性愈有利。但补偿度过大，可能造成很大的短路电流，还可能出现负阻尼效应。ccLKXX3、改善系统的结构和采用中间补偿设备调相机静止电容器可互换功率地方电力系统中间点电压得到维持，减小系统之间的电气距离V•（1）增加输电线路的回路数•（2）中继电力系统和中继补偿设备输电线路中间降压站V～G～G～G第三节电力系统暂态稳定一、暂态稳定的概念电力系统暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行状态的能力。暂态稳定研究的是电力系统在某一运行状态下受到较大干扰时的稳定性问题。大干扰：短路故障，突然断开线路、变压器或发电机，大量负荷的切除或投入等。系统的暂态稳定性不仅与系统在扰动前的运行状态有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间均有关。二、暂态稳定物理过程分析1、各阶段功角特性正常运行发生短路短路切除IIsinEUPXIIIIsinEUPXIIIIIIsinEUPXIIIIIIXXXIImaxIIImaxImaxPPP注意发电机模型与静态稳定分析的不同IIIIIIXXXIImaxIIImaxImaxPPPPTP0δPIPIIPIII2、暂态过程中系统的功率特性与运动轨迹（1）故障及时切除a-b-c-d-e-f-e-k-振荡IIIPPab010,ab,:a正常运行中突然故障：:bIIIIImaxmax:1,0,,ccceccPPce保护动作，切除故障，为切除角II,1,TEPPPbc沿III:,10:TEePPPef沿max:1,0,,ffminminmin,1,0,10TEkkPP点：III10:TEPPPfek沿IIIPkkk此后，运行点沿绕点振荡，如存在正阻尼，则振荡逐渐衰减，最终停留在点上持续运行。可见，系统在突然发生一回输电线始端不对称短路后，最终回到了稳态运行点点，所以系统在该大扰动下是暂态稳定的。图8-2图8-3振荡过程（2）切除故障过晚IIIPPab010,ab,:a正常运行中突然故障：:bIIIIImaxmax:1,0,,ccceccPPce保护动作，切除故障过晚为切除角IIIhh1hh,1,TEPPP如切除故障较晚，在切除故障时，转子加速已比较严重，运行点沿，如果使得到达点时，依然成立，则将越过点对应的。越过点后，，发电机与无限大系统失去同步，即失步。III:,10:hTEePPPe沿II,1,TEPPPbc沿可见，系统在突然发生一回输电线始端不对称短路后，最终发电机失步，所以系统在该大扰动下是暂态不稳定。IPIIIPIIP结论由上分析可知：系统是否具有暂态稳定性，不仅与系统在扰动前的运行状态有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间均有关。t0tc正常状态故障期间故障线路切除后tPIPIIPIII0c0c三、暂态稳定判据暂态稳定判据1：加速面积Sabcd允许的减速面积Sdeh0cfchcTTTPPdPPdPPdⅡⅢⅢ若故障切除角小于极限切除角，即，则系统具有