电力系统暂态分析课件

课程内容同步发电机突然三相短路的分析电力系统故障的计算机算法■■电力系统运行稳定性的基本概念和各元件的机电特性电力系统的静态稳定性电力系统的暂态稳定性■■■第四章电力系统运行稳定性的基本概念和各元件的机电特性第一节电力系统运行稳定性的基本概念第二节同步发电机组的机电特性第三节发电机励磁系统与原动机系统数学模型第四节负荷特性第一节电力系统运行稳定性的基本概念电力系统稳定电压稳定频率稳定功角稳定静态稳定（小干扰稳定）暂态稳定动态稳定机电暂态过程在电力系统发生故障或操作后，将产生复杂的电磁暂态过程和机电暂态过程，前者主要指各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过程，后者则指由于发电机和电动机电磁转矩的变化所引起电机转子机械运动的变化过程。电磁暂态过程分析的主要目的在于分析和计算故障或操作后可能出现的暂态过电压和过电流。第一节电力系统运行稳定性的基本概念机电暂态过程的主要目的：主要涉及系统的静态和暂态稳定性等问题。要进行机电暂态过程分析，必须首先研究元件的动态特性，建立电力系统元件的数学模型。涉及的内容：同步电机、励磁系统、原动机及调速系统、负荷的动态特性和数学模型。第一节电力系统运行稳定性的基本概念第一节电力系统运行稳定性的基本概念GT电网负荷调速系统励磁系统微分方程代数方程负荷模型第一节电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性问题就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定时间后回到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳态运行状态的问题。如果能够，则认为系统在该正常运行状态下是稳定的。反之，若系统不能回到原来的运行状态或者不能建立一个新的稳态运行状态，则说明系统的状态变量没有一个稳态值，而是随着时间不断增大或振荡，系统是不稳定的。一、稳定的基本概念第一节电力系统运行稳定性的基本概念二.功角稳定性(同步稳定性)①简单系统（单机无穷大系统）~U=常数②等值电路djx1TjxLjxqE0UU1。功角概念功角：表示发电机转子轴线之间的夹角，又表示各发电机电势(或电压)间的夹角。传输功率的大小与相位角δ密切相关，称δ为“功角”或“功率角”。2、电力系统的功角稳定（同步稳定性）电力系统中的各同步发电机只有在同步运行(即所有发电机以相同的速度旋转)状态下，送出的电功率为定值，并维持系统中任何点的电压、频率和功率潮流为定值。如果某些发电机之间不能维持同步运行，其送出的电功率以及相应节点的电压及相应线路的潮流将发生大幅度的周期性振荡，如果失去同步的机组之间不能迅速恢复同步，即电力系统失去了稳定运行的状态。这种由于机组失去同步造成的稳定问题实际上是电力系统的功角稳定问题。当δ角变化，则电流、各点电压和功率变化。当Eq、U不同步，δ角不断变化，则电流、电压、功率振荡，系统不能正常工作。失稳现象：第一节电力系统运行稳定性的基本概念原动机转矩电磁转矩转子功角稳定问题的原因——转矩不平衡受到干扰时：原动机转矩≠电磁转矩原动机转矩由发电厂动力部分的运行状态决定电磁转矩由发电机及其相连的电力系统中的运行状态决定危害：稳定破坏是电网中最为严重的事故之一，大电力系统的稳定破坏事故，往往引起大面积停电，给国民经济造成重大损失。随着电网互联规模的增大，稳定问题更加突出。正常运行时原动机转矩=电磁转矩发电机稳定运行举例：1965年11月美国东北部与加拿大电力系统大停电事故为例，该事故由于一条线路过负荷而引起相邻线路相继跳闸／以致发展成为全系统的稳定破坏事故，停电区域波及美国东北部6个州及加拿大的一部分，停电功率达2500万kW，停电时间达13小时32分，损失是巨大的。06年美国的大停电。在西欧和日本，也都发生过由于失稳而造成的大面积停电事故。三、功角稳定分类（干扰大小，便于分析）：(1)静态稳定——电力系统在某个运行状态下,突然受到任意的小干扰后，能恢复到原来的（或是与原来的很接近）运行状态的能力.静态稳定研究的是电力系统在某一运行方式下受到微小干扰时的稳定性问题。假设在电力系统中有一个瞬时性小干扰，如果在扰动消失后系统能够恢复到原始的运行状态，则系统在该运行方式下是静态稳定的，否则系统是静态不稳定的。静态稳定研究的是系统对微小干扰的适应能力，或者说考虑的是系统在运行点处维持同步运行的能力，①②③④小干扰：是在这种干扰作用下，系统的状态变量的变化很小，因此状态方程可以线形化。三、功角稳定分类（干扰大小，便于分析）：(2)暂态稳定——电力系统在某个运行状态下，突然受到较大的干扰后，能够过渡到一个新的稳定运行状态或者回到原来运行状态的能力。如果电力系统在某一运行方式下受到某种形式的大扰动，经过一个机电暂态过程后能够恢复到原始的稳态运行方式或过渡到一个新的稳态运行方式，则认为系统在这种情况下是暂态稳定的。大干扰：系统的状态方程不能线形化(3)动态稳定——电力系统收到小的或大的干扰后在自动调节和控制装置的作用下保持长过程的稳定性能力第一节电力系统运行稳定性的基本概念静态稳定：是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步或自发振荡，自动恢复到初始运行状态的能力。暂态稳定：是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机组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。动态稳定：是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程运行稳定性的能力四、稳定研究方法：1、静态稳定分析方法：微分方程线性化（小干扰法）通常可以采用在运行点处线性化后的系统模型进行特征根分析来判别系统的静态稳定性。2、暂态稳定分析方法：非线性微分方程数值解法（时域法）等面积定则（仅适合单机无穷大系统）直接法一般采用的是对全系统非线性状态方程的数值积分法进行对系统动态过程的时域仿真，通过对计算得到的系统运行参数(如转子角)的动态过程的分析判别系统的暂态稳定性。研究稳定，实际上是分析电力系统受扰动后发电机之间相对运动的特性，发电机的相对运动可由功角δ随时间的变化来描述。即：)(tf发电机摇摆曲线：为了得到，必须首先建立：发电机转子运动方程和功角特性的表达式)(tf第二节同步发电机组的机电特性第二节同步发电机组的机电特性一、同步发电机组转子运动方程TEddΩJαJMMMt（1）J：转动惯量；α：角加速度；Ω：机械角速度；△M：不平衡转矩22212kkooWWJJ额定转速下的转子动能MdtdWdtdJk202代入（1）式得------（2）第二节同步发电机组的机电特性采用标么制，设转矩基准值为：0BBSMSB：功率基准值BBBMSMP（原因：）*002022MdtdSWdtdSWBkBk（2）式两边除以MB：*0MdtdTJ则转子的运动方程可写为：将机械角速度Ω转换成电气角速度ω，p*0022MdtdSWdtpdpSWBkBk令---惯性时间常数，单位为：秒惯性时间常数的意义BKJ2SWTTJ为在发电机组转子上施加额定转矩后，转子从停顿状态加速到额定转速时所经过的时间第二节同步发电机组的机电特性2N2N202N20J60244nSGDSΩGDSJΩT发电机飞轮转矩BNNJiSSTTiiJ折算惯性时间常数的求取厂家提供的发电机组数据是飞轮转矩GD2,它和惯性时间常数之间的关系为：选取统一基准功率SB第二节同步发电机组的机电特性tωtδωωtδdddddd220*20JMddtδωT转子运动方程还可以用电角度表示*e*TBeT0B*PPSPP/SΩMMeT20JddPPtδωT)(ddddeTJ00PPTωtωωωtδ考虑到发电机惯性较大，一般机械角速度变化不是很大，所以可以近似认为转矩的标幺值等于功率的标幺值略去下标*状态方程形式)(1dd)1(ddeTJ*0*PPTtωωωtδ)(1dd)1(ddeTJ0PPTtωωωtδ转子运动方程再略去下标*把ω表示为标幺值)(1dd)1(ddeTJ0PPTtωωωtδ方程式初看似乎简单，但它的右函数，即不平衡转矩(或功率)却是很复杂的非线性函数。右函数的第一项是发电机的原动机功率，它主要取决于本台发电机的原动机及其调速系统的特性。右函数的第二项发电机的电磁功率，在多机电力系统中，它不但与本台发电机的电磁特性、励磁调节系统特性等有关，而且还与其它发电机的电磁特性、负荷特性、网络结构等有关，它是电力系统稳定分析计算中最为复杂的部分。第二节同步发电机组的机电特性二、发电机的电磁转矩和功率qddqEψiψiM假设条件：1）略去发电机定子绕组电阻2）设机组转速接近同步转速，ω≈13）不计定子绕组中的电磁暂态过程4）发电机的某个电动势，例如空载电动势或暂态电动势甚至端电压为恒定。-----准确公式（一）简单系统中发电机的功率●简单系统：一台同步发电机与无限大容量电源组成的系统edLTddxxxxxxedLTddxxxxxx~Ù=constTJ=∞x'dxTxLxe（一）简单系统中发电机的功率1.隐极同步发电机的功—角特性qqddqdqde)j)(j(ReReIUIUIIUUIUPdqdddqq0xIUxIUE(l)以空载电动势和同步电抗表示发电机δxUEPEsindqq功率极限不计阻尼时，暂态电动势在干扰的瞬间不变，并近似认为自动调节励磁装置的作用能保持E‘q＝常数（2）以暂态电动势和暂态电抗表示发电机dqdqqdddqqxIUxIUxIUE02sin2sindddddqqdddddddqqddddqqqqddExxxxUxUEUUxxxxxUEUxUUxUEIUIUPq暂态磁阻功率（2）以暂态电动势和暂态电抗表示发电机δxxxxUδxUEPEsin22sin'dd'dd2'd'qq'功率极限出现在功角大于90度时第二节同步发电机组的机电特性暂态磁阻功率的出现带来了功角特性计算的复杂化，在工程近似计算中往往采取进一步的简化'E'qE''d''sinδxUEPE经典发电机模型δxxEUδExxIδδsin1arcsinarcsind'd'''ddq'近似计算时用代替'δδ第二节同步发电机组的机电特性（3）发电机端电压为常数GeGGsinδxUUPULTexxxδxxUUδδsin1arcsindeGG若自动调节励磁装置作用极强能保持UG＝C2.凸极式发电机的功—角特性（1）以空载电动势和同步电抗表示发电机qqddeIUIUPqqdddqq0xIUxIUEδxxxxUδxUEPEsin22sinqdqd2dqqδxxxxUδxUEPEsin22sinqdqd2dqq磁阻功率磁阻功率的影响：（1）使功率极限略有增加；（2）使极限功率在δ90°时出现（与励磁无关）(2)以暂态电动势和暂态电抗表示发电机第二节同步发电机组的机电特性qqd'ddq'q0xIUxIUEδxxxxUδxUEPEsin22sin'dq'dq2'd'qq'暂态磁阻功率''''dsinEEUPδx简化（3）发电机端电压为常数GeGGsinδxUUPU凸极发电机用不同电动势和电抗表示的功--角特性讨论：1)比较功率极限2)不管用什么电势表示的功率特性，对于给定的运行状态来说均是等价的，即均要相等。（二）多机系统中发电机的功率000000GGGGGYYUYYIE00000GGYUYE10000GGUYYE