电力系统分析ppt课件

1 第八章电力系统稳定性基本概念 作业 8 1 8 2 2 8 1电力系统稳定性概述 电力系统稳定性 是指电力系统在运行过程中受到扰动后 能否凭借自身的调整或控制设备的作用 恢复到原有稳定运行状态 或过渡到一个新的可接受的稳定状态并继续运行的能力 1 功角稳定性和电压稳定性 当系统因负荷过重 无功补偿不足或发生严重故障 造成一些关键节点的电压出现不可逆转地持续下降 或者电压长期滞留在安全运行所不能容许的低水平上难以恢复 而此时系统中的发电机仍保持同步 则称系统发生了电压失稳 电压失稳和由之引发的大面积停电事故 电压崩溃 是电力系统在发展到一定阶段后出现的一种有别于功角失稳的现象 引出了电力系统另一种重要的稳定性概念 电压稳定性 揭示电力系统电压失稳机理 预防电力系统电压崩溃事故的发生 是电力系统电压稳定性研究的重要内容 系统稳定运行的前提是所有发电发电机保持同步运行 发电机是否保持同步 可通过发电机之间的功角差 来加以判断 因此这类稳定性常被称为功角稳定性 功角失稳常伴随发电机转子间的振荡 并导致它们之间功角差的持续拉大 3 2 电力系统稳定性分类 由于电力系统稳定性问题的复杂性 至今还没有一种被普遍接受的分类方法 这里只简单介绍几种常见的分类方式 1 按照失稳场景划分 可分为电力系统功角稳定性和电压稳定性 前者主要关注发电机能否保持同步运行 后者则主要关注扰动发生后系统关键节点电压幅值能否保持合理水平 2 按照受扰大小划分 可分为潮流稳定性 小扰动稳定性和大扰动后的暂态稳定性 潮流稳定性 指电力系统在运行工况 网络连接方式 负荷分布和发电计划 已知情况下 具有合理潮流解的能力 潮流稳定也时常被称为潮流热稳定 小扰动稳定性 指系统的正常运行情况下 受到微小扰动后能否独立地恢复到原有运行状态的能力 暂态稳定性 指在受到较大扰动之后 电力系统中的所有发电机在不失同步的情况下过渡到新的合理的运行状态 也可以是原有运行状态 并在新的运行状态下稳定运行的能力 需要指出 1 电力系统稳定性是一个 统一 的概念 出于研究的方便 才将稳定性进行了划分 欲保证电力系统正常运行 需考虑各种稳定性问题 2 上述两种分类方式是互补的 可进一步细分为小扰动电压稳定性 小扰动功角稳定性 暂态电压稳定性和暂态功角稳定性等 4 暂态稳定性的初步概念与基本假设 电力系统受大扰动后各发电机能否保持同步运行的问题 乃是暂态稳定研究的内容 一般大扰动包括 1 负荷突然变化 投入切除大容量用户 2 切除投入电力系统主要元件 发电机 线路 变压器 3 发生短路故障 如果不考虑发电机的电磁暂态过程和励磁调节作用 假定Eq保持不变 则切除一条线路后线路电抗增大 因而PII的幅值比PI的幅值要小 5 线路切除前 发电机运行PI曲线上a点确定 输出的电磁功率为P0 原动机的功率 在正常运行时与电磁功率相平衡即 PT Pe P0 突然切除线路瞬间情况 转子具有惯性 转速不能突变 功角 保持原值不变 发电机输出的电磁功率b点确定 不平衡转矩 Pa PT Pe 0加速转矩 发电机转子加速 功角 开始增大 发电机转子在到达点c以前 虽然加速性的不平衡转矩逐渐减小 但它一直是加速性的 因此相对速度 不断增大 在点c处 Pa PT Pe 0 但 0 由于转子的惯性 功角继续增大越过c点 Pa PT Pe 0 发电机开始减速 也开始减小并在d点达到零值 6 在d点 0 功角 抵达最大值 max 但 Pa PT Pe 0 转子开始反方向减速到c点 而且由于惯性作用它将越过点c而在b点 再次等于零 功角抵达它的最小值 min 以后转子运动重复上述同样过程 由于各种损耗 功角变化将是一种减幅振荡 见图 最后在点c处 同时达到 0 Pa 0 建立了新的稳定运行状态 7 可是运动过程也可能有另外一种结局 从点c开始 转子减速 经过c点 功角 已达到c 点 临界角 cr 因为 0 故功角将越过点c 转子不平衡转矩又变成加速性 又开始增加 功角将继续增大 使发电机与受端系统失去同步 破坏了电力系统的稳定运行 由以上分析可以得到暂态稳定的初步概念 电力系统具有暂态稳定性 一般是指电力系统在正常运行时 受到一个大的扰动后 能从原来的运行状态 平衡点 不失去同步地过渡到新的运行状态 并在新运行状态下稳定地运行 也可能经多个大扰动后回到原来的运行状态 8 以上论表明 电力系统受大扰动后 若功角经过振荡后能稳定在某一个数值 系统具有暂态稳定性 若功角 不断增大 系统失去了暂态稳定 因此 可以用大扰动后功角随时间变化的特性作为暂态稳定的判据 9 图8 1小球小扰动稳定和不稳定状态 8 2小扰动稳定性的初步概念 小扰动稳定性的物理含义小球在A点的状态是小扰动稳定的小球在B点的状态是小扰动不稳定的 2 简单电力系统的小扰动稳定性 正常运行 不考虑摩擦力的影响 G转子轴力矩 1 加速的机械力矩Mm 分析中Mm Pm 图中水平线 2 减速力矩Me 分析中Me Pe是发电机功角的函数 功角特性曲线 G稳态运行时对应着图中的a b两点 G在工作点a受到微小扰动 运行状态变动至1 点a PmPe G加速运动 运行点向右移动 在摩擦摩擦阻尼作用下 经振荡G将重回平衡点a 上述两个过程与小球受扰后的变化场景类似 因此G发电机在平衡点a是小扰动稳定的 10 图8 1小球小扰动稳定和不稳定状态 8 2小扰动稳定性的初步概念 2 简单电力系统的小扰动稳定性 G在b点处受到微小扰动 1 点b Pm Pe G加速 运行点右移动 Pm Pe进一步加大 转速继续上升 G远离点b G与系统失去同步2 点b Pm Pe G减速 运行点左移 Pm Pe进一步减小 运行点过c点 并阻尼力矩的作用下 稳定到平衡点a 上述过程与图8 1中位于b点的小球受扰后的运动类似 因此G在b点是小扰动不稳定的 11 8 2小扰动稳定性的初步概念 小扰动稳定性的概念 电力系统在稳态运行过程中 受到微小扰动后 可独立恢复到原有运行状态的能力 对于单机无穷大系统 保证小扰动稳定 需要在功角增加时 G受到减速力矩作用 在功角减小时 受到加速力矩作用 满足这一条件的区域 对应着功角曲线的左半侧 可用功角曲线的斜率判断其小扰动稳定性 小扰动稳定 小扰动不稳定 临界稳定时 曲线斜率为0 对应着电磁功率曲线的最大值点 即图中点c 12 8 4负荷稳定的初步概念 系统中 工业负荷以感应电动机负荷为主 当系统经受较大扰动后 可能会引起感应电动机大量滞转 它们将从系统中吸收更多的无功功率 导致系统运行状况的进一步恶化 因此研究感应电动机在受到扰动后是否能保持稳定运行 对系统稳定运行具有重要的现实意义 这就是所谓的负荷稳定问题 电力系统每一个负荷点 在稳定性分析时 若用一台等值的感应电动机近似表示 感应电动机的电磁转矩 转差 Scr 临界转差 由M的结构决定 Memax 最大转矩 与M机端电压的平方近似成正比 M机械转矩Mm起制动作用 由负载决定 与电动机转差s之间存在复杂的非线性关系 图8 8 a 和 b 绘出了两种不同的机械转矩 图8 8感应电动机电磁转矩和机械转矩 13 图8 8感应电动机电磁转矩和机械转矩 1 M a点 扰动后 运行点到点a 此时Mm Me M减速运动 转速降低 转差s加大 运行点向右移动 在阻尼作用下 经短荡后恢复到点a 2 M a点 扰动后 运行点到点a 此时Mm Me M加速运动 转速上升 运行点向左移动 在阻尼作用下 同样经短荡后恢复到点a M位于a点时 受到微小扰动后是稳定的 1 点b 扰动后 到点b 由于MmMe M减速运动 运行点持续右移 直至出现滞转 s 1 0 即图中的点d M 在点b时 受到微小扰动都无法回到原来的运行状态 因此b点是不稳定的 负荷稳定性的判据 14 注意点 有相同电磁转矩特性的M 机械转矩特性不同时 其稳定运行的区域可能不同 图中给出两种不同的机械转矩特性 当M负载增加时 机械转矩上移 左右侧运行点都向上移动 机械转矩与电磁转矩曲线相切时 图中的e点 切点左侧区域就是电动机可稳定运行的区域 图8 8感应电动机电磁转矩和机械转矩 15 8 5电压稳定的初步概念 电压稳定性问题被提出 源自历史上电力系统曾多次出现这样的失稳场景 在扰动发生后 如负荷的快速增长 系统出现严重故障 电力系统的全部发电机保持同步 而一些关键负荷节点的电压却出现急剧变化 导致系统无法正常运行 1 电压稳定性基本概念 图8 9单机 单负荷系统 用图示系统 解释电压稳定性的基本概念 系统仅存在一台发电机 不存在功角稳定 发电机同步 问题 列解图示系统潮流方程 在负荷缓慢增长过程中 可从上述方程中解得负荷节点的电压幅值 假定条件 其中 1 在负荷增长过程中 发电机节点的电压维持不变 即 2 在负荷增长过程中 负荷功率因数保持恒定 即QL PL 为常数 3 在负荷增长过程中 PL和QL的取值只与节点的电气用户数有关 与节点电压UL无关 此类负荷称为恒功率 ConstantPower 型负荷 16 在上述假设下 式中的UL和 为PL的函数 其中 令负荷PL由0缓慢增大 可由上式 8 15 绘出PL UL曲线如图8 10所示 称为系统的PV曲线 几点说明 图8 10单机 单负荷系统的PV 曲线 1 通过式 8 15 总可以得到可接受与不可接受的两组解 如图中点A1与B1 A2与B2所示 它们分别对应式 8 15 根号 下取 和 两种情况 图中我们分别用实线和虚线加以区分 2 图中的C点常被称为PV曲线的鼻子点 NP NosePoint 它对应着单机 单负荷系统电压稳定的极限点 决定了该系统最大的极限传输功率PLmax和极限电压ULcr 它们可由式 8 15 和 8 16 解出 当负荷侧的无功可实现就地平衡 临界电压为 3 出现电压失稳的一般情况为 一旦用户负荷需求大于了最大的极限传输功率PLmax 由于超出了单机 单负荷系统能够提供的最大负荷 系统不存在可接受的运行点 系统出现电压急剧下降的电压失稳现象 8 15 8 16 17 几个基本术语 电压稳定 VoltageStability 指系统维持电压的能力 即系统 正常运行或扰动后 若负荷导纳增大 负荷功率亦随之增大 且功率和电压都能保持在一个可控且可接受范围的能力 电压失稳 VoltageInstability 扰动 故障 负荷的缓慢变动等 后 电力系统一些母线的电压出现了急剧的 不可逆转的下降 电压崩溃 VoltageCollapse 是指由于电压不稳定所导致的系统大面积 大幅度的电压下降的过程 初始的电压失稳往往是一个局部现象 但当采取的控制措施不得当时 可能引发系统的电压崩溃 电压稳定问题非常复杂 与负载水平 负荷类型 静态补偿 动态环节等都存在一定关系 18 4 ZIP型负荷 5 指数型负荷 1 恒功率型负荷 2 恒电流型负荷 3 恒阻抗型负荷 其中 为PL0有功和QL0无功负荷的初始功率 UL0为负荷节点的初始电压 a b c m n为与负荷模型相关的常数 称为负荷因子 反映接入系统用户有功和无功负荷的数量 而PL和QL则是用户实际得到的有功和无功 2 负荷模型的影响 在电压稳定性研究中 通常根据负荷功率与负荷电压之间的关系 将静态负荷分为恒功率型负荷 恒电流型负荷 恒阻抗型负荷以及由三者组合而成的ZIP型负荷 此外还有指数型负荷 各类型负荷的具体形式如下 19 例8 1 如图所示的单机 单负荷系统 当负荷分别为式上述五类负荷 并假设负荷无功可实现就地平衡 即QL0 0 试分析负荷节点电压UL与PL及之间的关系 其中 4 ZIP型负荷 5 指数型负荷 1 恒功率型负荷 2 恒电流型负荷 3 恒阻抗型负荷 图8 9单机 单负荷系统 20 1 PL与UL之间的关系 图8 11简单电力系统的PLR UL曲线和PL UL曲线 无论负荷为何种类型 PL QL UL都需满足式 8 11 和 8 12 因此所示的五类负荷 其PL与UL之间的关系均由式 8 15 给出 考虑到QL 0 PL与UL关系可表示为下式 根据式 8 24 8 25 可绘出PL UL曲线如图8 11 b 所示 由式 8 17 和 8 18 可确定系统鼻子点处的最大极限功率PLmax 5 0p u 和极限电压ULcr 0 7071p u 图中的点1 8 24 8 25 8 11 8 12 8 17 8 18 8 15 21 2 PLR与UL之间的关系 当负荷为恒功率型时 由于PLR PL PLR UL曲线与PL UL曲线完全相同 由图8 11 a 中的曲线 和图8 11 b 曲线给出 图 a 中的点1给出了的最大值 其中 PLmax 5 0p u ULcr 0 7071p u 恒功率负荷 22 2 PLR与UL之间的关系 2 当负荷为恒电流型时 将式 8 20 带入式 8 11 和 8 12 可得PLR UL关系曲线 如图8 11 a 中的曲线 所示 图中的点2示意了PLR的最大值PLRmax 10 0p u 对应的负荷电压为 ULcr 0p u 恒电流型负荷 存在系统可承受的最大接入用户数 在其范围内系统才是电压稳定的 8 11 8 12 8 20 恒电流型负荷 23 2 PLR与UL之间的关系 3 当负荷为恒阻抗型时 将式 8 21 带入式 8 11 和 8 12 可得PLR UL关系曲线 如图8 11 a 中的曲线 所示 UL随PLR的增大而减小 且曲线上不存在PLR的最大值 对于恒阻抗负荷 回路中串联再多的负载 系统总存在可运行的平衡点 恒阻抗型负荷 8 21 8 11 8 12 8 27 24 2 PLR与UL之间的关系 4 当负荷为式 8 22 表示的ZIP型负荷时 可得PLR UL关系曲线如图8 11 a 中的曲线 所示 其中PLR存在最大值 即图中点4 PLRmax 10 0p u ULcr 0 5774p u ZIP型负荷 存在系统可承受的最大接入用户数 在其范围内系统才是电压稳定的 8 11 8 12 ZIP型负荷 25 2 PLR与UL之间的关系 5 当负荷为式 8 23 表示的指数型负荷时 可得PLR UL关系曲线 如图8 11 a 中的曲线 所示 其中同样存在PLR的最大值 对应图中点5 PLRmax 3 8492p u ULcr 0 8165p u 指数型负荷 存在系统可承受的最大接入用户数 在其范围内系统才是电压稳定的 例题8 1中的第5种负荷 属于一种典型的病态负荷 当负荷节点电压下降时 它将从系统吸收更多的功率 由此可能引起系统运行状况的急剧恶化 空调负荷被认为是一种具有依电压幅值呈负指数变化的负荷 由于空调负荷的急剧增加 被认为是1987年东京大停电事故的一个重要诱因 在对1996年美国西部系统 WSCC 发生的三起大停电事故详细分析时发现 采用不同负荷模型会导致不同的分析结果 因此 在进行电力系统电压稳定分析时 选择适当的负荷模型非常重要 指数型负荷 26 3 负荷无功与补偿对电压稳定的影响 例8 2 如图8 9所示的单机 单负荷系统 当系统负荷为恒功率型负荷 QL0 PL0 其中 为恒定常数 其他参量同例题8 1 试分析 取值大小对系统电压稳定性