第15章电力系统运行稳定性的基本概念-郭壮志

1、1第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-1 15-1 概述概述 15-2 15-2 功角的概念功角的概念15-315-3静态稳定的初步概念静态稳定的初步概念15-415-4暂态稳定的初步概念暂态稳定的初步概念15-515-5负荷稳定的概念负荷稳定的概念15-615-6电压稳定性的概念电压稳定性的概念15-715-7发电机转子运动方程发电机转子运动方程215-1 15-1 概述概述1 1、正常稳定运行状态：正常稳定运行状态： 任何任何GG均具有相同的电角速度均具有相同的电角速度同步速度同步速度i = =N同步运转；同步运转； 运行状态参数运行状态参数(V

2、(V、I I、P P、QQ、f f 等等) )基本保持不变，基本保持不变， 且且 V VV VNN， ffffN N ； I I I INN 负荷（用电设备）处于正常运行状态。负荷（用电设备）处于正常运行状态。2 2、电力系统暂态过程、电力系统暂态过程 正常稳态正常稳态 3 3、稳定破坏的原因、危害：、稳定破坏的原因、危害： 稳定破坏：稳定破坏：GG失去同步失去同步 / f or V / f or V 不可控地急剧下降不可控地急剧下降 / / 负荷失去正常运行负荷失去正常运行 原因：扰动原因：扰动大扰动：大容量元件投、切；大扰动：大容量元件投、切； 系统故障（短路系统故障（短路 / / 断线断

3、线 ） 小扰动：负荷随机变化小扰动：负荷随机变化( (波动波动) )；元件投、切；元件投、切； 负荷快速大幅度负荷快速大幅度增加增加 危害：运行状态参数剧烈变化或振荡，供电质量下降；危害：运行状态参数剧烈变化或振荡，供电质量下降； 系统瓦解，大面积供电中断！系统瓦解，大面积供电中断！暂态过程暂态过程315-1 15-1 概述概述4 4、稳定问题的分类稳定问题的分类一般分类原则：一般分类原则：(1) (1) 按失稳特征分类：按失稳特征分类： 功角稳定（同步运行稳定性）功角稳定（同步运行稳定性） 频率稳定频率稳定 电压稳定电压稳定(2) (2) 按扰动大小按扰动大小 小扰动稳定小扰动稳定静态稳定静

4、态稳定( (不计调节装置和元件动态特性不计调节装置和元件动态特性) ) 动态稳定动态稳定( (计及调节装置和元件动态特性计及调节装置和元件动态特性) ) 大扰动稳定大扰动稳定暂态稳定暂态稳定(3) (3) 按过渡过程时间框架按过渡过程时间框架 暂态稳定暂态稳定单摆稳定、多摆稳定单摆稳定、多摆稳定 短期稳定性、中期稳定性、长过程动态稳定性短期稳定性、中期稳定性、长过程动态稳定性(4) (4) 稳定问题的分析方法稳定问题的分析方法 小扰动静态稳定小扰动静态稳定基于潮流的分析方法基于潮流的分析方法 小扰动动态稳定小扰动动态稳定线性化线性化基于空间线性状态方程的分析方法基于空间线性状态方程的分析方法

5、暂态稳定暂态稳定非线性微分非线性微分- -代数方程组的分析方法代数方程组的分析方法 中长期动态稳定中长期动态稳定综合分析方法综合分析方法415-2 15-2 发电机转子相对位置和电势相位发电机转子相对位置和电势相位功角的概念功角的概念qedsinE VPXedqcoscossinPPVIIxE1 1、发电机电势间的时间相位角、发电机电势间的时间相位角功角功角515-2 15-2 发电机转子相对位置和电势相位发电机转子相对位置和电势相位功角的概念功角的概念2 2、发电机转子相对空间位置角、发电机转子相对空间位置角615-2 15-2 发电机转子相对位置和电势相位发电机转子相对位置和电势相位功角的

6、概念功角的概念3 3、与与(同步同步/ /功角功角)稳定性的关系稳定性的关系715-3 15-3 静态稳定的初步概念静态稳定的初步概念1 1、静态稳定性的定义：静态稳定性的定义： 受到瞬时出现、立即消失的微小扰动后，系统具有抑制扰动、独立地恢复到原受到瞬时出现、立即消失的微小扰动后，系统具有抑制扰动、独立地恢复到原始运行状态始运行状态(或近似的原始运行状态或近似的原始运行状态)的能力的能力2 2、转子净加速功率转子净加速功率(转矩转矩)与转子运动行为的关系：与转子运动行为的关系： 决定决定GG转子运行行为的关键转子运行行为的关键Ma =MT MeMa0， (N) ( 0 0) Ma0， (N)

7、 ( Pe ，G、, 0 & & 过过c c后后: : c cd d， P PT T P0 d: d: max 、=0 d:d: P PT T P Pe e G、 & & P Pe e在在c c点附近若干次震荡后点附近若干次震荡后 c cc c点：点：SEPSEPNewNew P PT T = P= Pe e 、G=N 、= c1215-4 15-4 暂态稳定的初步概念暂态稳定的初步概念2 2、暂态稳定过程分析暂态稳定过程分析(2) (2) 不稳定情形：不稳定情形：运行点运行点 过过c c后后: : c c c c， P PT T P0 越过越过cc P PT

8、T P Pe e G 、 P Pe e G - 运行点运行点“ 一去不复返一去不复返” ！ G G 与系统失去同步，稳定破坏！与系统失去同步，稳定破坏！1315-4 15-4 暂态稳定的初步概念暂态稳定的初步概念3 3、暂态稳定的机理解释暂态稳定的机理解释简单系统暂态稳定判据简单系统暂态稳定判据 P PT T Pe Pe 转子加速，积蓄动能；转子加速，积蓄动能； P PT T Pe Pe 转子减速，释放动能；转子减速，释放动能；稳定条件：稳定条件：在最大可能的减速过程中，在最大可能的减速过程中，“积蓄积蓄” 完全完全 “释放释放” ，回到同步转速，回到同步转速稳定判据：稳定判据： S S+ +

9、S 0 0 n n s s M=Me-M-MT T 0 /ds0 实际：实际： s=5 %s=5 %左右左右注意：注意： IMIM失稳过程中失稳过程中 ( (n n、s s s=1 s=1、n=0 )n=0 ) 吸收大量吸收大量QQ可能导致系统电压失稳！可能导致系统电压失稳！1615-6 15-6 电压稳定性的概念电压稳定性的概念1 1、单端供电系统的传输功率特性：、单端供电系统的传输功率特性：定义：定义：系统维持各节点电压在允许范围内的能力系统维持各节点电压在允许范围内的能力222212cos()cos/cos2cos()zzsszzLDLDszzsLDzzLDsLDEVEzVPz1715-

10、6 15-6 电压稳定性的概念电压稳定性的概念2 2、( (静态静态) )电压稳定性的基本概念电压稳定性的基本概念(1) (1) 区域区域 I I：Z ZLDLD (Y(YLDLD ) ) V V 、P P 电压稳定电压稳定 区域区域 II II：Z ZLDLD (Y(YLDLD ) ) V V 、P P 电压不稳定电压不稳定 判据：判据： dP/dV0dP/dV0(2) (2) 电压崩溃：电压崩溃： 电压失稳电压失稳 电压不可控制地电压不可控制地 大面积供电中断，乃至系统瓦解！大面积供电中断，乃至系统瓦解！(3) (3) 影响电压稳定性的关键因素：影响电压稳定性的关键因素： 本质原因：无功功

11、率支撑本质原因：无功功率支撑 关键因素：负荷的动态特性关键因素：负荷的动态特性 电压失稳时切除部分负荷有利于系统的电压电压失稳时切除部分负荷有利于系统的电压稳定稳定; ; 但大量负荷失去也可能导致功角失稳！但大量负荷失去也可能导致功角失稳！1815-7 15-7 发电机转子运动方程发电机转子运动方程一、转子运动方程一、转子运动方程a TeJ AMMM 2aTe2ddJAJJMMMdtdt , , pppA2aTe2J dJ dMMMpdtpdt 1 1、基本形式、基本形式1915-7 15-7 发电机转子运动方程发电机转子运动方程一、转子运动方程一、转子运动方程2 2、转子电气角位移的表示、转

12、子电气角位移的表示GGi i 相对于固定轴相对于固定轴 ： i 、iGGi i 相对于同步轴相对于同步轴 ：i 、iiiNiiNit GGi i 、 GGj j 之间的角位移、相对角速度：之间的角位移、相对角速度：ij 、ijijijijijijijiiNNttNN2222iiiiiiiiddddtdtdtddddtdtdt 20二、用标么值表示的转子运动方程二、用标么值表示的转子运动方程aTeTe()MMMPP/2Ja2N1TdPdt22a22dddJJJJp Mdtdtdt选转矩基准值：选转矩基准值： BBNMS22Na*2BN1JdMSdt 2Ja2NTdMdt 15-7 15-7 发电

13、机转子运动方程发电机转子运动方程2NBJTJS机械惯性时间常数机械惯性时间常数1 1、基本标幺值形式：、基本标幺值形式：21二、用标么值表示的转子运动方程二、用标么值表示的转子运动方程2Ja2NTdMdt BN22222BB*1 , ()()BNNttt ttdddddtd t td t tdt2aJa2PdTMdt 15-7 15-7 发电机转子运动方程发电机转子运动方程2 2、全标幺值形式：、全标幺值形式： radrad22NNNaaJJ*ddtPdMdtTT NaJdsdtMdsdtT15-7 15-7 发电机转子运动方程发电机转子运动方程二、用标么值表示的转子运动方程二、用标么值表示的

14、转子运动方程3 3、状态方程形式：、状态方程形式：2NN2() , ddddddtdtdtdtdt 4 4、转差率形式的状态方程：、转差率形式的状态方程：*a*J*a*ddtPdTMdt NNN() ss23三、三、TJ 的物理意义的物理意义15-7 15-7 发电机转子运动方程发电机转子运动方程1 1、T TJ(N)J(N) = S = SNN基准下、以基准下、以N 旋转所具有的动能标幺值之旋转所具有的动能标幺值之2 2倍倍22NNJ NNNJJ222THSS2 2、时间意义：、时间意义：2415-7 15-7 发电机转子运动方程发电机转子运动方程四、多机系统四、多机系统 T TJ J 不同

15、基准容量不同基准容量 T TJ J 的换算的换算()() 2NiNJiNi2BiNJiBJT=SJT=S()()NBJiNiJiBTS=TS()()BNNiJiJiBSTTS2515-7 15-7 发电机转子运动方程发电机转子运动方程四、多机系统四、多机系统 T TJ J 系统等值机组的系统等值机组的 T TJ J. , 1,., ; 2iNJ iJi NN iN jNN iJT= T=inS 系统等值机组系统等值机组 Geq ：eq.NN iBi=12eqN.eq.NJnJ eqSSSTS22iNeqN22eqNiN.JJJJ=Nieq NNieq NSSSS()NiNi.111eq.NBn

16、nnBJ eqJi NJi NJiiiiSSTTTTSS2615-7 15-7 发电机转子运动方程发电机转子运动方程五、稳定性分析面临的基本问题五、稳定性分析面临的基本问题2JiT .e .a .T .e .2N.iiiiiiiTdPPMMMdt 求解摇摆方程，获得摇摆曲线求解摇摆方程，获得摇摆曲线(t) 判断系统稳定性判断系统稳定性机械功率特性机械功率特性原动机及其原动机及其GovernorGovernor电磁功率特性电磁功率特性由由GG的电气特性、网络特性共同决定的电气特性、网络特性共同决定确定其变化规律确定其变化规律( (解析描述解析描述)复杂复杂非线性、高维非线性、高维27序号大小英文国际音标字母读音意 义1alphaa:lfaa阿尔法角度（小写）；系数4deltadeltad, dh, 德尔塔变化量（大写）；5epsilone