电力系统分析教学课件第十二章

第十二章电力系统运行状态经受大扰动后的暂态稳定性电力系统分析引例-某单机无穷大系统三相短路起因：某单机无穷大系统发生三相短路措施：故障切除时间分别为0.2s和0.24s后果：短路对电力系统的冲击与故障类型和故障持续时间有关；某单机无穷大系统三相短路不同故障切除时刻对应的功角变化曲线a.0.2s切除短路时的功角、电磁功率曲线b.0.24s切除短路时的功角、电磁功率曲线短路对电力系统的冲击与故障类型和故障持续时间有关！引例-某单机无穷大系统三相短路电力系统经受短路故障冲击后的暂态过程与故障前系统的运行方式（初始功率分布）、扰动的大小（故障位置、短路类型、故障切除时间）、故障后系统的拓扑结构有关。不同故障切除时刻0.2s切除故障：转子角在故障切除后0.3s达最大值105°，随后开始减小，发电机电磁功率在（1.4p.u.，0.3p.u.）范围内波动。0.24s切除故障：转子角持续上升，发电机电磁功率在（+1.4p.u.，-1.4p.u.）范围内大幅振荡，呈现出失去稳定的特征，即发电机不能持续有效地给无穷大系统输送电能。问题故障扰动如何产生不平衡功率驱动发电机转子角偏离平衡点发电机受扰运动的计算方法和稳定判据复杂电力系统稳定分析方法提高电力系统暂态稳定性的措施暂态稳定性概述1PART大干扰：大干扰，是相对于静态稳定中所提到的小干扰而言的，一般指短路故障、突然断开线路等等。

暂态稳定性概述如果系统受到大的干扰后仍能达到稳态运行状态，则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。反之，如果系统受到大的干扰后不能再建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系统的功率、电流和电压都不断振荡，以致整个系统不再能继续运行下去，则称系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。由于在扰动后的不同时间里对系统各部分的影响不同，在分析大扰动后的暂态过程时一般按下面3种不同的时间阶段分类：阶段时间设备起始阶段指故障后约1s内的时间段保护和自动装置：切除故障线路和重新合闸、切除发电机等中间阶段在起始阶段后，大约持续5s左右的时间段发电机组的调节系统后期阶段中间阶段以后的时间动力设备（如锅炉等）中的过程暂态过程时间阶段

暂态过程时间阶段分类：在进行稳定分析计算之前，有如下的基本假设：（1）在暂态稳定研究中电网的频率仍为50Hz；（2）忽略突然发生故障后网络中的非周期分量电流；（3）当故障为不对称故障时，发电机定子回路中将流过负序电流。

暂态稳定性概述简单系统运行状态经受大扰动后的暂态稳定性计算方法2PART

故障扰动物理过程

故障前系统及其等值电路

（12-1）（12-2）

故障扰动物理过程假设在一回输电线路始端突然发生短路故障，故障期间的正序网络相当于在短路点上接一附加电抗Δx.此时发电机内电势至无穷大系统之间的转移电抗为:故障期间系统及其等值电路

（12-3）

故障扰动物理过程故障期间发电机输出的电磁功率为:故障期间系统及其等值电路（12-4）

如果线路始端发生的是三相短路，则∆x=0，发电机电磁功率为零。

故障扰动物理过程随着线路继电保护装置断开故障线路两端的断路器，系统进入了故障后阶段。其发电机电动势与无限大系统间的联系电抗为:此时发电机输出的电磁功率为:故障切除后系统及其等值电路

（12-5）（12-6）

（12-1）（12-3）（12-5）

故障扰动物理过程故障前：发电机向无限大系统输送的功率：P0

原动机输出的机械功率：PT=P0

正常运行发电机的运行点：a点

功角：δ0系统受扰后发电机转子暂态过程

故障扰动过程分析概述故障期间：功率特性：PⅡ发电机的运行点：由a点突然变至b点

原动机机械功率：PT＞PⅡ曲线上的电磁功率产生较大的过剩功率，发电机转子将加速系统受扰后发电机转子暂态过程

故障扰动过程分析概述故障后（在c点切除故障）：发电机的功率特性：PⅢ

发电机的运行点：从c点突然变至e点机械功率：PT＜PⅢ曲线上的电磁功率转子开始减速系统受扰后发电机转子暂态过程

故障扰动过程分析概述故障扰动物理过程f点：转子转速才落回到同步转速，机械功率＜电磁功率，转子将继续减速，运行点沿功率特性PⅢ由f点向e、k点转移k点：机械功率与电磁功率平衡，但转速低于同步转速，δ继续减小越过k点后：机械功率开始大于电磁功率，转子又加速，δ一直减小到转速恢复同步转速后又开始增大受扰暂态过程当线路发生短路故障后，若及时将故障线路切除，由于阻尼作用的存在，发电机转子经过衰减的摇摆过程之后将停在一个新的运行点(k)上持续运行，系统能够保持暂态稳定。故障扰动物理过程故障切除时间过晚的情形如果故障线路切除较晚，在到达h点时转速还未降至同步转速，因此δ就将越过h点对应的角度δh。当运行点越过h点后，转子又立即承受加速转矩，转速又开始升高，而且加速度越来越大，δ将不断增大，发电机和无限大系统之间最终失去同步，导致不能保证对负荷的供电。失步过程

（12-7）

等面积定则

等面积定则系统受扰后发电机转子暂态过程类似地，可以推得故障切除后，转子在制动过程中动能的减少就等于制动转矩所作的功，即有：转子在相对运动中动能的增加过剩转矩对相对角位移所作的功图中abcd所包围的面积（加速面积）（12-8）

等面积定则系统受扰后发电机转子暂态过程式（12-9）中，等号左边为转子减速到δm时动能的减少；等号右边为制动转矩所作的功，对应于图中defg所包围的面积（减速面积）。

或为（12-9）

（12-7）（12-9）等面积定则：当减速面积等于加速面积时，转子角速度恢复到同步速度，δ达到δm并开始减小转子在减速过程中动能的减少正好等于加速时动能的增加，并可推得：（12-10）

等面积定则

等面积定则（12-11）

等面积定则

重合闸成功重合闸后故障仍存在显著地增加减速面积减少了减速面积，系统能否稳定，取决于再次切除故障的快慢

等面积定则重合闸成功重合闸后故障仍存在当一个简单系统在某一运行点受到特定的故障扰动，只要能在由此运行点和故障确定的极限切除角内切除故障，系统将保持暂态稳定。如果线路上装有重合闸装置，则断路器断开故障线路后经过一定时间会重新合闸。

等面积定则重新合闸后：（1）短路故障消除，系统恢复正常运行；

（2）短路故障依旧存在，断路器再次断开。重合闸成功重合闸后故障仍存在简单系统暂态稳定分析的数值积分法3PART

简单系统暂态稳定分析的数值积分法（12-12）描述发电机暂态的微分方程组发生短路故障后的初始条件为：由于系统故障发生的瞬间，系统状态变量不能发生突变，所以：故障期间转子的运动方程为：（12-13）

简单系统暂态稳定分析的数值积分法（12-14）数值积分方法—改进欧拉法

简单系统暂态稳定分析的数值积分法（12-15）数值积分方法—改进欧拉法

（12-16）（12-17）（12-18）提高暂态稳定性的措施及失稳后的控制4PART提高暂态稳定性的措施及失稳后的控制提高暂态稳定性的措施：最大程度的减小加速面积，最大程度的增大减速面积（1）

故障的快速切除（2）

自动重合闸装置的应用（3）

发电机快速强行励磁（4）

切发电机和切负荷（5）

快速关闭气门（6）

发电机电气制动