1、1,第二章 电力系统的运行状态及稳定性分析,一、电力系统运行的正常和非正常状态,有功电源：发电机 无功电源：并联电容器 同步调相机同步电动机 静止补偿器,2-1 电力系统的运行状态,不等式约束条件：,等式约束条件：,1、正常状态遵守的约束条件,2,1、正常运行状态：满足等式和不等式约束条件，是经济运行调度的基础。2、警戒状态：满足等式和不等式约束条件，但不等式约束已经接近上下限，以安全调度为主。3、紧急状态：不等式约束遭到破坏，等式约束仍能满足，系统仍能同步运行。4、系统崩溃：不等式、等式约束同时不满足，系统将解列成几个独立的小系统。5、恢复状态：使崩溃后的若干个小系统向并列的大系统运行状态过
2、渡。,二、电力系统运行状态分类,3,电力系统运行状态示意图,4,2-2 电力系统稳定性的基本概念 电力系统稳定性分类： 20世纪60年代前：前苏联、我国：静态稳定，动态稳定。 西方：静态稳定，暂态稳定。 20世纪70年代起，国际通用：静态稳定，暂态稳定 一、定义： 静态稳定：在一个特定的稳定运行的条件下，电力系统受到任何一个小的扰动，经过一段时间，它能够自动恢复到或者靠近小扰动前的运行条件。暂态稳定：在一个特定的稳态运行条件下，电力系统受到一个特定的大干扰后，能够从原来的运行状态不失去同步地过渡到另一个允许的稳态运行条件。,5,功角在时间上表示励磁电势和受电端电压之间的相角差；,发电机输出的电
3、磁功率方程：,二、电力系统静态稳定分析,根据同步发电机相量图，推导同步发电机输出电磁功率方程,因为：,所以：,I,6,发电机输出的电磁功率方程：,二、电力系统静态稳定分析,7,同步发电机的功率流程：,二、电力系统静态稳定分析,8,遭受微小扰动后a、b两个运行点的过渡过程分析：a点：大于 0 时，转子转速上升，转子制动， 趋于0。小于 0 时，转子转速下降，转子加速， 趋于0。b点：大于 0 时，转子转速上升，转子加速， 趋于无穷大。小于 0 时，转子转速下降，转子制动， 趋于无穷大。,(静态稳定工作点)：,(静态不稳定工作点),9,功角在空间上表现为发电机转子磁场轴线与定子合成磁场轴线之间夹角
4、。,发电机输出的电磁功率方程：,二、电力系统静态稳定分析,10,用图示功角的双重物理意义,11,转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功,实现机电能量转换,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。,功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。,12,为原动机输入的电磁功率,对静态稳定储备系数的要求：正常运行情况下应大于15%事故后要求不小于5%,静态稳定储备,储备系数：,13,功角 与发电机电磁功率 的增量有相同符号时，即 系统是静态稳定的 当 系统临界稳定
5、当 系统是不稳定的,整步功率,根据上面在点a及点b能否稳定运行分析，得出静态稳定判据：,14,三、电力系统暂态稳定分析,15,2-3 研究电力系统稳定的基本模型,同步发电机基本原理,16,2-3 研究电力系统稳定的基本模型,同步发电机基本原理,17,2-3 研究电力系统稳定的基本模型,同步发电机定子绕线示意图,汽轮发电机转子结构示意图,定子有3相电枢绕组（空间位置相差120。） 转子有励磁和若干阻尼绕组,18,19,2-3 研究电力系统稳定的基本模型,同步发电机转子磁极绕线示意图,汽轮发电机转子结构示意图,20,2-3 研究电力系统稳定的基本模型,同步发电机转子磁极绕线示意图,汽轮发电机转子绕
6、组绕线结构示意图,21,22,2-3 研究电力系统稳定的基本模型,水轮发电机转子运动示意图,23,2-3 研究电力系统稳定的基本模型,同步发电机转子磁极绕线示意图,水轮发电机转子结构示意图,24,分析电力系统稳定的最主要工作在于确定：转子角度、角速度变化的同步发电机转子运动方程,发电机定子： 有3相电枢绕组（空间位置相差120。） 发电机转子： 有励磁和若干阻尼绕组,2-3 研究电力系统稳定的基本模型,一、同步发电机基本机构及模型,现代汽轮发电机均为2极,极数多,25,发电机暂态电抗后的电势矢量； 发电机出口的端电压矢量； 发电机输出电流矢量； 发电机暂态电抗。,二阶同步发电机模型,转子运动方
7、程：,附加代数方程：,同步发电机转子运动基本方程式：,转子运动方程：,26,二、励磁系统模型,一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负载:有功电流的变化影响发电机的转速及频率无功电流的变化影响发电机的电压。,为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。,因此，励磁系统的原有功能：,目前，励磁系统已演变成多功能、多变量的控制器,27,二、励磁系统模型,现代励磁控制的作用：,（1）稳态运行时,a)保持发电机在运行中的电压恒定； b)同步发电机并列运行时调节无功功率的分配； c)提高输电线路静态稳定极限，扩大稳定范围； d)可以阻尼和抑制低频震荡。,不仅
8、控制发电机端电压，还控制发电机的功率因数和电流等参数,（2）暂态过程中,a)负荷剧烈变化时，调节发电机输出电压； b)系统状态不稳定时，可以强行励磁，提高系统稳定性。,28,同步发电机励磁系统的组成,励磁功率单元：由直流励磁机或交流励磁机加可控整流器，也可是交流变压器加可控整流器构成 励磁调节单元：由自动电压调节器（AVR）、电力系统稳定器（PSS）及其附属电路和设备构成,29,按励磁电流提供方式不同：,（1）直流机励磁系统由带有整流子的直流发电机供电电刷是约束，100MW以上机组很少使用时间常数大，电压响应速度较慢,30,整流子,31,按励磁电流提供方式不同：,（2）交流机励磁系统交流发电机
9、与整流器构成直流电源，有辅助励磁机，轴系长励磁响应时间长，对发电机端电压调节速度较慢,32,按励磁电流提供方式不同：,（3）静态励磁系统从发电机出口变压器加整流器由于无主副励磁机，无旋转部件，轴系短，有利于减少机组振动和扭振励磁响应时间短，对发电机端电压调节速度快,33,34,和 分别为该环节的放大倍数和时间常数。,量测滤波：惯性环节 其传递函数可用下式表示,比例常数。 由互感器-整流器装置中的滤波作用所引起的时间常数，较小。,综合放大、移相触发、可控硅输出：近似为惯性环节,和 分别为该环节的放大倍数和时间常数。,转子电压软负反馈,其作用是提高控制调节系统的稳定性品质，输出量大小与转子电压的变
10、化率有关。,35,相位补偿,传感器,信号复归,放大限幅,输入 信号,励磁 系统,四、原动机调速系统模型,三、电力系统稳定器模型（Power System Stabilizer,PSS）,电力系统频率正比于原动机转速。 调速系统由量测、放大、执行三个环节组成。 量测环节的输入控制变量：,信号测量,当采用快速响应的可控硅励磁调节器，输入信号仅用发电机端子电压时，会使电力系统产生弱阻尼或负阻尼而引起电力系统增幅震荡，导致不稳定。若在励磁系统中引入其它附加信号，可以增强电力系统的阻尼。这类信号由电力系统稳定器提供：,36,1-轴；2-叶轮；3-动叶片；4-喷嘴,汽轮机模型：汽容效应（调节气门与第一级喷
11、嘴存在管道和空间）,37,汽轮机模型：,以给定功率为输入量 以蒸汽量为输出量,引进600MW汽轮发电机,国产300MW汽轮发电机,38,水轮机模型：水锤现象（水流在水轮机及引水管中有惯性）,39,水轮机模型：考虑水锤现象,输入量：导叶开度 输出量：水轮机功率,40,2-4 提高和改善电力系统稳定性的控制技术,电力系统稳定性是限制交流远距离输电和输送能力的决定因素之一。,系统II,双回线联接的系统示意图,系统I,功率过剩,传输能力不足,功率不足,因故障被切除,问题的提出：,41,一般原则：,1）尽可能地提高电力系统的功率极限,2-4 提高和改善电力系统稳定性的控制技术,电力系统稳定控制的核心是控
12、制电力系统内同步发电机转子的运动状态，使其保持同步运行，即发电机输出端电压为50Hz,2）减少发电机相对运动的振荡幅度,42,1、尽量缩短电气距离或等值电气距离（根本措施）1）减少发电机或变压器电抗；2）采用自动励磁装置；（补偿电枢反应的去磁作用，保证了发电机输出电压自动调整(恒压)。投资小、优先考虑）3）减少线路电抗；（分裂导线或双回输电线）4）串联电容补偿；5）改善电力系统结构，系统中间增设中间调相机。,2-4 提高和改善电力系统稳定性的控制技术,一、提高静态稳定的方法,2、减小机械与电磁、负荷与电源的功率或能量差额（紧急状态下的临时措施）,3、解列、合理选择解列点（权宜措施）,43,分裂
13、导线,串联电容补偿器,中间调相机,串联补偿电容器组可以更有效地利用输电线路，使输电系统更加可靠、经济地运行。增加输电能力的要求意味着增加输电线路或者对线路进行补偿，串联补偿是一个提高线路输电能力既经济又有效的办法，不但可以改善线路电器参数，实现2条线路输送3条线路的功率，而且既提高了传输功率又节省了投资。仅用于高压系统。,分裂导线一般是将每相导线用2-4根截面较小的导线组成，分导线间相距0.3-0.5米，可以起到增大导线直径的作用，比总截面相同的大导线，更不容易产生电晕，送电能力提高。分裂导线主要有应用于330千伏及以上电压的线路上。,调相机在电力系统中的作用，就是发出无功或吸收无功，达到改善
14、功率因数，同时兼有调整电压的作用。在长距离输电线路中，线路电压降随负载情况的不同而发生变化，如果在输电线的受电端装一同步调相机，在电网负载重时，让其过励运行，减少输电线中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降；在输电线轻载的情况下，让其欠励运行，吸收滞后的无功电流，可防止电网电压上升，从而维持电网的电压在一定的水平上。同步调相机还有提高电力系统稳定性的作用。随着电力电子技术的发展和静止无功补偿器 (SVC)的推广使用，调相机现已很少使用。,44,方法：1）快速切除故障；2）采用自动重合闸；3）强行励磁（维持同步发动机出口电压UG为常数不变） ；4）改善原动机调速系统的调节特性（如快速关闭进气阀
15、门）；5）同步发电机输出端采用电气制动控制；6）变压器中性点经小电阻接地；7）强行串联补偿和设置开关站控制；8）连锁切除同步发电机；9）调节直流输电功率控制；10）设置合理的解列点或同步发电机异步运行。,二、提高暂态稳定的方法及措施,2-4 提高和改善电力系统稳定性的控制技术,根本出发点：控制和减少功率、能量的差额。,45,具体措施：1）切除部分机组（水电厂）,快速切机示意图,G2,G4,负荷,G1,G3,负荷,G,G,水电站,中间变电站,受端系统,就地切机,远动切机,46,2）电气制动（水电厂）故障后迅速投入电阻，消耗发电机过剩的有功功率,启动信号的选择,电气制动的作用,过制动和欠制动,注意
16、的问题：,电阻投入时刻：立即、二次重合 电阻退出时刻：,R容量相当于电厂装机容量的1/3至1/4（容量足够时才有效）,47,3）快关汽门减小原动机转矩，适合应用于汽轮机。（慎用） 4）自动重合闸一般指二次重合闸，主要针对瞬时故障。 5）采用快速励磁系统强行励磁保持电压水平。 6）切除部分负荷在频率正常情况下，在短路故障切除0.5s内切除负荷，再在15min内分级将负荷重新投入。 7）再同步控制加大、减小原动机转矩。 8）解列解列点选择：(1) 解列后各小系统功率基本平衡；(2) 再并列较方便、通信可靠性高、远动设备水平高。,48,在a点，当扰动使发电机的角度获得微小增量 时，发电机发出的功率将
17、随之增大，此时发电机与原动机之间的功率平衡遭到破坏。由于这时发电机发出的电功率大于原动机的机械功率，即原动机的驱动转矩小于发电机的电磁滞动转矩，结果使发电机组开始减速，其角度增量 逐渐减小，经过一段过渡过程后运行又恢复到扰动前的运行点a，使发电机与原动机间恢复了功率的平衡。所以，在a点运行时，电力系统是静态稳定的。在b点，当扰动使发电机的角度获得微小增量 时，发电机发出的功率减小，发电机与原动机的机械功率遭到破坏，此时发电机发出的电功率小于原动机的机械功率，即原动机的驱动转矩超过了发电机的电磁转矩，结果使发电机开始加速，其角度增量 逐渐增大，且随着角度的增大发电机发出的功率继续减小，进一步引起角度继续增大，结果更加偏离了原先的运行情况，最终使发电机失去同步。所以在b点运行时，电力系统是静态不稳定的。,
