電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制

1、1. 電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制電力系統(tǒng)是一個由發(fā)電機(jī)組、變壓器、輸配電線路和用電設(shè)備等很多單元組成的。過電壓：波過程電磁暫態(tài)：研究電磁過程，機(jī)械過程恒定機(jī)電暫態(tài)：研究機(jī)械過程，電磁過程部分準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)靜態(tài)穩(wěn)定：電力系統(tǒng)受到小干擾后，不發(fā)生自發(fā)振蕩和非周期性的失步，自動恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)的能力。暫態(tài)穩(wěn)定：電力系統(tǒng)受到大干擾后，各同步電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)定運(yùn)行方式的能力，通常指保持第一或第二個振蕩周期不失步。動態(tài)穩(wěn)定：電力系統(tǒng)受到小的或大的干擾后，在自動調(diào)節(jié)和控制裝置的作用下，保持長過程的運(yùn)行穩(wěn)定性能力。功角穩(wěn)定：互聯(lián)系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)受到擾動后保持同步運(yùn)行的能力。電壓穩(wěn)定：在給定的初始

2、運(yùn)行狀態(tài)下，電力系統(tǒng)遭受擾動后系統(tǒng)中所有母線維持穩(wěn)定電壓的能力。頻率穩(wěn)定：電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重擾動后，發(fā)電和負(fù)荷需求出現(xiàn)大的不平衡，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定頻率的能力。2. 同步發(fā)電機(jī)及其數(shù)學(xué)模型3. 同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電特性靜態(tài)穩(wěn)定分析：自動控制理論的方法,微分方程線性化（小干擾法）,研究線性微分方程特征根（頻域法）暫態(tài)穩(wěn)定分析： 非線性微分方程數(shù)值解法（時域法）隱極機(jī)的功角特性1 發(fā)電機(jī)用Eq、xd表示 ( 即假設(shè)勵磁回路電壓、電流無變化，Eq為常數(shù)2 發(fā)電機(jī)用Eq、Xd表示3 電機(jī)用E',X'd表示4 機(jī)端電壓UG恒定凸極機(jī)的功角特性1 發(fā)電機(jī)用Eq、xd表示2 發(fā)電機(jī)用Eq、xd表示4

3、. 電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定電力系統(tǒng)受到小擾動之后可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定通常分為兩種形式：（1）由于缺少同步轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角逐步增大，滑行失步；（2）由于有效阻尼轉(zhuǎn)矩不足，轉(zhuǎn)子增幅振蕩。小擾動下運(yùn)行點(diǎn)變化的物理過程分析簡單系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)：運(yùn)行點(diǎn)處功角特性的斜率（導(dǎo)數(shù)）大于0，即：整步功率系數(shù)靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)簡單系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程和功角特性曲線（1）比例式勵磁調(diào)節(jié)器可以提高和改善系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性。其擴(kuò)大了穩(wěn)定運(yùn)行范圍，發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行在SEq<0，即 的一定范圍內(nèi)，也增大了穩(wěn)定極限功率，提高了輸送能力。（2）具有比例式勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)不能運(yùn)行在情況下。（3）放大倍數(shù)的整定值是應(yīng)用比例式勵磁調(diào)節(jié)器要特別注

4、意的問題。提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的一般原則: 系統(tǒng)的功率極限愈高則靜態(tài)穩(wěn)定性愈高。以單機(jī)無窮大系統(tǒng)為例，則可以通過減小發(fā)電機(jī)與無窮大系統(tǒng)之間的電氣距離（電抗）、提高發(fā)電機(jī)的電動勢和電網(wǎng)運(yùn)行電壓來提高系統(tǒng)的功率極限。減小元件的電抗（1）采用分裂導(dǎo)線（2）提高線路額定電壓（3）采用串聯(lián)電容補(bǔ)償5. 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限切除角快速切除故障的優(yōu)點(diǎn)（1）減小加速面積，增大減速面積；（2）非故障線路中電動機(jī)負(fù)荷端電壓回升，減小電動機(jī)失速危險。制動電阻的大小及其投切時間對電氣制動提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性作用的發(fā)揮非常重要。合適的制動電阻和投切時間，則可顯著提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。否則，存在欠制動和過制動。欠制動：制動作用

5、過小，發(fā)電機(jī)仍要失步。過制動：制動作用過大，發(fā)電機(jī)雖在第一次振蕩中沒有失步，卻在切除故障和切除制動電阻后的第二次振蕩中失步 。不對稱短路時，存在零序電流。故障期間，零序電流經(jīng)過變壓器中性點(diǎn)零序電阻時，將消耗有功功率，從而增大發(fā)電機(jī)在故障期間的電磁功率，減少功率缺額，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。正常對稱運(yùn)行時，無零序電流，不影響系統(tǒng)運(yùn)行。同樣，接地電阻的選擇計算很重要。提高暫態(tài)穩(wěn)定性的措施(1)、繼電保護(hù)實現(xiàn)快速切除故障；(2)、線路采用自動重合閘；(3)、采用快速勵磁系統(tǒng)；(4)、發(fā)電機(jī)增加強(qiáng)勵倍數(shù)；(5)、汽輪機(jī)快速關(guān)閉汽門；(6)、發(fā)電機(jī)電氣制動；(7)、變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地；6. 電力系統(tǒng)

6、電壓穩(wěn)定電壓崩潰機(jī)理 ：1.重負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)負(fù)荷持續(xù)增加，系統(tǒng)運(yùn)行備用（特別是無功）緊張，傳輸線潮流接近最大功率極限。2.大的突然擾動，如失去發(fā)電機(jī)組、輸電線相繼跳閘等。3.有載調(diào)壓變壓器ULTC負(fù)調(diào)壓作用。4.發(fā)電機(jī)過勵限制器OEL。5.繼電保護(hù)、低頻減載等缺乏協(xié)調(diào)是導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定的一個重要原因。6.弱連接的交直流系統(tǒng)。7.電壓崩潰通常顯示為慢的電壓衰減，這是由于許多電壓控制設(shè)備和保護(hù)系統(tǒng)作用及其相互作用積累過程的結(jié)果。在許多情況下，電壓不穩(wěn)定和轉(zhuǎn)子角不穩(wěn)定是相互耦合的。按研究采用的模型劃分，對電壓穩(wěn)定性的研究可以分為四大類： 基于物理概念的定性分析， 基于潮流方程的靜態(tài)方法， 基于線性

7、化動態(tài)方程的小干擾分析方法和 基于非線性動態(tài)方程的時域仿真計算。臨界功率為：從圖2. 8中可以看出，功率因數(shù)不同，臨界因數(shù)不同，在領(lǐng)先的最大功率因數(shù)即具有最大的電容補(bǔ)償情況下，臨界功率最大，相應(yīng)的臨界電壓也具有最大值。在功率極限前，負(fù)荷增加，電壓下降，這時增加無功可調(diào)整恢復(fù)電壓;系統(tǒng)表現(xiàn)電壓穩(wěn)定性質(zhì)，當(dāng)負(fù)荷功率由最大減到PV曲線下半部，功率減小時，節(jié)點(diǎn)電壓下降，這時系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。 電壓有多解，幅值較高的電壓解比幅值較低的電壓解穩(wěn)定。若由于某種原因使高幅值解改變?yōu)榈头到?，即發(fā)生模式轉(zhuǎn)換時，電壓失去穩(wěn)定。對P-V曲線進(jìn)行靈敏度分析，可看出dp/dv在電壓高解區(qū)和電壓低解區(qū)內(nèi)符號相反，在極值點(diǎn)

8、dp/dv=0.電壓安全性是與無功緊密相連的，V-Q曲線給出負(fù)荷母線的無功裕度，它等于運(yùn)行點(diǎn)與任一曲線底部的距離的有名值。 在V-Q曲線中，右側(cè)代表正常情況，接入電容使電壓升高，在大系統(tǒng)中，可通過一系列潮流來模擬，一臺假的同步補(bǔ)償機(jī)接在試驗?zāi)妇€上，按設(shè)定電壓發(fā)出無功，V一Q曲線描繪出試驗?zāi)妇€或臨母線電壓對無功功率的變化，這母線就是PV母線，它的無功是沒有限制的。V一Q曲線中電壓V是獨(dú)立變量，畫在橫軸，電容性無功畫在直軸。運(yùn)行點(diǎn)就是無功點(diǎn)處。V一Q曲線有如下優(yōu)點(diǎn): 1)電壓安全性與無功有緊密關(guān)系，V-Q曲線給出了試驗?zāi)妇€的無功裕度，無功裕度就是運(yùn)行點(diǎn)到任一曲線的距離(用MVAr表示)，或運(yùn)行點(diǎn)到

9、電容器的電壓平方特性曲線與V-Q曲線的交點(diǎn)，見圖2. 3，試驗?zāi)妇€可以是電壓控制區(qū)中的所有母線。2 ) V-Q曲線可沿P-V曲線各點(diǎn)算出. 3)試驗?zāi)妇€的并聯(lián)無功補(bǔ)償設(shè)備(電容器、無功靜止補(bǔ)償器、同步補(bǔ)償機(jī))的特性可直接畫在V-Q曲線上，運(yùn)行點(diǎn)是V-Q曲線與無功補(bǔ)償設(shè)備特性曲線的交點(diǎn)(圖2.3-b).這是很有用的，因為無功補(bǔ)償是解決電壓穩(wěn)定問題的關(guān)鍵。4) V-Q曲線的斜率說明試驗?zāi)妇€的剛度 5)甚至發(fā)電機(jī)的無功也可以畫在圖上，附近的發(fā)電機(jī)到達(dá)無功極限時，V-Q 曲線的斜率變得平緩。改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的技術(shù)投入必要的發(fā)電設(shè)備。在事故期間或當(dāng)新線路或變壓器被推遲投運(yùn)的時候，運(yùn)行不太經(jīng)濟(jì)的發(fā)電機(jī)以

10、改變潮流或提供電壓支持。串聯(lián)電容器。使用串聯(lián)電容器可有效地減小線路電抗，從而降低無功網(wǎng)損?；谶@一措施，聯(lián)絡(luò)線路可以從一端的強(qiáng)系統(tǒng)向另一端的無功短缺系統(tǒng)傳送更多無功功率。并聯(lián)電容器。雖然并聯(lián)電容器的過分使用可能是電壓不穩(wěn)定的原因之一，但有時附加的電容器也能解決電壓不穩(wěn)定問題，因為此時可以在發(fā)電機(jī)中預(yù)留出“旋轉(zhuǎn)無功儲備”。通常，所要求的無功功率大多是就地提供的，而發(fā)電機(jī)主要提供有功功率。(4)在較高電壓水平運(yùn)行。在較高電壓水平運(yùn)行可減少系統(tǒng)的無功需求，因為它使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在遠(yuǎn)離無功極限的狀態(tài)，因此幫助運(yùn)行人員預(yù)留了對電壓的控制。低電壓甩負(fù)荷。減少一定的負(fù)荷可能避免電壓崩潰。在輻射狀負(fù)荷的場合，甩負(fù)

11、荷應(yīng)該基于一次側(cè)電壓。在靜態(tài)穩(wěn)定問題中，甩掉受端系統(tǒng)的負(fù)荷是最有效的。低功率因數(shù)發(fā)電機(jī)。在很靠近無功短缺地區(qū)或靠近需要大的無功儲備的地區(qū)新增發(fā)電能力時，采用功率因數(shù)為0.85或0.8的發(fā)電機(jī)為宜。然而采用具有無功過負(fù)荷能力的高功率因數(shù)發(fā)電機(jī)加并聯(lián)電容器組可能更靈活，更經(jīng)濟(jì)。利用發(fā)電機(jī)無功過負(fù)荷能力。發(fā)電機(jī)和勵磁機(jī)過負(fù)荷的能力可被用來推遲電壓崩潰。在此期間運(yùn)行人員可以改變電網(wǎng)運(yùn)行方式或削減負(fù)荷。為此應(yīng)該進(jìn)一步定義無功過負(fù)荷能力，訓(xùn)練運(yùn)行人員使用它，并重新整定保護(hù)裝置以便不妨礙無功過負(fù)荷能力的使用。調(diào)壓措施：發(fā)電機(jī)調(diào)壓；同步調(diào)相機(jī)調(diào)壓；利用變壓器分接頭調(diào)壓 ；靜電電容器調(diào)壓； 靜止無功補(bǔ)償器（SV

12、C）調(diào)壓； 串聯(lián)補(bǔ)償調(diào)壓； 切去部分負(fù)荷調(diào)壓； 改變電網(wǎng)無功功率分布調(diào)壓。 7.次同步振蕩次同步振蕩 SSO汽輪發(fā)電機(jī)軸系與電力系統(tǒng)功率控制設(shè)備（例如高壓直流輸電系統(tǒng)、靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)等）發(fā)生相互作用，產(chǎn)生的低于同步頻率的振蕩。次同步諧振 SSR采用串聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)慕涣鬏旊娤到y(tǒng)出現(xiàn)擾動時，由于電氣系統(tǒng)的固有頻率可能與汽輪發(fā)電機(jī)軸系的自然扭振頻率形成諧振，汽輪發(fā)電機(jī)軸系產(chǎn)生的次同步頻率功率交換。扭轉(zhuǎn)振動是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中普遍存在的一種形式的機(jī)械振動，這種振動形式將引起材料內(nèi)部的切向交變扭應(yīng)力。若扭轉(zhuǎn)幅度過大剪切應(yīng)力超過彈性限度，材料就會產(chǎn)生疲勞損傷；當(dāng)疲勞累積到壽命終了時，材料就會開始出現(xiàn)裂紋，裂紋逐漸發(fā)展，