第15章電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的基本概念-郭壯志

1第十五章電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的基本概念15-1概述15-2功角的概念15-3靜態(tài)穩(wěn)定的初步概念15-4暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念15-5負荷穩(wěn)定的概念15-6電壓穩(wěn)定性的概念15-7發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程215-1概述1、正常穩(wěn)定運行狀態(tài)：

任何G均具有相同的電角速度——同步速度ωi=ωN——同步運轉(zhuǎn)；運行狀態(tài)參數(shù)(V、I、P、Q、f等)基本保持不變，且V≈VN，f≈fN；

I≤

IN

負荷（用電設備）處于正常運行狀態(tài)。2、電力系統(tǒng)暫態(tài)過程

正常穩(wěn)態(tài)

3、穩(wěn)定破壞的原因、危害：

穩(wěn)定破壞：G失去同步/forV不可控地急劇下降/負荷失去正常運行原因：擾動——大擾動：大容量元件投、切；系統(tǒng)故障（短路/斷線）

——小擾動：負荷隨機變化(波動)；元件投、切；負荷快速大幅度增加危害：運行狀態(tài)參數(shù)劇烈變化或振蕩，供電質(zhì)量下降；系統(tǒng)瓦解，大面積供電中斷！暫態(tài)過程315-1概述4、穩(wěn)定問題的分類——①一般分類原則：(1)按失穩(wěn)特征分類：功角穩(wěn)定（同步運行穩(wěn)定性）頻率穩(wěn)定電壓穩(wěn)定(2)按擾動大小小擾動穩(wěn)定——靜態(tài)穩(wěn)定(不計調(diào)節(jié)裝置和元件動態(tài)特性)

動態(tài)穩(wěn)定(計及調(diào)節(jié)裝置和元件動態(tài)特性)

大擾動穩(wěn)定——暫態(tài)穩(wěn)定(3)按過渡過程時間框架暫態(tài)穩(wěn)定——單擺穩(wěn)定、多擺穩(wěn)定短期穩(wěn)定性、中期穩(wěn)定性、長過程動態(tài)穩(wěn)定性(4)穩(wěn)定問題的分析方法小擾動靜態(tài)穩(wěn)定——基于潮流的分析方法小擾動動態(tài)穩(wěn)定——線性化——基于空間線性狀態(tài)方程的分析方法暫態(tài)穩(wěn)定——非線性微分-代數(shù)方程組的分析方法中長期動態(tài)穩(wěn)定——綜合分析方法415-2發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對位置和電勢相位——功角的概念1、發(fā)電機電勢間的時間相位角——功角515-2發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對位置和電勢相位——功角的概念2、發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對空間位置角——δ615-2發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對位置和電勢相位——功角的概念3、δ與(同步/功角)穩(wěn)定性的關系715-3靜態(tài)穩(wěn)定的初步概念1、靜態(tài)穩(wěn)定性的定義：

受到瞬時出現(xiàn)、立即消失的微小擾動后，系統(tǒng)具有抑制擾動、獨立地恢復到原始運行狀態(tài)(或近似的原始運行狀態(tài))的能力2、轉(zhuǎn)子凈加速功率(轉(zhuǎn)矩)與轉(zhuǎn)子運動行為的關系：

決定G轉(zhuǎn)子運行行為的關鍵——△Ma=MT－Me△Ma>0，ω↑(>ωN)

→

δ↑

(>δ0)

△Ma<0，ω↓(<ωN)

→

δ↓

(<δ0)平衡點——△Ma=0，ω=ωN&δ=δ0=const83、靜態(tài)穩(wěn)定性的機理分析：15-3靜態(tài)穩(wěn)定的初步概念假設條件：G具有正阻尼(如摩擦轉(zhuǎn)矩)915-3靜態(tài)穩(wěn)定的初步概念4、結(jié)論——靜態(tài)穩(wěn)定性的實用判據(jù)：(1)靜態(tài)穩(wěn)定條件：——靜態(tài)穩(wěn)定實用判據(jù)(2)電力系統(tǒng)維持正常運行的必要、但非充分條件：(3)隱極機單機—無窮大系統(tǒng)，不計AVR——Eq=const：1015-4暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念1、暫態(tài)穩(wěn)定性的定義：

正常運行的系統(tǒng)受到(給定的)一定大小的擾動后，恢復到原始運行狀態(tài)、或不失去同步地過渡到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力正常運行切除線路系統(tǒng)條件：正常雙回輸電線路運行條件下突然切除一回線路；隱極Eq=const功率特性：1115-4暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念2、暫態(tài)穩(wěn)定過程分析(1)穩(wěn)定情形：設：原動機機械輸出功率（轉(zhuǎn)矩）不變

原始運行點：a(SEP)，

ωG=ωN

、△ω=0

突然切除一回線路

轉(zhuǎn)子慣性→功角不能突變運行點轉(zhuǎn)移：

a→b→c，PT>Pe

，ωG↑、δ↑,

△ω>0&

↑

過c后:c→d，PT<Pe，

ωG↓、

△ω↓&

△ω>0

δ↑→d:δ

max、△ω=0

d:

PT<Pe

→

ωG、δ↓&△ω<0

d→c

c:

PT=Pe

，慣性→

ωG、δ↓

越過c→b方向轉(zhuǎn)移

——PT>Pe——在c點附近若干次震蕩后→

c

c點：SEPNew

→

PT=Pe

、ωG=ωN

、δ=δc1215-4暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念2、暫態(tài)穩(wěn)定過程分析(2)不穩(wěn)定情形：運行點過c后:c→c’，PT<Pe，——c’：△ω>0

→

δ↑——越過c’——PT>Pe→

ωG

↑

、δ↑

↑

→Pe↓↓

→

ωG

↑↑

→-----→

運行點“一去不復返”！

——

G與系統(tǒng)失去同步，穩(wěn)定破壞！1315-4暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念3、暫態(tài)穩(wěn)定的機理解釋——簡單系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定判據(jù)PT>Pe

→

轉(zhuǎn)子加速，積蓄動能；PT<Pe

→

轉(zhuǎn)子減速，釋放動能；

穩(wěn)定條件：在最大可能的減速過程中，“積蓄”完全“釋放”，回到同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定判據(jù)：

S+<S-max注意：

(1)

復雜系統(tǒng)無此簡單判據(jù)

根本判穩(wěn)依據(jù)：

δ(t)→δconst

且新的平衡點為SEP

δ(t)

——搖擺曲線(2)

S-↑

、S+↓

——穩(wěn)定程度愈強1415-5負荷穩(wěn)定的概念1、負荷穩(wěn)定的定義：

母線電壓、電網(wǎng)頻率變化時，負荷(用電設備)維持其正常運行的能力

——一般而言，(理論上)只有動態(tài)負荷才存在穩(wěn)定性問題！——典型負荷穩(wěn)定問題——感應電動機(IM)運行穩(wěn)定性

IM為主要的動態(tài)負荷，其運行穩(wěn)定性表現(xiàn)為：能否以其額定(或接近額定)轉(zhuǎn)速運行——不發(fā)生過負荷、過熱損壞2、IM的M-s曲線1515-5負荷穩(wěn)定的概念3、靜態(tài)穩(wěn)定性分析：

機理：△M=Me-MT>0→n↑→s↓

△M=Me-MT<0→n↓

→s↑

結(jié)論：a——SEP，b——UEP

判據(jù)：dMe/ds>0

實際：

s=5%左右注意：

IM失穩(wěn)過程中(n↓、s↑

→s=1、n=0)

吸收大量Q——可能導致系統(tǒng)電壓失穩(wěn)！1615-6電壓穩(wěn)定性的概念1、單端供電系統(tǒng)的傳輸功率特性：定義：系統(tǒng)維持各節(jié)點電壓在允許范圍內(nèi)的能力1715-6電壓穩(wěn)定性的概念2、(靜態(tài))電壓穩(wěn)定性的基本概念(1)區(qū)域I：ZLD

↓(YLD

↑)→V↓、P↑

——電壓穩(wěn)定

區(qū)域II：ZLD

↓(YLD

↑)→V↓、P↓

——電壓不穩(wěn)定

判據(jù)：dP/dV<0(2)電壓崩潰：

電壓失穩(wěn)→電壓不可控制地↓

↓

→大面積供電中斷，乃至系統(tǒng)瓦解！(3)影響電壓穩(wěn)定性的關鍵因素：

本質(zhì)原因：無功功率支撐

關鍵因素：負荷的動態(tài)特性

電壓失穩(wěn)時切除部分負荷有利于系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定;但大量負荷失去也可能導致功角失穩(wěn)！1815-7發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程一、轉(zhuǎn)子運動方程1、基本形式1915-7發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程——一、轉(zhuǎn)子運動方程2、轉(zhuǎn)子電氣角位移的表示Gi相對于固定軸：θi

、ωiGi相對于同步軸：δi

、△ωiGi、Gj

之間的角位移、相對角速度：δij

、△ωij20二、用標么值表示的轉(zhuǎn)子運動方程選轉(zhuǎn)矩基準值：15-7發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程——機械慣性時間常數(shù)1、基本標幺值形式：21二、用標么值表示的轉(zhuǎn)子運動方程15-7發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程2、全標幺值形式：δ——rad2215-7發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程二、用標么值表示的轉(zhuǎn)子運動方程3、狀態(tài)方程形式：4、轉(zhuǎn)差率形式的狀態(tài)方程：23三、TJ

的物理意義15-7發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程1、TJ(N)=SN基準下、以ΩN旋轉(zhuǎn)所具有的動能標幺值之2倍2、時間意義：2415-7發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程四、多機系統(tǒng)TJ——①不同基準容量

TJ的換算2515-7發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程四、多機系統(tǒng)TJ——②系統(tǒng)等值機組的TJ系統(tǒng)等值機組Geq：2615-7發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程五、穩(wěn)定性分析面臨的基本問題求解搖擺方程，獲得搖擺曲線δ(t)

→判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性機械功率特性——原動機及其Governor電磁功率特性——由G的電氣特性、網(wǎng)絡特性共同決定確定其變化規(guī)律(解析描述)——復雜——非線性、高維27序號大小英文國際音標字母讀音意義1Ααalphaa:lfaa阿爾法角度（小寫）；系數(shù)4Δδdeltadeltad,dh,德爾塔變化量（大寫）；5Εεepsilonep`silone艾普斯龍對數(shù)之基數(shù)；電勢能（小寫）7Ηηetaetae,i艾塔磁滯系數(shù)；效率（小寫）8Θθthetaθi