第15章電力系統運行穩(wěn)定性的基本概念-郭壯志

1、1第十五章第十五章 電力系統運行穩(wěn)定性的基本概念電力系統運行穩(wěn)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靜態(tài)穩(wěn)定的初步概念靜態(tài)穩(wěn)定的初步概念15-415-4暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念15-515-5負荷穩(wěn)定的概念負荷穩(wěn)定的概念15-615-6電壓穩(wěn)定性的概念電壓穩(wěn)定性的概念15-715-7發(fā)電機轉子運動方程發(fā)電機轉子運動方程215-1 15-1 概述概述1 1、正常穩(wěn)定運行狀態(tài)：正常穩(wěn)定運行狀態(tài)： 任何任何GG均具有相同的電角速度均具有相同的電角速度同步速度同步速度i = =N同步運轉；同步運轉； 運行狀態(tài)參數運行狀態(tài)參數(V

2、(V、I I、P P、QQ、f f 等等) )基本保持不變，基本保持不變， 且且 V VV VNN， ffffN N ； I I I INN 負荷（用電設備）處于正常運行狀態(tài)。負荷（用電設備）處于正常運行狀態(tài)。2 2、電力系統暫態(tài)過程、電力系統暫態(tài)過程 正常穩(wěn)態(tài)正常穩(wěn)態(tài) 3 3、穩(wěn)定破壞的原因、危害：、穩(wěn)定破壞的原因、危害： 穩(wěn)定破壞：穩(wěn)定破壞：GG失去同步失去同步 / f or V / f or V 不可控地急劇下降不可控地急劇下降 / / 負荷失去正常運行負荷失去正常運行 原因：擾動原因：擾動大擾動：大容量元件投、切；大擾動：大容量元件投、切； 系統故障（短路系統故障（短路 / / 斷線斷

3、線 ） 小擾動：負荷隨機變化小擾動：負荷隨機變化( (波動波動) )；元件投、切；元件投、切； 負荷快速大幅度負荷快速大幅度增加增加 危害：運行狀態(tài)參數劇烈變化或振蕩，供電質量下降；危害：運行狀態(tài)參數劇烈變化或振蕩，供電質量下降； 系統瓦解，大面積供電中斷！系統瓦解，大面積供電中斷！暫態(tài)過程暫態(tài)過程315-1 15-1 概述概述4 4、穩(wěn)定問題的分類穩(wěn)定問題的分類一般分類原則：一般分類原則：(1) (1) 按失穩(wěn)特征分類：按失穩(wěn)特征分類： 功角穩(wěn)定（同步運行穩(wěn)定性）功角穩(wěn)定（同步運行穩(wěn)定性） 頻率穩(wěn)定頻率穩(wěn)定 電壓穩(wěn)定電壓穩(wěn)定(2) (2) 按擾動大小按擾動大小 小擾動穩(wěn)定小擾動穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定靜

4、態(tài)穩(wěn)定( (不計調節(jié)裝置和元件動態(tài)特性不計調節(jié)裝置和元件動態(tài)特性) ) 動態(tài)穩(wěn)定動態(tài)穩(wěn)定( (計及調節(jié)裝置和元件動態(tài)特性計及調節(jié)裝置和元件動態(tài)特性) ) 大擾動穩(wěn)定大擾動穩(wěn)定暫態(tài)穩(wěn)定暫態(tài)穩(wěn)定(3) (3) 按過渡過程時間框架按過渡過程時間框架 暫態(tài)穩(wěn)定暫態(tài)穩(wěn)定單擺穩(wěn)定、多擺穩(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)定性短期穩(wěn)定性、中期穩(wěn)定性、長過程動態(tài)穩(wěn)定性(4) (4) 穩(wěn)定問題的分析方法穩(wěn)定問題的分析方法 小擾動靜態(tài)穩(wěn)定小擾動靜態(tài)穩(wěn)定基于潮流的分析方法基于潮流的分析方法 小擾動動態(tài)穩(wěn)定小擾動動態(tài)穩(wěn)定線性化線性化基于空間線性狀態(tài)方程的分析方法基于空間線性狀態(tài)方程的分析方法

5、暫態(tài)穩(wěn)定暫態(tài)穩(wěn)定非線性微分非線性微分- -代數方程組的分析方法代數方程組的分析方法 中長期動態(tài)穩(wěn)定中長期動態(tài)穩(wěn)定綜合分析方法綜合分析方法415-2 15-2 發(fā)電機轉子相對位置和電勢相位發(fā)電機轉子相對位置和電勢相位功角的概念功角的概念qedsinE VPXedqcoscossinPPVIIxE1 1、發(fā)電機電勢間的時間相位角、發(fā)電機電勢間的時間相位角功角功角515-2 15-2 發(fā)電機轉子相對位置和電勢相位發(fā)電機轉子相對位置和電勢相位功角的概念功角的概念2 2、發(fā)電機轉子相對空間位置角、發(fā)電機轉子相對空間位置角615-2 15-2 發(fā)電機轉子相對位置和電勢相位發(fā)電機轉子相對位置和電勢相位功角的

6、概念功角的概念3 3、與與(同步同步/ /功角功角)穩(wěn)定性的關系穩(wěn)定性的關系715-3 15-3 靜態(tài)穩(wěn)定的初步概念靜態(tài)穩(wěn)定的初步概念1 1、靜態(tài)穩(wěn)定性的定義：靜態(tài)穩(wěn)定性的定義： 受到瞬時出現、立即消失的微小擾動后，系統具有抑制擾動、獨立地恢復到原受到瞬時出現、立即消失的微小擾動后，系統具有抑制擾動、獨立地恢復到原始運行狀態(tài)始運行狀態(tài)(或近似的原始運行狀態(tài)或近似的原始運行狀態(tài))的能力的能力2 2、轉子凈加速功率轉子凈加速功率(轉矩轉矩)與轉子運動行為的關系：與轉子運動行為的關系： 決定決定GG轉子運行行為的關鍵轉子運行行為的關鍵Ma =MT MeMa0， (N) ( 0 0) Ma0， (N)

7、 ( Pe ，G、, 0 & & 過過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點附近若干次震蕩后點附近若干次震蕩后 c cc c點：點：SEPSEPNewNew P PT T = P= Pe e 、G=N 、= c1215-4 15-4 暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念2 2、暫態(tài)穩(wěn)定過程分析暫態(tài)穩(wěn)定過程分析(2) (2) 不穩(wěn)定情形：不穩(wěn)定情形：運行點運行點 過過c c后后: : c c c c， P PT T P0 越過越過cc P PT

8、T P Pe e G 、 P Pe e G - 運行點運行點“ 一去不復返一去不復返” ！ G G 與系統失去同步，穩(wěn)定破壞！與系統失去同步，穩(wěn)定破壞！1315-4 15-4 暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念暫態(tài)穩(wěn)定的初步概念3 3、暫態(tài)穩(wěn)定的機理解釋暫態(tài)穩(wěn)定的機理解釋簡單系統暫態(tài)穩(wěn)定判據簡單系統暫態(tài)穩(wěn)定判據 P PT T Pe Pe 轉子加速，積蓄動能；轉子加速，積蓄動能； P PT T Pe Pe 轉子減速，釋放動能；轉子減速，釋放動能；穩(wěn)定條件：穩(wěn)定條件：在最大可能的減速過程中，在最大可能的減速過程中，“積蓄積蓄” 完全完全 “釋放釋放” ，回到同步轉速，回到同步轉速穩(wěn)定判據：穩(wěn)定判據： S S+ +

9、S 0 0 n n s s M=Me-M-MT T 0 /ds0 實際：實際： s=5 %s=5 %左右左右注意：注意： IMIM失穩(wěn)過程中失穩(wěn)過程中 ( (n n、s s s=1 s=1、n=0 )n=0 ) 吸收大量吸收大量QQ可能導致系統電壓失穩(wěn)！可能導致系統電壓失穩(wěn)！1615-6 15-6 電壓穩(wěn)定性的概念電壓穩(wěn)定性的概念1 1、單端供電系統的傳輸功率特性：、單端供電系統的傳輸功率特性：定義：定義：系統維持各節(jié)點電壓在允許范圍內的能力系統維持各節(jié)點電壓在允許范圍內的能力222212cos()cos/cos2cos()zzsszzLDLDszzsLDzzLDsLDEVEzVPz1715-

10、6 15-6 電壓穩(wěn)定性的概念電壓穩(wěn)定性的概念2 2、( (靜態(tài)靜態(tài)) )電壓穩(wěn)定性的基本概念電壓穩(wěn)定性的基本概念(1) (1) 區(qū)域區(qū)域 I I：Z ZLDLD (Y(YLDLD ) ) V V 、P P 電壓穩(wěn)定電壓穩(wěn)定 區(qū)域區(qū)域 II II：Z ZLDLD (Y(YLDLD ) ) V V 、P P 電壓不穩(wěn)定電壓不穩(wěn)定 判據：判據： dP/dV0dP/dV0(2) (2) 電壓崩潰：電壓崩潰： 電壓失穩(wěn)電壓失穩(wěn) 電壓不可控制地電壓不可控制地 大面積供電中斷，乃至系統瓦解！大面積供電中斷，乃至系統瓦解！(3) (3) 影響電壓穩(wěn)定性的關鍵因素：影響電壓穩(wěn)定性的關鍵因素： 本質原因：無功功

11、率支撐本質原因：無功功率支撐 關鍵因素：負荷的動態(tài)特性關鍵因素：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的電壓電壓失穩(wěn)時切除部分負荷有利于系統的電壓穩(wěn)定穩(wěn)定; ; 但大量負荷失去也可能導致功角失穩(wěn)！但大量負荷失去也可能導致功角失穩(wěn)！1815-7 15-7 發(fā)電機轉子運動方程發(fā)電機轉子運動方程一、轉子運動方程一、轉子運動方程a TeJ AMMM 2aTe2ddJAJJMMMdtdt , , pppA2aTe2J dJ dMMMpdtpdt 1 1、基本形式、基本形式1915-7 15-7 發(fā)電機轉子運動方程發(fā)電機轉子運動方程一、轉子運動方程一、轉子運動方程2 2、轉子電氣角位移的表示、轉

12、子電氣角位移的表示GGi i 相對于固定軸相對于固定軸 ： i 、iGGi i 相對于同步軸相對于同步軸 ：i 、iiiNiiNit GGi i 、 GGj j 之間的角位移、相對角速度：之間的角位移、相對角速度：ij 、ijijijijijijijiiNNttNN2222iiiiiiiiddddtdtdtddddtdtdt 20二、用標么值表示的轉子運動方程二、用標么值表示的轉子運動方程aTeTe()MMMPP/2Ja2N1TdPdt22a22dddJJJJp Mdtdtdt選轉矩基準值：選轉矩基準值： BBNMS22Na*2BN1JdMSdt 2Ja2NTdMdt 15-7 15-7 發(fā)電

13、機轉子運動方程發(fā)電機轉子運動方程2NBJTJS機械慣性時間常數機械慣性時間常數1 1、基本標幺值形式：、基本標幺值形式：21二、用標么值表示的轉子運動方程二、用標么值表示的轉子運動方程2Ja2NTdMdt BN22222BB*1 , ()()BNNttt ttdddddtd t td t tdt2aJa2PdTMdt 15-7 15-7 發(fā)電機轉子運動方程發(fā)電機轉子運動方程2 2、全標幺值形式：、全標幺值形式： radrad22NNNaaJJ*ddtPdMdtTT NaJdsdtMdsdtT15-7 15-7 發(fā)電機轉子運動方程發(fā)電機轉子運動方程二、用標么值表示的轉子運動方程二、用標么值表示的

14、轉子運動方程3 3、狀態(tài)方程形式：、狀態(tài)方程形式：2NN2() , ddddddtdtdtdtdt 4 4、轉差率形式的狀態(tài)方程：、轉差率形式的狀態(tài)方程：*a*J*a*ddtPdTMdt NNN() ss23三、三、TJ 的物理意義的物理意義15-7 15-7 發(fā)電機轉子運動方程發(fā)電機轉子運動方程1 1、T TJ(N)J(N) = S = SNN基準下、以基準下、以N 旋轉所具有的動能標幺值之旋轉所具有的動能標幺值之2 2倍倍22NNJ NNNJJ222THSS2 2、時間意義：、時間意義：2415-7 15-7 發(fā)電機轉子運動方程發(fā)電機轉子運動方程四、多機系統四、多機系統 T TJ J 不同

15、基準容量不同基準容量 T TJ J 的換算的換算()() 2NiNJiNi2BiNJiBJT=SJT=S()()NBJiNiJiBTS=TS()()BNNiJiJiBSTTS2515-7 15-7 發(fā)電機轉子運動方程發(fā)電機轉子運動方程四、多機系統四、多機系統 T TJ J 系統等值機組的系統等值機組的 T TJ J. , 1,., ; 2iNJ iJi NN iN jNN iJT= T=inS 系統等值機組系統等值機組 Geq ：eq.NN iBi=12eqN.eq.NJnJ eqSSSTS22iNeqN22eqNiN.JJJJ=Nieq NNieq NSSSS()NiNi.111eq.NBn

16、nnBJ eqJi NJi NJiiiiSSTTTTSS2615-7 15-7 發(fā)電機轉子運動方程發(fā)電機轉子運動方程五、穩(wěn)定性分析面臨的基本問題五、穩(wěn)定性分析面臨的基本問題2JiT .e .a .T .e .2N.iiiiiiiTdPPMMMdt 求解搖擺方程，獲得搖擺曲線求解搖擺方程，獲得搖擺曲線(t) 判斷系統穩(wěn)定性判斷系統穩(wěn)定性機械功率特性機械功率特性原動機及其原動機及其GovernorGovernor電磁功率特性電磁功率特性由由GG的電氣特性、網絡特性共同決定的電氣特性、網絡特性共同決定確定其變化規(guī)律確定其變化規(guī)律( (解析描述解析描述)復雜復雜非線性、高維非線性、高維27序號大小英文國際音標字母讀音意 義1alphaa:lfaa阿爾法角度（小寫）；系數4deltadeltad, dh, 德爾塔變化量（大寫）；5epsilone