电力系统稳定与控制教学内容Word格式.docx

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发电机转子转速的变化直接影响电力系统稳定性。

电力系统稳态运行时，系统中所有同步发电机均同步运行，即功角δ是稳定值。

系统在受到干扰后，如果发电机转子经过一段时间的运动变化后仍能恢复同步运行，即功角δ能达到一个稳定值，则系统就是功角稳定的，否则就是功角不稳定。

电力系统稳定的破坏，将造成大量用户供电中断，甚至导致整个系统的瓦解，后果极为严重。

二、功角稳定问题

1、功角稳定的分类

A、电力系统静态稳定

电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力；

这里的小扰动如个别电动机接入和切除或加负荷和减负荷等。

提高电力系统静态稳定的措施是：

（1）减少系统各元件的感抗。

（2）采用自动调节励磁装置。

（3）采用按频率减负荷装置。

（4）增大电力系统的有功功率和无功功率的备用容量。

B、暂态稳定

电力系统受到大干扰后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来运行方式的能力。

通常指保持第一或第二个振荡周期不失步。

暂态稳定的判据是电力系统遭受每一次大扰动（如短路、切除故障、切除线路、切机等）后，引起电力系统机组之间的相对功角增大，在经过第一个最大值后作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐步恢复。

暂态稳定计算分析的目的，是在规定运行方式和故障形态下，对系统稳定性进行校验，并对继电保护和自动装置以及各种措施提出相应的要求。

提高暂态稳定的措施

①用快速保护和快速断路器把故障切除时间减少到0.1～0.15秒之内；

②将故障限制在故障区段内；

③用自动重合闸尽快恢复网络结构；

④自动切除水轮发电机组和快速关上汽轮机的汽门，以减少加速能量；

⑤采用线路故障联动切机或切除其他线路，以防止连锁反应而扩大事故；

⑥采用电气制动和控制补偿设备；

⑦控制负荷功率（如炼铝厂），切除部分负荷，以及控制直流线路的功率等。

C、动态稳定

　　电力系统受到小干扰或大干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。

动态稳定计算分析的方法有两种：

①在小干扰下可采用特征值分析的方法，如同静态稳定，只是增加调节系统的微分方程式。

多机电力系统由于方程阶次高，还可推导出特征向量，以判断应对哪台机、哪个环节采取何种措施。

②数值解的方法，如同暂态稳定，同样是增加调节系统的微分方程。

数值解法用隐式积分法（梯形法，简单迭代法）；

对于大干扰的动态稳定的故障形态和地点选择与暂态稳定相同;

对于小干扰的动态稳定,可以在某些稳定较弱的节点上,加一个很大的阻抗，然后进行数值解。

若得到功角摇摆是增幅振荡或非周期扩散，则是不稳定。

在小干扰的条件下，特征值分析法和数值解法两种计算结果可以互相对照。

提高动态稳定的措施

①对于网络结构不合理的系统，应增加线路回路数，发电机接入高压主网以增强系统联系；

②对于网络结构一定的情况下，合理配置电力系统稳定器，改善大型发电机快速励磁调节系统的参数和特性；

③控制直流线路的功率，以提高并列运行的交流线路的动态稳定性等。

2、功角稳定的基本问题——发电机功角特性

功角δ的含义：

两电源电势的相角差，发电机q轴电势与无穷大系统电源电势之间的相角差。

电磁功率的大小与δ密切相关，故称δ为“功角”或“功率角”。

电磁功率与功角的关系式被称为“功角特性”或“功率特性”。

功角δ除了表征系统的电磁关系之外，还表明了各发电机转子之间的相对空间位置。

功角持续变化，将导致电流、节点电压、输出功率持续变化。

正常运行时，由于负荷波动，当负荷变大时，转子减速、功角变大；

当负荷变小时，转子加速、功角变小。

此时，原动机要进行相应的功率调节，保持功角稳定在新的值。

负荷恒定时，受到干扰（如发生短路），功角也会变化。

同步发电机的功角特性是指发电机的有功功率（P）、无功功率（Q）与发电机电抗（Xd、Xq）、内电动势（Ed）、机端电压（U）和功角（δ）的关系特性。

P代表发电机输出的有功功率，对发电机产生制动的电磁转矩。

在一定的电压和励磁电流下，发电机的有功功率P与功角多是函数关系。

（1）凸极发电机功角特性。

1）有功特性：

发电机输出的有功功率为：

P=Ed*U*Sinδ/Xd+U2*Sin2δ*（1/Xq–1/Xd）/2

2）无功特性：

发电机输出的无功功率为

Q=Ed*U*Cosδ/Xd+U2*Cos2δ*（1/Xq–1/Xd）/2-U2*（1/Xq+1/Xd）/2

（2）隐极发电机功角特性。

对于隐极发电机，取Xd=Xq。

发电机输出的有功功率为

P=Ed*U*Sinδ/Xd

Q=Ed*U*Cosδ/Xd+U2/Xd

式中第一项与Ed和δ有关，它表示由转子励磁经电磁感应传递到定子的无功功率，值随δ角的余弦而改变。

由于U*Cosδ=Ed–Id*Xd，则上式第一项可改写为Ed2/Xd–Ed*Id

第二项与Ed和δ无关，它代表发电机维持一定端电压U所需励磁的无功功率。

因为Ed=U*Costδ+Id*Xd，故Q=Ed*Id–I2d*Xd，即供给电网的无功功率等于主磁通转换的无功功率减去电枢绕组电感的无功损耗。

由此可见，增加发电机的励磁电流（即加大Ed），便可增大发电机的无功输出。

但当δ=90°

时，P为最大功率（即极限功率）。

功角特性是同步发电机的基本特性之一。

通过功角特性，可以确定稳态运行时发电机所能发出的最大电磁功率。

功角特性还是研究同步发电机并联运行时经常应用的重要特性。

二、系统频率稳定

电力系统频率稳定性可定义：

电力系统工作在初始频率下，受扰动作用，扰动消失后，经过足够长的时间，能以一定的精确度回到初始频率状态，则系统频率是稳定的，否则就是不稳定的。

电力系统的频率特性取决于负荷的频率特性和发电机的频率特性（负荷随频率的变化而变化的特性叫负荷的频率特性。

发电机组的出力随频率的变化而变化的特性叫发电机的频率特性）,它是由系统的有功负荷平衡决定的,且与网络结构（网络阻抗）关系不大。

在非振荡情况下,同一电力系统的稳态频率是相同的。

因此,系统频率可以集中调整控制。

频率变化是由有功负荷变化引起的。

电力系统频率主要和系统负荷有关。

大型机组的投切、大功率负荷的变化都可能会引起电力系统频率的变化；

发电量大于用电负荷时或有部分线路跳闸时，系统频率会升高，当负荷突增或发电机跳闸时，系统频率会下降。

由于系统频率特性的非线性，系统频率稳定性与扰动大小、扰动性质有关。

上述定义的稳定性称为静态频率稳定性，在扰动过程中，系统频率特性并未发生变化。

系统静态频率稳定性表明系统在某一运行点的频率稳定性。

若扰动足够大，使系统频率特性发生变化，系统能否在新的频率状态下稳定运行，称其为暂态频率稳定性。

大扰动是系统运行方式的变化，如改变系统并联运行的发电机台数，改变负荷状态等。

系统频率崩溃一般是暂态频率稳定性破坏后的一种现象。

它是指系统在大扰动作用下，系统频率不断上升或下降，直至不能允许的值。

系统频率稳定性破坏表现在频率值失去稳定，发电机仍能维持同步运行。

与功角稳定破坏不同，一般不会引起系统电压、电流和功率流动的急剧改变，是一个缓慢变化的动态过程。

电力系统频率稳定性是系统原动机发出的机械功率与系统负荷功率（包括电有功损耗功率）平衡的问题。

如不能平衡，则动力系统出现功率过剩，有可能出现频率稳定破坏的问题。

系统频率稳定性主要取决于原动机功率—频率特性的性质。

图为系统原动机的功率—频率特性，图中并绘出了负荷的功率—频率特性PL（f）进行对比。

可以看出，它具有强烈的非线性性质。

ab是工作段，也就是系统在正常运行情况下的工作范围，它具有非常陡的下降特性，其坡度由原动机调速器增益确定，PM（f）就是这一段工作特性的放大。

其覆盖频率范围仅为1-2Hz。

由于这一段特性是有差的，所以它不能保证系统正常运行时对频率的严格要求。

系统的频率准确度是靠“二次调节”保证的，频率的二次调节是通过改变调速器定值实现的；

实际上是平移PM（f）特性，从原理上看，这是一种积分校正，故可实现“无差”。

二次调节是一个慢速过程，对频率稳定性无直接影响。

ad段近似为圆弧形。

由于调节器的工作范围很窄，这一段特性调速器不起作用，相应于汽门（水门）开放到最大位置。

当频率偏差不大时，这一段特性可用直线ac表示。

在该段范围内，原动机的输出功率近似为常数，这一段频率范围为3—5Hz。

在特性上c点以外，如图中示出的cd段，由于原动机转速有较大的降低，所以机械功率不再保持常数，PM（f）出现上升的特性。

当系统运行于图中的ab段时，系统静态频率稳定性肯定是稳定的。

此时系统频率调节和发电机间功率分配是由原动机调速器控制。

以PL1（f）特性代表的负荷就工作在此范围。

当系统频率偏差较大时，工作点进入ac段。

调速器（一次及二次调节）已不能起调节作用，系统频率已不能保证准确度，但静态频率稳定性还是能保证的，为了调节频率，只有通过低频减载装置切除负荷。

图中的负荷PL2（f）就工作在该状态。

系统工作在PM（f）特性的ab和ac段是不会出现频率稳定破坏的问题。

但在c点以后，系统就会出现频率稳定破坏的后果。

如图中，系统负荷特性为PL4（f）时，显然将发生频率不稳定现象。

在此情况下，系统中一直出现功率缺额，系统频率将下降到相当低（图中f很低的情况未画出），出现频率崩溃现象。

即使系统负荷特性为PL3（f）时，PL与PM在cd段有交点，但交点相应的频率甚低，也属电压崩溃现象。

结论：

（1）系统频率稳定性与系统功角稳定性都是转子运动稳定性的基本要求。

只有同时满足频率稳定和功角稳定的要求时，同步机转子运动才能保证稳定。

（2）系统频率稳定问题主要是原动机功率—频率特性问题，因为它不能任意更改。

（3）系统频率稳定性能否保证，由系统原动机总功率输出能否与系统总负荷功率平衡来决定。

所以，要保证电力系统频率稳定性，首先要有足够的功率贮备，其次是有性能良好的按频减负荷装置。

（4）一般系统频率稳定破坏都是由其他原因导致解列所引起的。

电力系统频率调整的主要方法是调整发电功率和进行负荷管理。

按照调整范围和调节能力的不同，频率调整可分为一次调频、二次调频和三次调频。

一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时，发电机组通过调速系统的自动反应，调整有功出力以维持电力系统频率稳定，是最基本的调频措施。

。

一次调频的特点是响应速度快，但是只能做到有差控制。

一次调整是针对第一类负荷变化引起的频率变化所进行的调整，通过发电机组的调速器来实现，一次调整属于比例调节，其调节是有差的，所以一次调整只能减小负荷变化时频率的变化，但不能保持频率恒定。

二次调频也称为自动发电控制（AGC），是指发电机组提供足够的可调整容量及一定的调节速率，在允许的调节偏差下实时跟踪频率，以满足系统频率稳定的要求。

为了使并列运行的发电机组间有确定的有功功率分配关系，调速器均做成有差调节特性，所以单靠这一调整，通常不能满足要求，还需要由人工或自动调频装置改变某些发电厂（称为调频发电厂）中发电机调速器的特性（频率的二次调整），将频率调整到要求的范围内。

二次调频可以做到频率的无差调节，且能够对联络线功率进行监视和调整。

二次调整是针对第二类负荷变化（包括预测外的第三类负荷变化）引起的频率变化所进行的调整，由装在调频机组上的调频器来完成，二次调整可以实现无差调节。

三次调频就是协调各发电厂之间的负荷经济分配（有功负荷的最优分配），从而达到电网的经济、稳定运行。

其实质是完成在线经济调度，其目的是在满足电力系统频率稳定和系统安全的前提下合理利用能源和设备，以最低的发电成本或费用获得更多的、优质的电能。

三次调整是针对由生产、生活规律以及气象条件变化所引起的负荷变化所进行的调整，由于此类负荷变化可以预测，由生产调度人员根据预测的负荷曲线按照最优分配原则分配各发电厂的有功出力来实现。

电力系统频率调整也是电力市场的重要组成部分。

电力系统中的发电与用电设备，都是按照额定频率设计和制造的，只有在额定频率附近运行时，才能发挥最好的功能。

系统频率过大的变动，对用户和发电厂的运行都将产生不利的影响。

系统频率变化对用户的不利影响主要有三个方面：

①频率变化将引起异步电动机转速的变化，由这些电动机驱动的纺织、制纸等机械的产品质量将受到影响，甚至出现残、次品;

②系统频率降低将使电动机的转速和功率降低，导致传动机械的出力降低;

③工业和国防部门使用的测量、控制等电子设备将受系统频率的波动而影响其准确性和工作性能，频率过低时甚至无法工作。

电力系统频率降低时，将对发电厂和系统的安全运行带来影响，如：

①频率下降时，汽轮机叶片的振动变大，影响使用寿命，甚至产生裂纹而断裂。

②频率降低时，由异步电动机驱动的火电厂厂用机械（如风机、水泵及磨煤机等）的出力降低，导致发电机出力下降，使系统的频率进一步下降。

特别是频率下降到46～47Hz以下时，可能在几分钟内使火电厂的正常运行受到破坏，系统功率缺额更为严重，使频率更快下降，从而发生频率崩溃（见电力系统频率崩溃）现象。

③系统频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，所消耗的无功功率增大，结果引起电压下降。

当频率下降到45～46Hz时，各发电机及励磁机的转速均显著下降，致使各发电机的电动势下降，全系统的电压水平大为降低。

如果系统原来的电压水平偏低，还可能引起电压不断下降，出现电压崩溃（见电力系统电压崩溃）现象。

发生频率崩溃或电压崩溃，会使整个系统瓦解，造成大面积停电。

三、系统电压稳定

1、电压稳定性及其类型

电力系统的电压稳定性是电力系统维持负荷电压于某一规定的运行极限之内的能力，它与电力系统中的电源配置、网络结构及运行方式、负荷特性有关。

由于电力系统电压的扰动（短路、大容量电动机的启动、冲击负荷等）、线路阻抗突然增大（断开发电机或静电电容器）、无功电源减小（断开发电机或静电电容器）或母线负荷增大而诱发电压的不稳定现象，导致电压崩溃，使电网瓦解。

电压稳定问题分为：

静态电压失稳、动态电压失稳和暂态电压失稳。

静态电压失稳是指负荷的缓慢增加导致负荷端母线电压缓慢下降，在达到电力系统承受负荷增加能力的临界值时导致的电压失稳，在电压突然下降之前的整个过程中发电机转子角度及母线电压相角并未发生明显的变化。

动态电压失稳指系统发生故障后，为保证其功角暂态稳定及维持系统频率，除进行网络操作外，也可能进行切机、切负荷操作，由于系统结构变得脆弱或全系统由于支持负荷的能力变弱，缓慢的负荷恢复过程导致的电压失稳。

由于系统在失去电压稳定前已处于动态过程中，发电机及其控制装置、负荷的动态行为都会对动态电压失稳产生影响。

暂态电压稳定指电力系统发生故障或其它类型的大扰动后，伴随系统处理事故的过程中发电机之间的相对摇摆，某些负荷母线电压发生不可逆转的突然下降的失稳过程，而此时系统发电机间的相对摇摆可能并未超出电力系统角度失稳的程度。

2、系统和设备对电压稳定的影响

电压不稳定通常是在高度紧张的电力系统中发生的。

而扰动导致的电压崩溃可能是由不同原因引起的，根本问题是电力系统固有的脆性。

传输网络强度和功率传输水平、发电机无功功率、电压水平的限制、负荷的电压特性、无功补偿设备特性和电压控制设备的作用共同决定着系统电压稳定的水平。

⑴、输电线路对电压的影响

输电线既产生无功又消耗无功，其净无功值必须等于线路两端由系统吸收或发出的无功。

输电并联电容产生的无功相对是稳定的。

输电线串联电感消耗与电流平方成正比的无功，电流从重载到轻载变化很大，输电线无功消耗也随之有大的变化。

线路两端电压幅值差主要取决于所能传输的无功功率，电压稳定性主要与传输无功有关，特别是在系统紧急事故或崩溃期间，受端或负荷端电压下降时，线路所能传输的无功更重要。

但紧靠电源通过线路向系统提供的无功来维持电压是困难的：

①无功不能在输电线两侧有大的相角差情况下传输，具有显著的电压幅值梯度。

大的角度是由于长线路和传输大的有功功率引起的。

无功功率只能由电压高的一端流向电压低的一端，维持电压幅值在额定值±

5%左右的要求也限制了无功功率的传输。

和传输有功相比，远距离输送无功，在经济上是不合理的，在技术上也很困难。

②由于经济运行要求，希望有、无功损失最小，无功损失小是为了降低无功补偿设备的投资。

使无功传输最小，电压又必须维持在较高的水平。

③传输无功大小直接影响到系统“甩负荷”引起的瞬时过电压。

⑵、发电系统对电压稳定的影响

发电机自动调压器是电力系统电压控制的最重要方法，随着系统电压的变化，发电机运行工况也随之变化。

正常运行时，发电机维持机端电压恒定，系统电压低时，发电机的无功需求可能使励磁电流或电枢电流达到极限，这将急剧改变发电机特性，保护装置使发电机自动断开。

同时，当第一台发电机达到励磁限制时，它的端电压开始下降，机端电压下降对于恒定有功输出，其定子电流增加，进一步限制其无功输出，以保持定子电流在允许范围内，它的这部分无功负荷将转给其它发电机，随着越来越少的发电机具有自动调节励磁能力，系统就逐渐面临电压不稳定，这个过程将导致电压崩溃，也可能导致发电机失去同步。

发电机电流保护和系统后备保护，由于是为监测输电系统故障考虑的，它不与励磁系统控制相配合，当机端电压过低时也可能动作，这些继电器的误动，也可能导致电压崩溃。

⑶、负荷设备对电压稳定性的影响

在电力系统中对电压稳定关系较大的负荷设备有：

异步电动机、空调和热泵、放电照明设备、恒温器控制的负荷、手控负荷、电子设备、速度可调的传动设备、变压器电压调节器、自动带负荷调压变压器等。

这些负荷在正常运行时消耗较多无功，对电压要求的灵敏度较高，特别是在电压较低时及电压恢复过程中，对系统的无功消耗较多、对电压影响较大。

例如，异步电动机，当电压开始降低时，无功会减少，但电压进一步降低时，无功反而增加。

空调压缩器在系统故障期间转速下降相当慢，当故障消除后，为恢复其速度，使电网增加大的、低功率因数的“启动电流”。

如果电网较脆弱不能使所有空调同步加速，电压会降低。

因此电压不稳现象极易发生在气温较高或较低及负荷较重的情况下。

系统中的调压设备在系统电压不稳定期间，也可能产生恶化电压稳定性的影响。

在电压下降时，根据负荷的特性，负荷自系统取用的功率也相应减少，自动维持电压水平，使系统达到接近原来的运行点。

如果，系统中有自动带负荷调节分接头变压器，自动调整分接头档位，负荷侧电压恢复到整定值，使负荷功率得到恢复，这样使负荷电压进一步降低，在接近电压稳定极限时，使负荷侧电压升高的变压器分接头变化将使系统提前进入电压不稳定区域，使本来可以在较低电压下维持稳定运行的系统发生电压崩溃。

因此，电力系统的电压稳定问题，应是相当复杂的，远没有对系统同步运行（角度稳定）及频率稳定性问题的研究成熟，也没有很完善的解决电压稳定性问题的措施。

从定量分析的角度，目前尚无简单、实用的方法，如比对电压运行极限值及电压稳定运行的裕度计算，都还在进一步的研究之中。

在一个较为复杂的系统中，在某一静态、暂态或动态的调整过程中，系统设备、元件电压、无功的变化都可能对系统能否重新达到一种新的平衡状态起着重要作用。

近20年来,在发达国家中发生了多起电压崩溃事故,造成了巨大的损失,也引起了世界各国对电压稳定问题的广泛关注。

研究认为,电压崩溃日趋严重的主要原因有以下几点:

由于经济上及其它方面（如环保）的考虑,发、输电设备使用的强度日益接近其极限值;

并联电容无功补偿大量增加,因而当电压下降时,向电网提供的无功功率按电压平方下降。

线路或设备的投切,引起电压失稳的可能性往往比功角稳定研究中所考虑的三相短路情况要大得多,然而人们长期以来只注意功角稳定的研究。

近年来,我国电力事业发展迅速,电网内部也存在着引起电压崩溃的因素,而且可能更为突出（如电网网架簿弱,并联电容器增多等）,只是由于目前大多数有载调压器分接头未投入自动和电力部门过早地采用了甩负荷这一最后的措施,因而电压稳定问题似乎显得不那么突出。

随着电力市场化,人们对电能质量要求提高,甩负荷这一措施的使用将会受到限制。

它与发电机及其调节系统、负荷、无功补偿系统、有载变压器的抽头调节、直流输电等元件的动态特性有很大关系。

具体地说,发电机的无功限制,有载变压器抽头的离散调节及限制,并联电容器或电抗器的投切容量限制,输电线路开断等离散事件对电压稳定性有着重要影响,有些离散事件可能会引起系统发生电压失稳。

实际上,引起电力系统失稳的最根本原因是输电线路的大功率、远距离输电。

在电压稳定性中,值得特别关注的是电厂向负荷中心的功率传输。

在实际运行中,电压的失稳往往出现在试图运行在超过最大负荷功率的情况时,如由于负荷的增加或更可能是由于干扰之后比干扰前的最大负荷功率减小的情况。

为了更好地分析、理解电压失稳的机理,寻求更快的计算方法,可利用短期现象（如与同步发电机及其自动电压调节器（AVR）和调速器（GOV）、感应电动机、高压直流元件和静止无功补偿（SVC）等相关的现象）和长期现象（如与变压器分接头调节、发电机的励磁极限、定子电流极限、集成负荷的恢复特性等相关的现象）在时间上的可分性,将上述模型进一步简化。

3、电压稳定指标及电压崩溃预防措施的研究

关于电压崩溃电力系统中,人们把扰动、负荷增大或系统参数变更后造成大面积、大幅度电压持续下降,运行人员和自动控制系统也无法阻止这种电压衰减的情况称之为电压崩溃。

这种电压下降的持续时间可能只需几秒钟,也可能需要数十分钟,甚至更长。

电压崩溃是电压失稳的最明显的特征,它会导致系统瓦解。

调压措施：

§

8-4情境因素与消费者行为2004年3月20日A、发电机调压；

300元以下918%B、同步调相机调压；

（五）DIY手工艺品的“价格弹性化”C、利用变压器分接头调压；

（四）DIY手工艺品的“个性化”D、静电电容器调压；

E、静止无功补偿器（SVC）调压；

F、串联补偿调压；

G、切去部分负荷调压；

喜