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1、第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-1 概述稳定问题的提出联网的必要性1.1831年法拉第发明电磁感应定律，电能成为二次能源，就地使用2.1885和1890年发明了单相变压器和三相变压器3.1891年出现了三相交流输电，远距离输电成为可能，出现了由发电机、线路和负荷构成的最简单的电力系统4.由于实际运行中发现受端系统在缺乏电源支持的情况下非常薄弱，逐渐出现了多电源点的互联运行，从而形成了早期的互联电网第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念联网的效益联网的效益多个地区联网形成大型互联电网后：多个地区联网形成大型互联电
2、网后：n有利于地区间电力的平衡和经济调度有利于地区间电力的平衡和经济调度n有利于安排机组的检修和事故备用容量有利于安排机组的检修和事故备用容量n有利于充分利用系统中廉价的水利资源有利于充分利用系统中廉价的水利资源n有利于实现负荷点的多路供电以提高供电可靠性有利于实现负荷点的多路供电以提高供电可靠性n有利于提高系统的抗冲击能力有利于提高系统的抗冲击能力n有利于提高系统的供电质量有利于提高系统的供电质量由于互联系统在经济上的明显优点，电力系统互联的规模越来越由于互联系统在经济上的明显优点，电力系统互联的规模越来越大，世界上最大的西欧联合电力系统总装机容量已超过大，世界上最大的西欧联合电力系统总装机
3、容量已超过2亿亿KW。15-1 概述稳定问题的提出（续）第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念我国电力系统发展历史我国电力系统发展历史1880年年7月，上海，第一台月，上海，第一台12KW机组机组1949年，发电量年，发电量43亿亿KWh，装机容量装机容量1848.6KW1999年，发电量年，发电量12331.4亿亿KWh，装机容量装机容量2.98亿亿KW装机容量：装机容量：96年超过年超过1亿，亿，95年超过年超过2亿，亿，96年开始排世界第二，年开始排世界第二，2000年年4月超过月超过3亿亿 2004年年4月装机容量达月装机容量达4亿千瓦亿千瓦 202
4、0年计划达到装机容量年计划达到装机容量9亿亿KW发电量：发电量：99年比年比98年增加年增加6.52%,目前也是世界第二位目前也是世界第二位目前最大的火电厂：邹县电厂，目前最大的火电厂：邹县电厂，240万万KW目前最大的水电厂：二滩电厂，目前最大的水电厂：二滩电厂，330万万KW 三峡电厂，装机容量三峡电厂，装机容量1820万万KW，将是世界最大将是世界最大目前全国电网覆盖率：目前全国电网覆盖率：96.4%7个大区电网，华东网个大区电网，华东网5198万万KW 5个独立省网，广东省网个独立省网，广东省网3033万万KW15-1 概述稳定问题的提出（续）第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本
5、概念电力系统运行稳定性的基本概念我国电力系统发展历史（电压水平）15-1 概述稳定问题的提出（续）194019501960197019801990200035-110KV220KV330KV500KVHVDC?KV1953年松常线369KM1972年刘汉线534KM1981年平武线595KM1989年葛上线1064KM第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念电力系统稳定问题的提出电力系统稳定问题的提出n电网互联技术可以合理利用能源资源，具有显著的经济效益，因而电网互联技术可以合理利用能源资源，具有显著的经济效益，因而得到了十分迅速的发展，但它同时也带来了一些新
6、的问题。得到了十分迅速的发展，但它同时也带来了一些新的问题。n随着电力网络互联程度的不但提高，系统越来越庞大，运行方式越随着电力网络互联程度的不但提高，系统越来越庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使电网的安来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使电网的安全稳定问题越来越突出。全稳定问题越来越突出。n在现代大电网中，各区域、各部分互相联系、密切相关、在运行过在现代大电网中，各区域、各部分互相联系、密切相关、在运行过程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全措施，一个程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全措施，一个局部的小扰动或异常运行也可能
7、引起全系统的连锁反应，甚至造成局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大面积的系统瓦解。大面积的系统瓦解。15-1 概述稳定问题的提出（续）第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念电力系统稳定研究的内容电力系统稳定研究的内容基本问题基本问题早期稳定研究的内容早期稳定研究的内容1.1.联网后发电机组是否仍能按如下额定功率顺利地送出功率，如果不能，应该如何确联网后发电机组是否仍能按如下额定功率顺利地送出功率，如果不能，应该如何确定发电机的最大允许输出功率定发电机的最大允许输出功率?2.2.线路可以传送的功率是否仍然只受经济电流密度和最大允许电流线
8、路可以传送的功率是否仍然只受经济电流密度和最大允许电流(热稳定极限热稳定极限)限制，限制，如果不是，应该如何确定线路允许的最大传送功率如果不是，应该如何确定线路允许的最大传送功率?3.3.线路出现短路或跳闸等事故时系统能否仍然正常运行，如果不能，应该引入什么样线路出现短路或跳闸等事故时系统能否仍然正常运行，如果不能，应该引入什么样的保护装置和或稳定控制装置的保护装置和或稳定控制装置?15-1 概述研究内容第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念电力系统稳定研究的内容电力系统稳定研究的内容随着电网互联规模的增大，不断出现大量随着电网互联规模的增大，不断出现大量新
9、的稳定问题新的稳定问题：l如何在网络结构比较薄弱的情况下防止由于某一设备或线路的故障产生如何在网络结构比较薄弱的情况下防止由于某一设备或线路的故障产生连锁反应，导致全系统的稳定事故；连锁反应，导致全系统的稳定事故；l如何防止长距离重负荷的联络线引起的低频振荡现象；如何防止长距离重负荷的联络线引起的低频振荡现象；l如何防止由于大型互联系统频率维持能力逐渐减弱且可能的有功冲击加如何防止由于大型互联系统频率维持能力逐渐减弱且可能的有功冲击加大可能引起的频率稳定问题；大可能引起的频率稳定问题；l如何防止带负荷调压变压器和无功功率缺额可能引起的电压稳定问题。如何防止带负荷调压变压器和无功功率缺额可能引起
10、的电压稳定问题。对电力系统稳定问题的研究发展至今，已形成为一个研究内容日对电力系统稳定问题的研究发展至今，已形成为一个研究内容日新月异、研究方法多种多样、应用领域十分广阔的综合性研究领新月异、研究方法多种多样、应用领域十分广阔的综合性研究领域域15-1 概述研究内容第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-2 功角的概念发动机输出电磁功率：第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-2 功角的概念传输功率的大小与相位角密切相关，称为“功角”或“功率角”。传输功率与功角的关系，称为“功角特性”或“功率特性”。定义：功角除了
11、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位置。第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-3 电力系统稳定的基本概念系统运行的稳定性与供电可靠性系统运行的稳定性与供电可靠性电力系统运行的根本目的是对负荷提供可靠的供电能力。电力系统运行的根本目的是对负荷提供可靠的供电能力。供电可靠性一方面体现在供电可靠性一方面体现在不间断供电不间断供电上，另一方面则体现在对上，另一方面则体现在对供电质量供电质量的保的保证上。证上。理想情况下，电力系统在任何时候都必须以恒定的电压和频率向负荷供电，理想情况下，电力系统在任何时候都必须以恒定的电压和频率向负荷供电，实
12、际系统中则是要求电压和频率必须维持在很小的偏差内实际系统中则是要求电压和频率必须维持在很小的偏差内。提供不间断的、高质量的供电能力是电力系统运行的首要任务提供不间断的、高质量的供电能力是电力系统运行的首要任务 广义的电力系统稳定性广义的电力系统稳定性实际上指的就是电力系统的供电可靠性实际上指的就是电力系统的供电可靠性如果系统能够满足对负荷的不间断的、高质量的供电要求，系统就是稳如果系统能够满足对负荷的不间断的、高质量的供电要求，系统就是稳定的，否则系统就是不稳定的。定的，否则系统就是不稳定的。第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-3 电力系统稳定的基本
13、概念系统运行的稳定性与供电可靠性系统运行的稳定性与供电可靠性电力系统中的各同步发电机只有在同步运行电力系统中的各同步发电机只有在同步运行(即所有发电机以相同的速度旋转且转子即所有发电机以相同的速度旋转且转子相对角差较小相对角差较小)状态下，送出的电功率为定值，并维持系统中任何点的电压、频率和状态下，送出的电功率为定值，并维持系统中任何点的电压、频率和功率潮流为定值。功率潮流为定值。如如果果某某些些发发电电机机之之间间不不能能维维持持同同步步运运行行，其其送送出出的的电电功功率率以以及及相相应应节节点点的的电电压压及及相相应应线线路路的的潮潮流流将将发发生生大大幅幅度度的的周周期期性性振振荡荡，
14、如如果果失失去去同同步步的的机机组组之之间间不不能能迅迅速速恢恢复复同同步步，系统的供电质量就无法继续保证，即电力系统失去了稳定运行的状态。系统的供电质量就无法继续保证，即电力系统失去了稳定运行的状态。这这种种由由于于机机组组失失去去同同步步造造成成的的稳稳定定问问题题实实际际上上是是电电力力系系统统的的功功角角稳稳定定问问题题，可可以以进进一一步步根根据据失失稳稳的的原原因因和和发发展展过过程程细细分分为为静静态态稳稳定定问问题题、动动态态稳稳定定问问题题和和暂暂态态稳稳定定问问题题。通常所说的电力系统稳定性实际上专指系统的功角稳定这一类问题。通常所说的电力系统稳定性实际上专指系统的功角稳定
15、这一类问题。第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-3 电力系统稳定的基本概念系统运行的稳定性与供电可靠性系统运行的稳定性与供电可靠性如如果果系系统统的的有有功功或或无无功功供供给给能能力力或或维维持持能能力力不不足足，也也可可能能出出现现全全系系统统的的发发电电机机组组仍仍然然维维持持同同步步运运行行，但但系系统统频频率率或或局局部部系系统统的的电电压压无无法法维维持持在在允允许许的的范范围内的情况围内的情况此此时时系系统统从从功功角角意意义义上上仍仍然然是是稳稳定定的的，但但从从可可靠靠供供电电的的角角度度而而言言，系系统统已已失失去了稳定去了稳定即
16、出现了系统的即出现了系统的频率稳定频率稳定或或电压稳定电压稳定问题。问题。相相对对于于功功角角稳稳定定性性而而言言，频频率率稳稳定定或或电电压压稳稳定定具具有有显显著著不不同同的的机机理理和和特特点点，并需要采用不同的分析方法。并需要采用不同的分析方法。第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-3 电力系统稳定的基本概念电力系统的功角稳定功角稳定功角稳定指系统中各发电机之间的相对功角失去稳定性的现象。正常情况下，系统中各发电机以相同速度旋转，机间相对转子角度维持恒定，即处于同步运行状态，从而保证系统中任何节点的电压幅值和频率以及任何线路的传输功率为恒定值。
17、如果系统在运行过程中受到某种干扰，干扰的影响将通过互联的电力网络传到各发电机节点，并使发电机的输出电功率相应发生改变，结果是使得在扰动瞬间各发电机的机械输输入入转矩和输输出出的电磁转矩失去平衡，出现发电机转子不同程度的加速或减速，并导致各发电机之间转子相对角的变化。如这种转子角度的变化过程是随随时时间间衰衰减减的，并能最终恢复到扰动出现前的正常值或达到一个新的稳态值，则认为在这种运行方式和扰动形式下系统是功角稳定的。如果这种转子角度的变化随随时时间间而而加加剧剧，并最终导致发电机间失去同步，则认为系统在该运行方式下对这种扰动形式是功角不稳定的。第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力
18、系统运行稳定性的基本概念15-3 电力系统稳定的基本概念电力系统的功角稳定静态稳定(Steady Stability)电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。静态稳定研究的是电力系统在某一运行方式下受静态稳定研究的是电力系统在某一运行方式下受到到微小干扰时的稳定性问题微小干扰时的稳定性问题。假设在电力系统中。假设在电力系统中有一个瞬时性小干扰，如果在扰动消失后系统能有一个瞬时性小干扰，如果在扰动消失后系统能够恢复到原始的运行状态，则系统在该运行方式够恢复到原始的运行状态，则系统在该运行方式下是静态稳定的，否则系统是静态不稳定的。下是静态稳定
19、的，否则系统是静态不稳定的。静态稳定研究的是系统对微小干扰的适应能力，静态稳定研究的是系统对微小干扰的适应能力，或者说考虑的是系统在运行点处维持同步运行的或者说考虑的是系统在运行点处维持同步运行的能力，系统是否能够维持静态稳定主要与系统在能力，系统是否能够维持静态稳定主要与系统在扰动发生前的运行方式有关，与小干扰的大小及扰动发生前的运行方式有关，与小干扰的大小及具体发生地点无关。具体发生地点无关。通常可以采用在运行点处线性化后的系统模型进通常可以采用在运行点处线性化后的系统模型进行特征根分析来判别系统的静态稳定性。行特征根分析来判别系统的静态稳定性。第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概
20、念电力系统运行稳定性的基本概念15-3 电力系统稳定的基本概念电力系统的功角稳定暂态稳定(Transient Stability)电力系统暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。如果电力系统在某一运行方式下受到某种形式的大大扰扰动动，经过一个机电暂态过程后能够恢复到原始的稳态运行方式或过渡到一个新的稳态运行方式，则认为系统在这种情况下是暂态稳定的。暂态稳定性不仅与系统在扰动前的运行方式有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间有关。一般采用的是对全系统非线性状态方程的数值积分法进行对系统动态过程的时域仿真，通
21、过对计算得到的系统运行参数(如转子角)的动态过程的分析判别系统的暂态稳定性。第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-3 电力系统稳定的基本概念电力系统的功角稳定动态稳定(Dynamic Stability)电力系统动态稳定是指电力系统受到干扰后，不发生振幅不断增长的振荡而失步的能力。扰动后系统在第一或第二振荡周期内不失步(即保持了暂态稳定性)，但可能由于自动调节装置的配置不合适或其他因素，后续的振荡周期幅值不断增大并造成失步。动态稳定问题实际上是指系统在受到小的或大的扰动后，在自动调节装置和自动控制装置的影响下，保持长过程运行稳定性的能力。对小扰动下的动
22、态稳定，可以和对静态稳定问题一样采用线性化的方法进行特征值分析，对大扰动下的动态稳定则通常是采用与暂态稳定分析一样的非线性模型进行数值仿真分析。第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-3 电力系统稳定的基本概念电力系统的电压稳定 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(如不低于额定电压的70%)之内的能力，它与系统的电源配置、网络结构、运行方式及负荷特性等因素有关，带自动负荷调节分接头的变压器也对系统的电压稳定性有十分显著的影响。电力系统的频率稳定 电力系统的频率稳定性是指电力系统维持系统频率于某一规定的运行极限(一般是0.2Hz)之内的能力，它主要受系统中可能出现的最大有功功率缺额和系统频率调节能力的影响。第十五章第十五章 电力系统运行稳定性的基本概念电力系统运行稳定性的基本概念15-3 电力系统稳定的基本概念电力系统稳定的各种分类方法静态稳定暂态稳定（动态稳定）小干扰稳定大干扰稳定短期稳定中期稳定长期稳定功角稳定（同步稳定）频率稳定电压稳定电源稳定负载稳定其他分类