《物理电力系统稳定的基本概念.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理电力系统稳定的基本概念.pptx（92页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1电磁暂态分析电磁暂态分析旋转电机的转速保持不变旋转电机的转速保持不变假设假设暂态过程中的电流、电压的变化暂态过程中的电流、电压的变化机电暂态分析机电暂态分析重点重点研究研究转子机械运动规律转子机械运动规律电力系统的稳定性问题电力系统的稳定性问题重点重点第1页/共92页21.1.同步发电机的机电特性同步发电机的机电特性2.2.静态稳定的概念静态稳定的概念3.3.暂态稳定的概念暂态稳定的概念4.4.提高电力系统稳定性的措施提高电力系统稳定性的措施第2页/共92页3一、稳定的基本概念综述一、稳定的基本概念综述1.电力系统的稳定运行状态第3页/共92页42.电力系统暂态过程 当系统在运行中由于受到某
2、些突然扰动，出现电流、电压、功率等运行参数的剧烈变化和振荡的过程。第4页/共92页5稳定运行暂态过程失去稳定新的稳态运行干扰稳定不稳定第5页/共92页6在电力系统发生故障或操作后，将产生复杂的在电力系统发生故障或操作后，将产生复杂的电磁暂态过程电磁暂态过程和和机电暂态过机电暂态过程程，前者主要指各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过程，前者主要指各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过程，后者则指由于发动机和电动机电磁转矩的变化所引起电机转子机械运动的后者则指由于发动机和电动机电磁转矩的变化所引起电机转子机械运动的变化过程。变化过程。电磁暂态过程分析的主要目的在于分析和计算故障或
3、操作后可能出现的暂电磁暂态过程分析的主要目的在于分析和计算故障或操作后可能出现的暂态过电压和过电流，以便对电力设备进行合理设计，确定已有设备能否安态过电压和过电流，以便对电力设备进行合理设计，确定已有设备能否安全运行，并研究相应的限制和保护措施。全运行，并研究相应的限制和保护措施。由于各元件的动态相应有所不同，系统的各种暂态过程的性质也不相同。由于各元件的动态相应有所不同，系统的各种暂态过程的性质也不相同。第6页/共92页7机电暂态过程分析的主要目的：主要涉及系统的静态和暂态稳机电暂态过程分析的主要目的：主要涉及系统的静态和暂态稳定性等问题。定性等问题。要进行这些电磁和机电暂态过程分析，必须首
4、先研究元件的动要进行这些电磁和机电暂态过程分析，必须首先研究元件的动态特性，建立电力系统元件的数学模型。态特性，建立电力系统元件的数学模型。第7页/共92页8电磁暂态过程分析：所研究的暂态过程持续时间通常较短（持续时间毫秒电磁暂态过程分析：所研究的暂态过程持续时间通常较短（持续时间毫秒级以内的电压电流保护），在此情况下，一些动态响应比较缓慢的元件，级以内的电压电流保护），在此情况下，一些动态响应比较缓慢的元件，如原动机及调速系统等的影响往往可以忽略不计，而发动机定子回路和电如原动机及调速系统等的影响往往可以忽略不计，而发动机定子回路和电力网中的电磁暂态过程则需加以考虑。力网中的电磁暂态过程则需
5、加以考虑。电力系统稳定性分析：通常忽略发动机定子回路和电力网中的电磁暂态过电力系统稳定性分析：通常忽略发动机定子回路和电力网中的电磁暂态过程，而将线路和变压器等元件用它们的等值阻抗来描述。程，而将线路和变压器等元件用它们的等值阻抗来描述。第8页/共92页9功角不稳定与电压不稳定二者相互区别，又相互联系。功角失稳有可能引发电压失稳，反之亦然。3.电力系统稳定的分类功角稳定主要与有功功率的平衡相关，其主要标志是同步发电机组之间的同步运行状态是否被破坏。电压稳定主要与无功功率的平衡相关，其主要表现为系统的局部或全局是否发生电压的持续下降或上升。第9页/共92页10功角稳定分类功角稳定分类静态稳定静态
6、稳定 暂态稳定暂态稳定按电力系统承受扰动的大小，分为按电力系统承受扰动的大小，分为 第10页/共92页11扰动大小概念原因小干扰正常的负荷和参数的波动1 个别电动机的接入和切除；2 加负荷和减负荷；3 架空输电线因风吹摆动引起线间距离（影响线路电抗）的微小变化；4 发电机转速可能产生微小变化。大干扰系统结构变化，功率、电流和电压变化大1 负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等；2 突然增加或减小发电机出力，如切除一台容量较大的发电机；3 发生短路故障和断线故障，无故障断开线路也属于这一类干扰。第11页/共92页12n小干扰：对系统行为特性影响与干扰地点和大小无关。在运行点对特性曲线线性小干
7、扰：对系统行为特性影响与干扰地点和大小无关。在运行点对特性曲线线性化，判别系统静态稳定或不稳定。化，判别系统静态稳定或不稳定。研究方法研究方法n大干扰：结构变化对运行点有很大偏移，不能线性化大干扰：结构变化对运行点有很大偏移，不能线性化机电暂态过程，判别暂机电暂态过程，判别暂态稳定，用数值方法求解。态稳定，用数值方法求解。第12页/共92页13第13页/共92页149.1 9.1 同步发电机的机电特性同步发电机的机电特性 转子的运动特性转子的运动特性电磁功率的变化特性电磁功率的变化特性一、同步发电机的功角特性第14页/共92页15不考虑电阻及导纳发电机输出电磁功率：发电机输出电磁功率：系统总阻
8、抗：系统总阻抗：无限大容量母线隐极机第15页/共92页16发电机输出电磁功率：发电机输出电磁功率：第16页/共92页17 当不计励磁作用，发电机电势Eq和受端电压V均恒定时，传输功率Pe是角度的正弦函数。第17页/共92页18传输功率的大小与相位角传输功率的大小与相位角密切相关，称密切相关，称为为“功角功角”或或“功率角功率角”。传输功率与功角传输功率与功角的关系，称为的关系，称为“功角特性功角特性”或或“功功率特性率特性”。定义：定义：第18页/共92页19功角功角 为电势为电势与电压与电压之间的相位角。之间的相位角。第19页/共92页20功角功角除了表征系统的电磁关系之外，还表明了各发电机
9、转子之间的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位置。相对位置。功角相对空间的位置功角相对空间的位置P PT TP PE ENE Eq qV VNVE Eq qE Eq q第20页/共92页21发电机转子上作用着两种转矩：1 电磁转矩Me，它向系统输出，是制动性转距；2 机械转矩MT，它由原动机输入，是加速性转距。PTPew wN正常运行时，转矩平衡，转速恒定正常运行时，转矩平衡，转速恒定电磁转矩和机械转矩电磁转矩和机械转矩用对应的电磁功率和用对应的电磁功率和机械功率描述机械功率描述第21页/共92页22Eqw wNV送端系统送端系统送端系统送端系统 受端系统受端系统受端系
10、统受端系统 d d0P PT T=P Pe e=P P0 0 PTPew wN第22页/共92页23PTPeEqw wNVw wNd d d d0 0 0 0：P PT T P Pe e d d d d1 1 1 1：P PT1T1=P Pe e E Eq qV Vd d0 0w wN1d d1 1第23页/共92页24功角的物理意义功角的物理意义表示电势表示电势E Eq q和和V V之间的夹角，即表示系统的电磁关系。之间的夹角，即表示系统的电磁关系。表示了各发电机转子间的相对空间位置，又称为表示了各发电机转子间的相对空间位置，又称为“位位置角置角”。通过通过，可以把电力系统中的电磁量变化和转
11、子，可以把电力系统中的电磁量变化和转子机械运动联系起来。机械运动联系起来。第24页/共92页25转子运动方程转子运动方程由旋转物体的力学定律由旋转物体的力学定律原动机的机械转矩发电机的电磁转矩转动惯量kgms2机械角加速度rad/s2D DMa=MT-Me为不平衡转矩kgm第25页/共92页26发电机转子运动方程为发电机转子运动方程为 转子的转动惯量电磁转距转子的机械转距第26页/共92页27出现稳定问题的原因出现稳定问题的原因转子的转矩平衡被破坏转子的转矩平衡被破坏 正常运行时：正常运行时：Pe=Pt Pe=Pt 受到干扰时：受到干扰时：PePtPePt机械转矩机械转矩MtMt由发电厂动力部
12、分的运行状态决定由发电厂动力部分的运行状态决定电磁转矩电磁转矩MeMe由发电机及其相连的电力系统中的运行状态决定由发电机及其相连的电力系统中的运行状态决定第27页/共92页28电力系统稳定性概述及一个简单的机械比拟第28页/共92页299.2 9.2 静态稳定的概念静态稳定的概念 在小干扰作用下，系统运行状态将偏离原来的运行状态（即平衡点），若干扰不消失，系统具有能自动在偏离原来平衡点很小处建立新的平衡点；或当干扰消失后，系统具有能自动回复到原有的平衡点的能力，则称电力系统是静态稳定静态稳定的。电力系统的静态稳定问题实际上就是确定系统的某个运行稳态能否保持的问题。第29页/共92页30静态稳定
13、研究的是系统对微小干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系统在运行点处维持同步运行的能力。能力。小干扰：在这种干扰作用下，系小干扰：在这种干扰作用下，系统的状态变量的变化很小，因此统的状态变量的变化很小，因此状态方程可以线性化。状态方程可以线性化。分析方法：微分方程线性化分析方法：微分方程线性化通常可以采用在运行点处线性化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后的系统模型进行特征根分析来判别系统的静态稳定性。判别系统的静态稳定性。第30页/共92页31同步运行转矩平衡？第31页/共92页32第32页/
14、共92页33aa0Pe第33页/共92页34第34页/共92页35第35页/共92页36第36页/共92页37v分析a、b点的异同 相同点：Pa=Pb=PT 不同点：第37页/共92页38结论：结论：在在简单简单电力系统且发电机电力系统且发电机无励磁无励磁调节的情调节的情况下：况下：系统静态稳定 系统不稳定 临界状态第38页/共92页39 说明：上述结论仅适应于简单电力系统；功率极限和稳定极限是不同的两个概念，对于简单无励磁调节的电力系统，两者可视为相等；多机系统的静态稳定性是不能简单用功率判据给予判定的。第39页/共92页40 系统静态稳定储备系数系统静态稳定储备系数 正常运行方式下 15%
15、20%事故后的运行方式下10%正常运行功率稳定极限功率第40页/共92页419.3 9.3 暂态稳定的概念暂态稳定的概念 电力系统在正常工作的情况下，受到一个较大的扰动后，具有能从原来的运行状态过渡到新的运行状态，并能在新的状态下稳定地运行的能力。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41页/共92页42切除一回线路后切除一回线路后GT-1LT-2VP,QjXdjXT1jXT2jXLjXL第42页
16、/共92页43假定假定E Eq q保持不变保持不变00d d d d 增大增大 情况1第46页/共92页47过过c c点点d d d d=d d d dmaxmaxd d点：点：减速，减速，DwDwDwDw00d d 增大增大c c点：点：DwDwDwDw=0=0DwDwDwDw000PePIIPIDwDw第47页/共92页48过过c c点，点，DwDwDwDw0 0，减速，减速d d 减小减小d d点：点：减速减速DwDwDwDw000d d 增大增大稳定在c点：DwDwDwDw=0=0，P PT T=P Pe e0PePIIPIDwDw第48页/共92页49d d,DwDwd d ad d
17、 cd d maxd dDwDwt角度、角速度随时间变化图形：0PePIIPIDwDw第49页/共92页50第50页/共92页51当初始运行功率较高时当初始运行功率较高时 情况情况2 2过过e e点，点，w w00 增大增大 w w00，增大增大e e点点发电机间不再同步，系统失去了暂态稳定性发电机间不再同步，系统失去了暂态稳定性 0 0P Pe eP PIIIIP PI I第51页/共92页52结论：保持暂态稳定的条件就是转子在加速过程中所积累的动能在减速过程中能全部为系统所吸收。v转子在加速过程中所积累的动能 A+的面积第52页/共92页53v 在减速过程中系统所能吸收的能量 的面积当发电
18、机的转速偏离同步转速不大时第53页/共92页54第54页/共92页55第55页/共92页56 面积定则面积定则 (判别简单电力系统暂态稳定的基本准则)：加速面积 减速面积系统保持暂态稳定 系统不能保持暂态稳定 加速面积 减速面积第56页/共92页57说明：面积原则仅适用于简单电力系统；对于多机系统，面积原则不适用，通常用相对功角的变化趋势予以判定。第57页/共92页589.4 9.4 提高电力系统稳定性的措施提高电力系统稳定性的措施提高静态稳定性：提高静态稳定性：增加发电机的电势；减小系统各元件的电抗。提高暂态稳定性：提高暂态稳定性：减小暂态过程中作用在发电机转轴上的不平衡转矩以及不平衡转矩作
19、用的时间。第58页/共92页59提高系统的静态稳定性提高系统的静态稳定性电力系统静态稳定性的基本性质说明，发电机可能输送的功率极限越高，则静态稳定性越高。以单机对无穷大系统为例，减少发电机与系统之间的联系电抗就可以之间发电机的功率极限。从物理意义上讲，这就是加强发电机与无穷大系统的电气联系。联系紧密的系统显然是不容易失去静态稳定的。加强电气联系，即缩短“电气距离”，也就是减少各元件的阻抗，主要是电抗。第59页/共92页601 1、采用自动励磁调节装置、采用自动励磁调节装置 调节励磁可以维持发电机端电压为常数，这就相当于将发电机的电抗减小为零。因此，发电机装设先进的调节器就相当于缩短了发电机与系
20、统间的电气距离，从而提高了静态稳定性。第60页/共92页61第61页/共92页62 自动励磁调节装置的作用：提高系统的稳定极限功率；扩大稳定运行范围。自动励磁调节装置的任务:在发电机端电压降低时，自动增大励磁电流来提高发电机的激磁电势E，使发电机的端电压恢复正常。第62页/共92页632 2、减小元件的电抗、减小元件的电抗 发电机和系统之间的转移电抗总是由发电机、变压器和线路的电抗所组成，有实际意义的是减少线路电抗，具体做法有以下几种：1 采用分裂导线 2 提高线路额定电压等级 3 采用串联电容补偿3 3、提高系统的运行电压、提高系统的运行电压 在正常运行中提高电网的运行电压也可以提高功率极限
21、。为使电网具有较高的电压水平，必须在系统中设置足够的无功电源。第63页/共92页64第64页/共92页65提高电力系统暂态稳定性提高电力系统暂态稳定性 提高电力系统稳定性的基本原则：减小不平衡功率，增大减速面积，减小加速面积第65页/共92页66二、故障后二、故障后进行合理操进行合理操作作第66页/共92页67第67页/共92页68正常运行时故障时故障时第68页/共92页69 快速切除故障快速切除故障 v 故障切除后第69页/共92页70第70页/共92页71第71页/共92页72极限切除角极限切除角 能保证暂态稳定的最大切除角。即在保持加速面积 与最大可能的减速面积最大可能的减速面积 相等的
22、条件下求得的切除故障的角度。故障极限切除时间故障极限切除时间 第72页/共92页73v 要提高输送功率必须减小故障的持续时间。因此提高继电保护和断路器的动作时间可以将原来不稳定的系统变为稳定系统。第73页/共92页74 采用三相自动重合闸采用三相自动重合闸v 重合闸可以使减速面积增大，从而提高了系统的稳定性。第74页/共92页75 采用单相自动重合闸采用单相自动重合闸 v 减速面积比三相自动重合闸时增加。v采用单相自动重合闸的缺点：要求断路器能分相操作，还要有故障选相装置，增加了设备的复杂性，且重合闸的动作时间较长。第75页/共92页76 发电机的强行励磁发电机的强行励磁 发电机强行励磁装置在
23、系统故障后，发电机电压降低时动作，使发电机的励磁电流增大，减少发电机电势的衰减，甚至使电势升高，从而对提高电力系统的暂态稳定有很大的作用。第76页/共92页77第77页/共92页78三、降低作用在发电机轴上的不平衡转矩三、降低作用在发电机轴上的不平衡转矩（1）改善原动机的调节特性（2）电气制动第78页/共92页79 发电机的中性点经小电阻接地，当有零序电流通过时，也可消耗有功功率，提高系统在接地故障时的暂态稳定性。通常电阻值以4%4%左右为宜。第79页/共92页80四、调整线路参数四、调整线路参数 采用分裂导线线路串入电容降低P增大第80页/共92页81本章小结本章小结 一、系统的静态稳定性一
24、、系统的静态稳定性（1）定义（2）判定原则简单电力系统：复杂电力系统：小扰动法列写系统的状态方程，利用微分方程的特征方程判断稳定性 第81页/共92页82 二、系统的暂态稳定性二、系统的暂态稳定性（1）定义（2）判定原则简单电力系统：面积定则复杂电力系统：相对功角第82页/共92页83课程主要内容回顾第一章电力网、电力系统和动力系统的划分，电力网电压等级 电气设备的额定电压第二章负荷的定义负荷曲线的类型及各类负荷曲线的作用，负荷特性与模型，电力系统中的谐波 第83页/共92页84课程主要内容回顾第三章双绕组变压器的等值电路及参数计算，三绕组变压器的等值电路及参数计算，容量比架空线路的主要组成部
25、分及各部分的作用；架空线路各参数的物理意义以及影响线路参数大小的因素架空线路参数的计算公式；输电线路的一字型等值电路、型等值电路和T型等值电路开关电弧的产生和熄灭原理，断路器的类型和基本组成部分油断路器和六氟化硫断路器灭弧室的工作原理和特点，真空电弧的特征及真空灭弧室的结构特点和工作原理 电磁式电压互感器和电流互感器的工作特点、性能要求、误差来源和接线方式；提高互感器精度所采取的措施；电容式电压互感器的工作原理。第84页/共92页85第四章无备用和有备用电力网的接线方式及其优缺点；电气主接线的各种形式及其基本要求；有汇流母线的单母线、双母线等接线的特点、倒闸操作顺序和优缺点、改进措施以及应用范
26、围；无汇流母线的单元接线、桥形接线和角形接线的特点、应用范围；典型的发电厂主接线形式；中性点不同接地方式的特点及使用范围。第85页/共92页86第五章什么是潮流计算电压降落、电压损耗、电压偏移等基本概念；线路和变压器中的功率损耗和电压降落的计算公式及公式应用的注意点，开式网络的潮流计算方法；简单闭式网和电磁环网的潮流计算；电力系统的频率与有功功率，电力系统有功功率与频率之间的关系、有功功率平衡的必要性及备用容量的分类和类型、各类电厂的运行特点和合理组合负荷和发电机的功-频静特性；电力系统一次调频、二次调频的过程及特点 第86页/共92页87电力系统无功功率和电压之间的关系、无功功率平衡的必要性
27、、主要的无功电源及其特点；电压调整的原理和要求以及电压调整的必要性，各种无功补偿和调压措施的原理和特点；变压器分接头、并联电容器容量和调相机容量以及串联电容器容量的计算方法，网损率的概念；计算网损的基本方法；降低网损的技术措施；等耗量微增率原则的基本原理。第87页/共92页88第六章标幺值的定义、基准值的选择以及电力系统各元件标幺值的近似计算公式和运用；恒定电势源电路突然三相短路非周期分量与周期分量的分析；有限容量电源三相短路周期分量的变化；输入阻抗、转移阻抗、电流分布系数和计算电抗的物理概念以及计算曲线和三相短路电流的实用计算。第88页/共92页89第七章对称分量法及其在不对称短路计算中的应用；变压器的零序参数及其等值电路；各序网以及复合序网的制定方法。第八章简单不对称短路的分析方法；不对称短路时短路点各序电流、电压的计算方法以及正序等效定则；接地系数的概念及其应用；各序电流、电压在网络中的分布规律以及计算方法；各序电压和电流分量经变压器后的相位变换。第89页/共92页90第九章功角的时间概念：发电机励磁电势和端电压之间的相位差，空间概念：发电机转子的相对位置；同步发电机的转子运动特性；静态稳定、暂态稳定的基本概念及简单判据提高电力系统稳定性的措施。第90页/共92页91第91页/共92页92感谢您的观看！第92页/共92页