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1、第六章 电力系统的暂态稳定性,第一节 电力系统的暂态稳定性概述,第二节 简单电力系统暂态稳定性分析,第三节 发电机转子运动方程的数值解法（简介）,第四节 自动调节系统对暂态稳定性的影响（简介）,第七节 提高电力系统暂态稳定性的措施,一、暂态稳定,定义：指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态过程后达到新的稳定运行状态或者恢复到原来的状态。若能，则系统在这个运行情况下是暂态稳定的，否则是暂态不稳定的。分析大干扰：常见的大干扰有：短路故障，突然断开线路或发电机等。,第一节 电力系统暂态稳定性概述,影响暂态稳定的因素：a）原运行方式 b)干扰方式：故障点、故障切除时间、故障类型同一
2、个系统在某个运行方式和某种干扰下是暂态稳定的，而在另一运行方式或干扰下是暂态不稳定的。因此分析一个系统的稳定性时必须首先确定系统的初始运行方式，其次确定受到的干扰方式。,暂态不稳定：受到大干扰后，各发电机转子间有相对运动，功角、功率、电流、电压都不断振荡。,二、暂态发展过程（按3种时间段分类）,1、起始阶段：故障后约1s内的时间段，在这期间系统的保护和自动装置有一系列的动作，如：故障切除和自动重合闸等。但发电机的调节系统尚未启动。2、中间阶段：在起始阶段后，大约持续5s左右的时间段，发电机调节系统将起作用。如：调速系统3、后期阶段：在故障后几分钟内，热力设备（如锅炉）中的过程将影响到电力系统的
3、暂态过程。此外，系统中由于频率和电压的下降，发生自动切除负荷切机等操作。,总之，时间考虑越长，各种设备的影响显著，描述系统的方程多。本章重点讨论暂态起始阶段。,三、暂态稳定分析的基本假定：（1）忽略发电机定子电流中非周期分量合理性：一方面由于定子非周期分量电流衰减时间常数很小，另一方面，所产生的转矩以同步频率作周期变化，其转矩近似为0，由于转子机械惯性较大，因而对转子整体相对运动影响很小。（2）不计零序和负序电流对转子运动的影响合理性：负序分量平均转矩近似为0；零序不产生转矩。以上两项假设目的：网络方程可以用代数方程（不计直流分量）只计及正序分量的电磁功率公式都可用。,三、暂态稳定分析的基本假
4、定：（3）忽略暂态过程中发电机的附加损耗（4）故障后网络中频率为50HZ不变，=0 合理性：发电机惯性的，转速偏离不大。假设目的：网络中电压电流仍可采用相量形式描述 可以不考虑频率变化对系统参数的影响。,四、近似计算中的简化（对主要元件作近似简化）原动机：不计调速器作用，认为输入机械功率不变。发电机：参数采用暂态电势,因为暂态电势 在短路前后一瞬间保持不变。在故障后考虑到励磁调节器的作用，近似认为暂态电势保持不变，与 数值上差别不大。所以也可认为它不变。（主要考虑计算方便）,负荷：负荷以恒定阻抗来代表,强调指出：暂态稳定是研究大干扰的过程，因此不能象研究静稳一样把状态方程线性化,第二节 简单系
5、统的暂态稳定性分析,大扰动后的物理过程分析 等面积定则 简单系统暂态稳定判据,简单电力系统如图所示，发电机以E做其等值电势。,一、大扰动后的物理过程分析,1.正常运行方式等值电抗：X=Xd+XT1+XL/2+XT2 功角方程：,电源电势节点到系统的直接电抗,2.故障情况下等值电抗：功角方程：,X:附加阻抗 三相短路：X0，则X两相短路：负序阻抗,3.故障切除后，相当于切除一回线路等值电抗：功角方程：,比较,画出不同状态下的功率特性曲线,故障发生后的过程为：,临界摇摆角：达到该点时转速必须达到同步速发电机才能稳定,概念：摇摆曲线：功角随时间变化曲线 最大摇摆角：,结论：1、若最大摇摆角不越过h点
6、，系统可经衰减的振荡后停止于稳定平衡点，系统保持暂态稳定，反之，系统不能保持暂态稳定。2、暂态稳定分析与初始运行方式、故障点条件、故障切除时间、故障后状态有关。3、.快速切除是保证暂态稳定的有效措施,暂态稳定分析理论方法：,二、等面积定则（EAC=Equal Area Criterian）,等面积定则是判断单机无穷大系统暂态稳定性的一种定量方法，计算简便，并具有明确的物理意义。,基本思路：将发电机功角特性曲线与原动机输出功率曲线之间所包围的面积与发电机转子所获得或释放的动能量联系起来，从而得到发电机转子角摇摆的最大值，并据此判断发电机的暂态稳定性。,故障中，机组输入的机械功率发电机输出的电磁功
7、率，发电机加速，以下证明：在加速过程中过剩转矩对相位角位移作的功等于转子在相对运动中动能的增加。,故障后转子的运动方程：,将上式两边积分得：,左侧转子在相对运动中动能的增量；,右侧过剩转矩对相对位移所做的功 图中abcd所包围的面积称为加速面积；,同理可推得故障切除后:,在减速过程中动能的减少等于制动转矩对相位角位移作的功。,右侧制动转矩对相对角位移所做的功,defg包围的面积（称为减速面积）,总结：,S+：表示过剩转矩所作的功，也代表在加速期间转子所储存的动能，即为图中abcd所包围的面积，称之为加速面积。S-：表示制动转矩所作的功，也代表在减速期间转子所消耗的动能，即为图中defg所包围的
8、面积，称之为减速面积。等面积定则：转子在减速过程中动能的减少正好等于加速过程中动能的增加,并可推得：上式称为等面积定则。根据等面积定则可确定最大摇摆角。,1）极限切除角cm,当最大可能的减速面积小于加速面积时，如果减小c，则可以使加速面积减小，同时减速面积增大，这就有可能使原来不能保持暂态稳定的系统变成能保持暂态稳定的系统。如果在某一切除角时，加速面积等于最大可能的减速面积时，则系统处于稳定的极限情况，大于这个角度切除故障，系统将失去稳定，这个角度成为极限切除角cm。,三、等面积定则的应用,当加速面积与允许的减速面积相等时，,2）极限切除角度的求取,注意：角度均用弧度表示，,式中 分别表示a点
9、和h点对应的转子角度。,由图可知：,3）暂态稳定判据,暂态稳定判据2：实际加速面积允许的减速面积，系统能保持暂态稳定，否则不能保持暂态稳定,暂态稳定判据3,简单系统中，不越过h时，系统稳定。当越过h时，系统不能保持暂态稳定。近似考虑当180，系统不能保持暂态稳定。,以上求得极限切除角并没有解决实际问题，实际需要知道的是，为保证系统稳定必须在短路后多长时间内切除故障，也就是要知道临界切除角对应的切除时间。这就需要求解转子运动方程，来找到转子角的运动曲线（-t曲线），确定临界切除角所对应的临界切除时间。,除了短路故障引起的扰动，等面积定则还可以用来分析其它扰动的稳定问题，如发电机（或线路）断路器因
10、故障断开，随后又重新合上的问题。（p210）或双回线路断开一回时系统能否稳定的问题。,一、计算目的：为继电保护和断路器提供极限切除时间。（计算极限切除角所对应的切除时间）根据保护的切除时间，判定系统的稳定性。由摇摆曲线判断发电机是否稳定。,第三节 发电机转子运动方程 的数值解法,初始条件：,对单机无穷大系统，发生故障后，故障期间的转子运动方程为：,求解析解十分困难，须通过数值方法求解。,转子运动方程的特点：（1）方程是非线性的（2）电磁功率不是连续的，存在突变,第一类问题：已知极限切除角，计算极限切除时间。,当应用数值计算方法得到-t曲线后，就可以由曲线找到与极限角对应的极限切除时间。此类问题
11、只需对故障期间的运动方程求解。,第二类问题：已知实际的故障切除时间，判断系统的稳定性。,与前一类问题不同的是，到故障切除时，由于参数的改变，使发电机电磁功率由PII变到PIII，因此此类问题需根据故障时和故障切除后分段计算。,初始条件：,1）在0tc时刻，求解故障时的转子运动方程：,2）在tc以后，即故障切除后，需求解故障后的转子运动方程：,初始条件：,对微分方程的求解有很多数值求解方法，目前电力系统暂态仿真程序中常使用的方法有：,第三类问题：求系统在某个干扰下的极限切除时间。必须反复设定切除时间，反复计算摇摆曲线。原因：多机系统中，极限切除角不容易求得。,二、转子运动方程的数值求解方法,显式
12、数值积分法：欧拉法、改进欧拉法、龙格库塔法。隐式积分法：隐式梯形法,三、复杂系统摇摆曲线,电力系统是否具有暂态稳定性，或者说，系统受到大扰动后各发电机之间能否继续保持同步运行，是根据各发电机转子之间相对角的变化特性来判断的。在相对角中，只要有一个相对角随时间的变化趋势是不断增大(或不断减小)时，系统就是不稳定的；如果所有的相对角经过振荡之后都能稳定在某一值，则系统是稳定的。,第四节 发电机组自动调节系统 对暂态稳定性的影响,、自动调节系统对暂态稳定性的影响,(一)自动调节励磁系统的作用,强行励磁：a强励倍数2.5 b强励倍数5.0,第四节 发电机组自动调节系统 对暂态稳定性的影响,(二)自动调
13、速系统的作用,在前面的讨论中，假设了原动机的机械功率在整个暂态过程中保持恒定。这种假设是因为调速系统的性能有一定的失灵区，而且，其中各个环节的时间常数也较大，以致往往在调速系统动作，改变原动机的机械功率时，系统的暂态稳定已被破坏,或者已从一种运行状态安全地过渡到了另一种运行状态。目前，由于调速系统的性能日益改善,失灵区日益缩小,其中各个环节的时间常数也日益减小，因此已经有可能借调速系统调节原动机的机械功率提高系统的暂态稳定性。,无汽门控制,加速面积：abcda,减速面积：defd,有汽门控制,加速面积：abcda,减速面积：deffd,第七节 提高电力系统暂态 稳定性的措施,大扰动后发电机机械
14、功率和电磁功率的差额(不平衡功率)是导致系统暂态稳定破坏的主要原因，因此提高暂态稳定性的措施，一般首先考虑的是减少扰动后不平衡功率的临时措施。,影响电力系统暂态稳定性的故障绝大多数是短路故障，而在短路期间，由于网络拓扑结构的变化，影响了发电机电磁功率的输送，因此，为加强系统暂态稳定性，一般要提高发电机输出的电磁功率，或(并)减少原动机的机械功率。,一、故障的快速切除和自动重合闸装置的应用1）快速切除故障：对于提高系统的暂态稳定性有决定性的作用。a）提高发电机稳定性 b）使电压迅速回升，提高负荷稳定性。c）切除时间=继电保护动作时间+断路器动作时间 最快 0.06s 0.02s 0.04s,原则
15、：减小不平衡功率，增大减速面积，减小加速面积,2）自动重合闸：对于提高系统的暂态稳定性有十分明显的作用。a）电力系统的故障特别是高压输电线路的故障大多数是短路故障，而这些短路故障大多数又是暂时性的。重合闸成功率在90%以上。b）提高供电可靠性。c）自动重合闸动作越快对稳定越有利，但是重合闸的时间受到短路处去游离时间的限制。,自动重合闸,例：单相重合闸的作用分析,超高压输电线路的短路故障大多数是临时的单相接地故障，因此常采用单相重合闸来提高系统稳定性。,A A B Cc,(1)正常运行,A A B Cc,(2)单相接地,a)三相重合闸,b)单相重合闸,二、提高发电机输出的电磁功率1)对发电机施行
16、强行励磁,发电机都具有强行励磁装置，以保证当系统发生故障而使发电机端电压下降较大时迅速而大幅度地增加励磁，从而提高发电机电动势，增加发电机输出的电磁功率。强行励磁对提高发电机并列运行和负荷的暂态稳定性都是有利的。,二、提高发电机输出的电磁功率2）电气制动,有电气制动,串联接入制动电阻并联接入制动电阻,3）变压器中性点经小电阻接地,4)输电线路设置开关站,5)输电线路采用强行串联电容补偿,近年来，一些国家已在应用可控串联补偿装置()，它由电容器与晶闸管控制的电抗器并联组成。调节晶闸管的导通角可以改变通过电抗器的电流，使补偿装置的基频等效电抗在一定的范围内连续变化，不仅可进行参数补偿，还可向系统提
17、供阻尼，抑制振荡，提高系统的静态稳定性和暂态稳定性。,采用强行串联电容补偿,部分或全部地抵消由于切除故障线路而增大的线路电抗，提高系统的暂态稳定性,三、减少原动机输出的机械功率 1）快速关气门,三、减少原动机输出的机械功率2）联锁切除部分发电机切机（图b）,如果系统备用容量足够，在切除故障线路的同时，连锁切除部分发电机，这是一种简单可行和有效的提高稳定的措施。切除一台发电机能大大增大可能的减速面积，提高系统的暂态稳定性,三、减少原动机输出的机械功率,3)合理选择远距离输电系统的运行接线,远方发电厂向系统中心输电常常采用多回路输电方式。但在运行中，从提高系统暂态稳定性的角度宜选用机组单元接线或扩
18、大单元接线方式向远方的负荷中心输电。,如果所有其他提高稳定的措施均不能保持系统的稳定，可以将系统分解成几个独立部分。,四、系统失去稳定后的措施,(一)设置解列点,四、系统失去稳定后的措施(二)短期异步运行及再同步的可能性1、系统失去稳定性的过程这里仅讨论一台机与系统失去同步的过程。发电机受扰动后若功角不断增大，其同步功率随着时间振荡，平均值几乎为零。而原动机机械功率的调整较慢因此发电机的过剩功率继续使发电机转子加速。但是这个过程不会持续下去，因为发电机的转速大于同步转速而处于异步运行状态时，发电机将发出异步功率。当平均异步功率与减少了的机械功率达到乎衡时，发电机即进入稳态的异步运行,同步发电机
19、在异步运行时发出异步功率的原理与异步发电机类似。即由于定子磁场在转于绕组和铁芯内产生感应电流，后者的磁场与定子磁场相互作用产生异步转矩，使发电机发出电磁功率即异步功率。,四、系统失去稳定后的措施,发电机由失步过渡到稳态异步运行的过程,2、异步运行存在的问题异步运行引起的振动和转子的过热均可能造成发电机本身的损伤。异步运行的发电机从系统吸收无功功率，如果系统无功储备不充分，势必降低系统的电压水平，甚至引起电压崩溃。异步运行时，系统有些地方电压极低（振荡中心），在这些地方将丧失大量负荷。系统异步运行时，电流。电压变化复杂，可引起保护装置的误动而使事故进一步扩大。,3、再同步的可能性如果：系统无功充
20、足。异步运行的发电机组能够相当的平均异步功率。机组和系统能承受短期的异步运行。那么：可以利用短时的异步状态将机组再拉入同步。,四、系统失去稳定后的措施,(三)做好系统“黑启动”方案,所谓“黑启动”，是在全电网停电的情况下对电网恢复供电。全网停电的事故虽然很少发生，但也不是绝对不会发生的，国内外都出现过全网停电的事故。在全网停电的情况下迅速恢复供电是当务之急。因此，必须事先准备好启动方案，一旦事件发生，就能按照负荷类型的重要程度先后以最快的速度迅速恢复全网供电，使系统因停电造成的损失最小。,四、系统失去稳定后的措施,多机系统暂态稳定计算方法,1、仿真计算方法2、EEAC3、能量函数法（）4、人工智能：神经网络，专家系统,本章小结,1、基本概念：,1）基本假设和近似计算中的简化，为什么？2）等面积定则（加速面积、减速面积）3）极限切除角，极限切除时间 4）摇摆曲线,1）等面积定则（简单系统）,2、：稳定判据,3、提高暂态稳定的措施,2）微分方程数值计算方法改进欧拉法（多机系统）,
