電力系統(tǒng)基礎(chǔ)ppt課件

1、第9章 電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的基本概念,內(nèi)容提要：簡(jiǎn)述電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的含義和分類；介紹靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定及電壓穩(wěn)定的基本概念；導(dǎo)出同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程；電力系統(tǒng)的電磁功率特性；重點(diǎn)：功角、靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定及電壓穩(wěn)定的基本概念；同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程；電力系統(tǒng)的電磁功率特性；難點(diǎn)：簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電磁功率特性；,1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念,同步運(yùn)行狀態(tài)：指系統(tǒng)中所有并聯(lián)運(yùn)行的同步電機(jī)都有相同的電角速度。

2、此時(shí)，表征系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)接近不變，稱系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定性：指電力系統(tǒng)在運(yùn)行中受到微小的或大的擾動(dòng)之后能否繼續(xù)保持系統(tǒng)中的同步電機(jī)（主要是同步發(fā)電機(jī)）間同步運(yùn)行。同步運(yùn)行穩(wěn)定性的判據(jù)：根據(jù)受擾后系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位移角的變化規(guī)律來(lái)判斷。因此又稱功角穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)：長(zhǎng)大干線在傳輸大量功率時(shí)，受端系統(tǒng)的電壓會(huì)下降，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的電壓持續(xù)下降，或電壓長(zhǎng)期滯留在安全運(yùn)

3、行所不能容忍的低水平上而不能恢復(fù)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，會(huì)造成大量用戶供電中斷，甚至整個(gè)系統(tǒng)瓦解，后果非常嚴(yán)重。（如美國(guó)的8.14大停電）,2 功角的基本概念,,Eq,,,,,,,,,,,,,V,,I,jXd,jXT1,jXL,jXL,jXT2,圖示簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)：,根據(jù)相量圖：,發(fā)電機(jī)輸出有功功率：,得：,可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電勢(shì) 和受端電壓 一定時(shí)，傳輸功率 是角度 的正弦函數(shù)，角

4、度 是電勢(shì) 和電壓 的夾角，因與功率有密切的關(guān)系，又稱為“功角”或“功率角”。傳輸功率與功角的關(guān)系 ，稱為“功角特性”或“功率特性”。,,,功角 是電勢(shì) 和電壓 的相位差，它除了表征系統(tǒng)的電磁關(guān)系之外，還表示各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)空間位置。而各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，恰好是判斷各發(fā)電機(jī)之間是否同步運(yùn)行的依據(jù)。,,3 靜態(tài)穩(wěn)

5、定的基本概念,a點(diǎn)：a 電磁功率增大（擾動(dòng)） 機(jī)組減速,,,,,,,,機(jī)組加速,,,以a為中心，來(lái)回振蕩,,穩(wěn)定在a點(diǎn),結(jié)論：a為穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。,b點(diǎn)：,,電磁功率增大（擾動(dòng)）,,,機(jī)組加速,,直到失去同步,,電磁功率減?。〝_動(dòng)）,,,機(jī)組減速,,結(jié)論：b為非穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。,正常運(yùn)行時(shí)：發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率和輸出電磁功率達(dá)到平衡。,電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的基本概念：是指電力系統(tǒng)在運(yùn)行中受到微小擾動(dòng)后，獨(dú)立

6、的恢復(fù)到它原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)的能力。簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)：電磁功率增量和功角增量總具有相同的符號(hào)。,寫(xiě)成極限形式：,4 暫態(tài)穩(wěn)定的基本概念：分析雙回線突然切除一條輸電線的情況。,,,,,,,,,,,,Eq,,,,,,,,,,,,,V,,I,jXd,jXT1,jXL,jXL,jXT2,,,正常運(yùn)行時(shí)：,切除一回線時(shí)：,由于,所以,,,,,,,,,第一種可能：,,,,在 點(diǎn)，,,,以 點(diǎn)為中心振蕩,結(jié)論：從a點(diǎn)經(jīng)過(guò)

7、振蕩，最后穩(wěn)定在c點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。,第二種可能：,,,,越過(guò) 點(diǎn),,,結(jié)論：從a點(diǎn)開(kāi)始振蕩，幅值逐漸增大，直至失去同步。,繼續(xù)加速，直至失去同步,暫態(tài)穩(wěn)定的基本概念：電力系統(tǒng)具有暫態(tài)穩(wěn)定性，是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)受到一個(gè)大擾動(dòng)后，能從原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)（平衡點(diǎn)），不失同步的過(guò)渡到一個(gè)新的運(yùn)行狀態(tài)，并在新的運(yùn)行狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行（或者是經(jīng)過(guò)多個(gè)大擾動(dòng)后又回到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)）。暫態(tài)穩(wěn)定的判定：根據(jù)電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況

8、，即功角的變化情況來(lái)判斷。如果功角經(jīng)過(guò)振蕩后能穩(wěn)定在某一個(gè)數(shù)值，表明發(fā)電機(jī)組之間恢復(fù)同步運(yùn)行，系統(tǒng)具有暫態(tài)穩(wěn)定性；如果電力系統(tǒng)在大擾動(dòng)后，功角不斷增大，表明發(fā)電機(jī)組之間已失去同步，系統(tǒng)失去了暫態(tài)穩(wěn)定性。,5 電壓穩(wěn)定的基本概念,“電壓崩潰”現(xiàn)象：長(zhǎng)大輸電線的末端電壓會(huì)隨著負(fù)荷功率的增大而緩慢下降，當(dāng)負(fù)荷功率達(dá)到一定的極限時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓將發(fā)生不可控制的急劇下降。電壓失穩(wěn)與負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)，電壓失穩(wěn)是負(fù)荷失穩(wěn)的一種外在表

9、現(xiàn)。在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，電壓失穩(wěn)通常發(fā)生在系統(tǒng)遭受大擾動(dòng)、發(fā)電機(jī)保持了暫態(tài)穩(wěn)定性的故障后的運(yùn)行狀態(tài)下。1978、12，法國(guó)電網(wǎng)電壓崩潰1987、7，日本東京電網(wǎng)電壓崩潰,,,,單端供電網(wǎng)絡(luò)受端有功功率和電壓的關(guān)系：,,,穩(wěn)定,不穩(wěn),在右半段，隨著電壓的降低，負(fù)荷從電力系統(tǒng)吸收的有功功率增加，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。而在左半段，隨著電壓的下降，負(fù)荷得到的功率減少，導(dǎo)致電壓繼續(xù)下降，直至電壓崩潰。可見(jiàn)，右半段為“電壓穩(wěn)定區(qū)”，左半段為

10、“電壓不穩(wěn)定區(qū)”負(fù)荷節(jié)點(diǎn)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的判據(jù)：P和V的變化符號(hào)相反，即：,6 頻率穩(wěn)定的基本概念,電力系統(tǒng)的頻率是由系統(tǒng)的有功平衡決定的。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，或解列后的局部系統(tǒng)有功功率發(fā)生較大的缺額，頻率就會(huì)大幅度的下降。如不采取措施，就會(huì)發(fā)生頻率崩潰；當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)的出力和負(fù)荷都會(huì)發(fā)生變化，這就是頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，用電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)來(lái)表示。電力系統(tǒng)或被解列后的局部系統(tǒng)出現(xiàn)較大有功功率缺額時(shí)頻率大幅度

11、下降，影響汽輪發(fā)電機(jī)組出力下降或跳閘，造成頻率進(jìn)一步下降，系統(tǒng)有功功率進(jìn)一步減少的惡性循環(huán)，使電力系統(tǒng)或局部系統(tǒng)大停電。這種現(xiàn)象稱之為頻率崩潰，它是電力系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障，因?yàn)樗拐麄€(gè)系統(tǒng)或解列的局部系統(tǒng)瓦解，失去全部負(fù)荷。,7 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程,其中： 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 為角加速度， 為原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩， 為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。,寫(xiě)成標(biāo)么制的轉(zhuǎn)子狀態(tài)方程為：,其中： 為功角， 為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速

12、， 為慣性時(shí)間常數(shù)，,慣性時(shí)間常數(shù)的物理意義：當(dāng)發(fā)電機(jī)空載時(shí)。如原動(dòng)機(jī)將一個(gè)數(shù)值等于額定轉(zhuǎn)矩的恒定轉(zhuǎn)矩加到轉(zhuǎn)子上，則轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，就是發(fā)電機(jī)的額定慣性時(shí)間常數(shù)。從一般的計(jì)算手冊(cè)得：,其中： 的單位為s（秒）， 為反映發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量和尺寸的量，單位為 ，n為轉(zhuǎn)速（r/min）， 為發(fā)電機(jī)額定容量（KVA）。,在多機(jī)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算中，確定系

13、統(tǒng)統(tǒng)一的基準(zhǔn)功率后，還必須將各發(fā)電機(jī)的額定慣性時(shí)間常數(shù)歸算到統(tǒng)一基準(zhǔn)值的標(biāo)么值：,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程是電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析計(jì)算中最基本的方程。在多機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)第i臺(tái)發(fā)電機(jī)有：,最為復(fù)雜，它不僅與本機(jī)有關(guān)，還與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和其他發(fā)電機(jī)有關(guān)。,V,Eq,jXd,jXT1,jXL,jXL,jXT2,I,8 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的功率特性,8－1 隱極式發(fā)電機(jī)的功率特性對(duì)以下單機(jī)－無(wú)窮大系統(tǒng)：,,,,,,,,,,,,,,,得發(fā)電機(jī)電勢(shì)點(diǎn)

14、 的有功功率和無(wú)功功率為：,根據(jù),發(fā)電機(jī)輸送到系統(tǒng)的功率為：,當(dāng)電勢(shì) 和電壓V恒定時(shí)，單擊無(wú)窮大系統(tǒng)的功率特性曲線見(jiàn)下圖。,,,,,,,,當(dāng)發(fā)電機(jī)無(wú)勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)，電勢(shì) 為常數(shù)。此時(shí)極限功率為,對(duì)應(yīng)的功角為90。一般情況下，可按 的條件來(lái)確定功率極限值以及對(duì)應(yīng)的功角。,8－2 凸極發(fā)電機(jī)的功率特性,特點(diǎn)：凸極發(fā)電機(jī)的縱軸和橫軸不對(duì)稱，,采用等值隱極機(jī)法，用計(jì)算電勢(shì) 和

15、 表示凸極發(fā)電機(jī)的等值電路，可得含凸極發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的功率方程：,若給定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可由 和 ，計(jì)算 和 ：,經(jīng)推導(dǎo)，用 表示的功率特性為：,特點(diǎn)：與隱極發(fā)電機(jī)相比，多了一項(xiàng)與發(fā)電機(jī)電勢(shì) ，即勵(lì)磁無(wú)關(guān)的兩倍功角的項(xiàng)，該項(xiàng)是由于發(fā)電機(jī)縱、橫軸磁阻不同所引起的，稱為磁阻功率。磁阻功率的出現(xiàn)，使功率與功角成非正弦關(guān)系。由

16、 即可求出極限功角以及與之對(duì)應(yīng)的功率極限 。,例9－1 試求單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的功角特性。（1）隱極機(jī)，（2）凸極機(jī)，,解： （1）,（2）,9 復(fù)雜多機(jī)電力系統(tǒng)的功角特性：任意一臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率特性的通式：,其中， 和 為相應(yīng)阻抗角的余角，即：,式中，輸入阻抗 是節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣自導(dǎo)納 的倒數(shù)，轉(zhuǎn)移阻抗 是節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣互導(dǎo)納 的負(fù)倒數(shù)。,復(fù)雜多機(jī)電力系統(tǒng)

17、發(fā)電機(jī)功率特性的特點(diǎn)：任一臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率，都與所有發(fā)電機(jī)的電勢(shì)及電勢(shì)間的相對(duì)角有關(guān)，因此任何一臺(tái)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)的變化，都要影響到所有其余發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；任一臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率特性，是它與其余所有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子間的相對(duì)角的函數(shù)，是一個(gè)多變量函數(shù)，因此畫(huà)不出平面的功率特性。,小結(jié)：功角的基本概念靜態(tài)穩(wěn)定的基本概念暫態(tài)穩(wěn)定的基本概念電壓穩(wěn)定的基本概念頻率穩(wěn)定的基本概念同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)單電