电力系统分析第15章

第十五章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电力系统运行稳定性的基本概念联网的效益多个地区联网形成大型互联电网后：有利于地区间电力的平衡和经济调度有利于安排机组的检修和事故备用容量有利于充分利用系统中廉价的水利资源有利于实现负荷点的多路供电以提高供电可靠性有利于提高系统的抗冲击能力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大，世界上最大的西欧联合电力系统总装机容量已超过2亿KW。15-1概述——稳定问题的提出（续）第十五章电力系统运行稳定性的基本概念我国电力系统发展历史1880年7月，上海，第一台12KW机组1949年，发电量43亿KWh，装机容量1848.6KW1999年，发电量12331.4亿KWh，装机容量2.98亿KW装机容量：96年超过1亿，95年超过2亿，96年开始排世界第二，2000年4月超过3亿2004年4月装机容量达4亿千瓦2020年计划达到装机容量9亿KW发电量：99年比98年增加6.52%,目前也是世界第二位目前最大的火电厂：邹县电厂，240万KW目前最大的水电厂：二滩电厂，330万KW★三峡电厂，装机容量1820万KW，将是世界最大目前全国电网覆盖率：96.4%7个大区电网，华东网5198万KW5个独立省网，广东省网3033万KW15-1概述——稳定问题的提出（续）第十五章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的问题。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，使电网的安全稳定问题越来越突出。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。15-1概述——稳定问题的提出（续）第十五章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基本问题——早期稳定研究的内容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，应该如何确定发电机的最大允许输出功率?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(热稳定极限)限制，如果不是，应该如何确定线路允许的最大传送功率?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，应该引入什么样的保护装置和／或稳定控制装置?15-1概述——研究内容NNNNIUPcos第十五章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随着电网互联规模的增大，不断出现大量新的稳定问题：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；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；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。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域15-1概述——研究内容第十五章电力系统运行稳定性的基本概念15-2功角的概念sindqXVEPeδEqUjIxdI发动机输出电磁功率：第十五章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δ密切相关，称δ为“功角”或“功率角”。传输功率与功角δ的关系，称为“功角特性”或“功率特性”。定义：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位置。第十五章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不间断供电上，另一方面则体现在对供电质量的保证上。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，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——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。第十五章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、频率和功率潮流为定值。如果某些发电机之间不能维持同步运行，其送出的电功率以及相应节点的电压及相应线路的潮流将发生大幅度的周期性振荡，如果失去同步的机组之间不能迅速恢复同步，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。这种由于机组失去同步造成的稳定问题实际上是电力系统的功角稳定问题，可以进一步根据失稳的原因和发展过程细分为静态稳定问题、动态稳定问题和暂态稳定问题。通常所说的电力系统稳定性实际上专指系统的功角稳定这一类问题。V1V2V2V1]ˆ)Re[(21IVVP第十五章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如果系统的有功或无功供给能力或维持能力不足，也可能出现全系统的发电机组仍然维持同步运行，但系统频率或局部系统的电压无法维持在允许的范围内的情况此时系统从功角意义上仍然是稳定的，但从可靠供电的角度而言，系统已失去了稳定——即出现了系统的频率稳定或电压稳定问题。相对于功角稳定性而言，频率稳定或电压稳定具有显著不同的机理和特点，并需要采用不同的分析方法。第十五章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。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入转矩和输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时间衰减的，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时间而加剧，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。sindqXVEPe第十五章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——静态稳定(SteadyStability)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到微小干扰时的稳定性问题。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。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行特征根分析来判别系统的静态稳定性。①②③④第十五章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(TransientStability)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扰动，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。①②③④第十五章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(DynamicStability)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……