電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析課件第一章概述

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析課件第一章概述第一頁，共六十三頁，2022年，8月28日目錄

一．概述二．復(fù)雜電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定分析

四．電力系統(tǒng)低頻振蕩分析及解決方法

三．復(fù)雜電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析五．電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析及處理措施

六．電力系統(tǒng)中、長期穩(wěn)定性研究

第二頁，共六十三頁，2022年，8月28日第一章概述一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類

二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型

第三頁，共六十三頁，2022年，8月28日電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)的這樣一種特性，即系統(tǒng)在遇到擾動后能夠恢復(fù)到一個可被接受的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行模式的不同，電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定可能會以不同的方式表現(xiàn)。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第四頁，共六十三頁，2022年，8月28日同步運行問題:

由于電力系統(tǒng)使用同步發(fā)電機發(fā)電，因此系統(tǒng)正常運行的必要條件是系統(tǒng)所有同步電機的轉(zhuǎn)速要一致，要保持“同步”。當某臺電機不同步時，即出現(xiàn)了穩(wěn)定問題：功角穩(wěn)定問題。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第五頁，共六十三頁，2022年，8月28日電壓穩(wěn)定問題:

一臺同步發(fā)電機通過輸電線向一臺感應(yīng)電動機供電的系統(tǒng)，隨著負荷的增加，會出現(xiàn)負荷側(cè)電壓崩潰使系統(tǒng)不穩(wěn)定，這里的不穩(wěn)定是電壓穩(wěn)定問題，因此時系統(tǒng)只有一臺同步電機，保持同步不是問題。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第六頁，共六十三頁，2022年，8月28日由于功角穩(wěn)定問題和電壓穩(wěn)定問題都曾經(jīng)給電力系統(tǒng)造成過巨大損害,因此人們關(guān)注較多的是電力系統(tǒng)的這兩種穩(wěn)定問題。下面簡單介紹一下這兩種穩(wěn)定問題。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第七頁，共六十三頁，2022年，8月28日一．功角穩(wěn)定根據(jù)擾動大小和（或）分析時考慮的模型、動態(tài)過程的時間范圍等因素，電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定問題可分為靜態(tài)穩(wěn)定問題、暫態(tài)穩(wěn)定問題和中長期穩(wěn)定問題。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第八頁，共六十三頁，2022年，8月28日1．電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到小擾動后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或非周期性失步，自動恢復(fù)到初始運行狀態(tài)的能力。由于電力系統(tǒng)隨時隨地受到各種形式的小擾動，因此不具備靜態(tài)穩(wěn)定性的電力系統(tǒng)是無法正常運行的。

一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第九頁，共六十三頁，2022年，8月28日在電力系統(tǒng)規(guī)模較小、電力供應(yīng)較緊張時，電力系統(tǒng)不滿足靜態(tài)穩(wěn)定性的主要現(xiàn)象是系統(tǒng)非周期性失步，因此研究的重點是系統(tǒng)的功率輸送極限。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，電力系統(tǒng)不滿足靜態(tài)穩(wěn)定性的現(xiàn)象主要是自發(fā)振蕩，因此研究的重點轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)阻尼功率的研究。

一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第十頁，共六十三頁，2022年，8月28日電力系統(tǒng)在受到小擾動時，其運行狀態(tài)偏離初始狀態(tài)不遠，因此可以采用線性化的方法將描述電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題的非線性微分方程組簡化為線性微分方程組，運用成熟的線性系統(tǒng)理論分析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日2．電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)突然受到大擾動后，能經(jīng)過暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)或恢復(fù)到初始運行狀態(tài)的能力。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日由于任何電力系統(tǒng)在遭到不受限制的大擾動后都不能保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，因此對大擾動的形式要有具體的規(guī)定。對大擾動的形式的規(guī)定決定于一個國家的經(jīng)濟實力和技術(shù)水平。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日電力系統(tǒng)在受到大擾動時，其運行狀態(tài)會較大地偏離初始狀態(tài)，線性化的系統(tǒng)線性微分方程組描述的系統(tǒng)運行狀況與實際電力系統(tǒng)運行狀況有較大差別，因此電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究必須使用非線性微分方程組。由于目前對一般的非線性微分方程的求解還沒有解析方法，所以要用數(shù)值計算的方法求出電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題的數(shù)值解。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日計算電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題的數(shù)值方法有兩類，一類是顯示方法，另一類是隱示方法。顯示方法的計算精度較高，但算法的數(shù)值穩(wěn)定性較差；隱示方法的算法數(shù)值穩(wěn)定性較強，但算法的計算精度較低。因此在分析短時間的暫態(tài)過程（小于十秒）時一般使用顯示方法，分析較長時間的過程時一般使用隱示方法。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日3．電力系統(tǒng)中長期穩(wěn)定性中長期穩(wěn)定性研究的是電力系統(tǒng)受擾后的動態(tài)響應(yīng)問題。電力系統(tǒng)受到嚴重擾動后其電壓、頻率和潮流都會有很大偏移，引起控制和保護的動作，系統(tǒng)在相當長的時間內(nèi)無法穩(wěn)定到平衡點，電壓、頻率和線路功率不斷波動。這個過程在暫態(tài)穩(wěn)定研究中一般是不考慮的。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日

長期穩(wěn)定性研究的是電力系統(tǒng)受到大擾動后產(chǎn)生的較慢的和長期的現(xiàn)象，以及所造成的大的持續(xù)存在的有功功率和無功功率的不平衡問題。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日這些現(xiàn)象包括：熱力機組的鍋爐動態(tài)過程、水力機組的進水管和導管動態(tài)過程、自動發(fā)電控制、電廠和電網(wǎng)的保護/控制、變壓器飽和、負荷和網(wǎng)絡(luò)的非正常頻率效應(yīng)等。長期穩(wěn)定性分析時一般假定發(fā)電機間的同步功率振蕩已經(jīng)被阻尼，且系統(tǒng)具有統(tǒng)一的頻率。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日中期響應(yīng)是介于短期和長期響應(yīng)之間的過渡。中期穩(wěn)定性研究的主要是發(fā)電機之間的同步振蕩以及一些較慢的動態(tài)行為和大的電壓或頻率偏離問題。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日典型的時段范圍為：短期或暫態(tài)：0-10秒中期：10秒-幾分鐘長期：幾分鐘-幾十分鐘注意:中期穩(wěn)定與長期穩(wěn)定的區(qū)分首先是根據(jù)所分析的現(xiàn)象和采用的系統(tǒng)描述，而不是根據(jù)所涉及的時段范圍。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第二十頁，共六十三頁，2022年，8月28日二．電壓穩(wěn)定電壓穩(wěn)定是電力系統(tǒng)在正常運行或受到擾動后系統(tǒng)所有節(jié)點都持續(xù)地保持電壓在某一運行極限之內(nèi)的能力。當擾動造成不可控制的電壓降落，則系統(tǒng)進入電壓不穩(wěn)定狀態(tài)。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第二十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日

判斷電壓穩(wěn)定的準則是：在給定的運行條件下，對系統(tǒng)任一節(jié)點，當注入節(jié)點的無功功率增加時其節(jié)點電壓幅值也增加。為分析方便，一般將電壓穩(wěn)定分為大擾動電壓穩(wěn)定性和小擾動電壓穩(wěn)定性兩類。

一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第二十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日1．大擾動電壓穩(wěn)定性大擾動電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)受到大擾動后系統(tǒng)控制電壓的能力。這種能力由系統(tǒng)和負荷特性、各種控制和保護等的相互作用所決定。大擾動電壓穩(wěn)定性需要在足夠長的時間內(nèi)觀察系統(tǒng)的非線性動態(tài)特性來確定，因此需要通過長期動態(tài)仿真進行分析、研究。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第二十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日大擾動電壓穩(wěn)定性的判據(jù)是：在給定的擾動及隨后的系統(tǒng)控制作用下，系統(tǒng)所有節(jié)點的穩(wěn)態(tài)電壓都在可接受的水平。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第二十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日2．小擾動電壓穩(wěn)定性小擾動電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)受到小擾動后系統(tǒng)控制電壓的能力。這種能力由負荷特性、各種連續(xù)控制和給定瞬間的離散控制的作用所決定。小擾動電壓穩(wěn)定性的判據(jù)是：在給定的條件下，系統(tǒng)任一節(jié)點的電壓幅值隨該節(jié)點的注入無功功率的增加而增加。一．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本分類第二十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日

為進行電力系統(tǒng)的動態(tài)分析，首先需要建立計算所用的系統(tǒng)數(shù)學模型。電力系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的大系統(tǒng)，包含的單元很多，各單元間關(guān)聯(lián)密切，各單元的特性也各不相同。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第二十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日

為建立適當?shù)挠嬎隳Ｐ图矮@得相應(yīng)的參數(shù)，電力系統(tǒng)的有關(guān)工作人員進行了長期的科學試驗工作，積累了大量的經(jīng)驗。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第二十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日本章主要介紹國內(nèi)外使用較廣泛的電力系統(tǒng)分析計算所用的一些數(shù)學模型，包括同步電機，勵磁機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)，原動機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)，負荷以及輸配電網(wǎng)絡(luò)等元件的模型。在不同的動態(tài)分析中，所用的數(shù)學模型也有差別，特別是負荷模型。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第二十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日一、同步發(fā)電機的數(shù)學模型

同步發(fā)電機根據(jù)模擬的詳盡程度應(yīng)用以下幾種模型。模型Ⅰ：按派克模型導出的精細模型，六繞組（定子兩繞組，轉(zhuǎn)子四繞組）或五繞組，考慮轉(zhuǎn)子勵磁繞組及阻尼繞組的暫態(tài)過程。六或五階。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第二十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日

模型Ⅱ：三階。除轉(zhuǎn)子運動方程外，還考慮轉(zhuǎn)子勵磁繞組的暫態(tài)過程，但不考慮轉(zhuǎn)子阻尼繞組的暫態(tài)過程。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第三十頁，共六十三頁，2022年，8月28日模型Ⅲ：二階，不考慮轉(zhuǎn)子勵磁繞組及阻尼繞組的暫態(tài)過程，即認為恒定。模型Ⅳ：二階，不考慮轉(zhuǎn)子勵磁繞組及阻尼繞組的暫態(tài)過程，后的恒定。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第三十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日1同步發(fā)電機模型Ⅰ

模型Ⅰ由派克模型導出。同步發(fā)電機縱軸上有定子繞組（d）及兩個轉(zhuǎn)子繞組（f為勵磁繞組，D為阻尼繞組）；圖1-1同步發(fā)電機繞組示意圖

二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第三十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日橫軸上有定子繞組（q）及兩個阻尼繞組（S和Q）。對于凸極機，q軸一般可僅考慮一個阻尼繞組Q；對于隱極機，用阻尼繞組Q表示接近表面的渦流效應(yīng)，阻尼繞組S表示轉(zhuǎn)子較深的渦流效應(yīng)。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第三十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日由此模型可以導出以下關(guān)系式。定子繞組方程式為：(1-1)二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第三十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日

轉(zhuǎn)子繞組的電磁暫態(tài)過程，采用定子繞組電動勢來描述。其方程式為：二．同步發(fā)電機與同步調(diào)相機(1-2)第三十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)子運動方程式為：(1-3)二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第三十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日電磁力矩方程式為：(1-4)二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第三十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日以上四式中各參數(shù)的含義為：—發(fā)電機端部縱軸和橫軸電壓；—發(fā)電機暫態(tài)電抗后縱軸和橫軸電動勢；—發(fā)電機次暫態(tài)電抗后縱軸和橫軸電動勢；—發(fā)電機縱軸和橫軸電流；—發(fā)電機定子回路電阻；—發(fā)電機縱軸和橫軸同步電抗；—發(fā)電機縱軸和橫軸暫態(tài)電抗；—發(fā)電機縱軸和橫軸次暫態(tài)電抗；二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第三十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日—發(fā)電機縱軸和橫軸暫態(tài)開路時間常數(shù)；—發(fā)電機縱軸和橫軸次暫態(tài)開路時間常數(shù)；—發(fā)電機勵磁繞組輸入電動勢；—發(fā)電機電動勢相量與同步轉(zhuǎn)軸的夾角；—發(fā)電機的角速度；—同步轉(zhuǎn)軸角速度；—發(fā)電機及原動機的綜合慣性時間常數(shù)；—發(fā)電機轉(zhuǎn)子機械阻尼系數(shù)；—輸入發(fā)電機組的機械力矩；—發(fā)電機的電磁力矩。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第三十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日

以上各量除了以秒(s)為單位，外，其它各量均為標么值。其中以發(fā)電機標稱力矩為基準值，以為基準值，以為基準值。由于暫態(tài)過程中發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)速不大，即，故力矩的標么值可近似用功率的標么值代替。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第四十頁，共六十三頁，2022年，8月28日上述轉(zhuǎn)子四繞組的模型共六階（轉(zhuǎn)子繞組四階，運動方程兩階），是發(fā)電機最精細的模型。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第四十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日發(fā)電機參數(shù)有如下的關(guān)系式或典型值：對隱極機：對凸極機：對隱極機：對凸極機：二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第四十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日

閉環(huán)時間常數(shù)與開路時間常數(shù)有以下關(guān)系：

一般水輪發(fā)電機（凸極機）可不考慮阻尼繞組，即用轉(zhuǎn)子三繞組模型。我國的許多計算程序中，汽輪發(fā)電機也采用轉(zhuǎn)子三繞組模型。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第四十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日

采用轉(zhuǎn)子三繞組模型時，可認為繞組開路，在這種情況下可導出，轉(zhuǎn)子繞組方程式可簡化為：(1-5)二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第四十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日（1-5）式與（1-1）,（1-3）式組成發(fā)電機五階模型。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第四十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日2同步發(fā)電機模型Ⅱ

該模型考慮勵磁電壓的變化，但不考慮轉(zhuǎn)子阻尼繞組的作用，即認為和繞組均開路。（1-2）式各參數(shù)可取為：。圖1-2同步發(fā)電機模型Ⅱ,Ⅲ相量圖

二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第四十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日這樣，定子繞組方程式可寫為：(1-6)二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第四十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)子繞組方程式簡化為：(1-7)

由（1-6）式，（1-7）式和轉(zhuǎn)子運動方程式（1-3）式組成模型Ⅱ。模型Ⅱ為三階（轉(zhuǎn)子運動方程兩階，勵磁回路一階），其電流，電壓相量關(guān)系如圖1-2。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第四十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日3同步發(fā)電機模型Ⅲ

該模型為恒定模型，不考慮勵磁電壓變化和轉(zhuǎn)子阻尼繞組的作用。（1-2）式各參數(shù)可取為：模型Ⅲ的基本方程式由轉(zhuǎn)子運動方程式（1-3）式和定子繞組方程式（1-6）式組成。模型為二階，其電流，電壓相量關(guān)系同模型Ⅱ，見圖2-1。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第四十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日4同步發(fā)電機模型Ⅳ

該模型設(shè)發(fā)電機后的電勢恒定，（1-2）式各參數(shù)可取為:，均取的值。

圖1-3同步發(fā)電機模型Ⅳ相量圖二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第五十頁，共六十三頁，2022年，8月28日

該模型的定子回路方程為：(1-8)

模型Ⅳ為二階，由轉(zhuǎn)子運動方程式（1-3）式和定子繞組方程式（1-8）式組成，其電流，電壓相量關(guān)系如圖1-3。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第五十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日5同步調(diào)相機模型

同步調(diào)相機的數(shù)學模型與同步發(fā)電機類似，但有以下差別：①機械功率，實際計算時可取很小的值。。分別為額定視在功率和額定無功功率。②沒有原動機，慣性轉(zhuǎn)矩只需考慮調(diào)相機自身的轉(zhuǎn)矩。

二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第五十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日二、電力網(wǎng)絡(luò)模型分析電力系統(tǒng)動態(tài)過程時，一般可忽略電力網(wǎng)絡(luò)中的電磁暫態(tài)過程，因為機電暫態(tài)過程的時間常數(shù)遠大于電磁暫態(tài)過程。計算動態(tài)過程的網(wǎng)絡(luò)模型一般采用導納矩陣方程式來描述，即（1-9）二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第五十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日式中：為系統(tǒng)節(jié)點的對稱復(fù)數(shù)導納矩陣；是節(jié)點注入電流向量。在負荷節(jié)點，注入量是母線電壓幅值的函數(shù)，在發(fā)電機節(jié)點，注入量定子電流是定子內(nèi)電勢和端電壓的函數(shù)。當負荷采用恒定阻抗時，也可將負荷阻抗并入中，并消去負荷節(jié)點，只保留發(fā)電機節(jié)點。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第五十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日

在電力系統(tǒng)動態(tài)分析時，各個發(fā)電機和網(wǎng)絡(luò)的電壓向量可能采用不同的坐標系，如發(fā)電機可能采用各自的坐標，網(wǎng)絡(luò)可能采用標稱轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)坐標或其它坐標。兩種不同坐標系的變換可由圖1-4得到如下的關(guān)系式。二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第五十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日(1-10)(1-11)二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第五十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日圖1-4xy-dq坐標變換圖二．電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中常用數(shù)學模型第五十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日三．電力系統(tǒng)模型的一般形式

電力系統(tǒng)中各單元的模型已在前