文档介绍：第五章电力系统运行的稳定性
第一节基本概念
一、电力系统稳定性的概念
随着电力的发展,电力系统的规模日趋夸大,输电距离愈来愈远,跨省、区的大型电力网相继出现,经济效益和供电可靠性得到了提高。同时也带来了一系列复杂的技术问题,电力系统运行的稳定性问题就是;其中的一个突出问题。
在电力系统中,各同步发电机是并联运行。使并联的所有发电机保持同步是电力系统正常运行的基本条件之一。
同步发电机的频率或电气角速度与它的转速有着密切的关系,而转速的变化规律取决于作用在发电机轴上的转矩的平衡。作用于发电机轴上的转矩主要由两部分组成,即起驱动作用的原动机的机械转矩和起制动作用的发电机的电磁转矩。正常运行时,原动机的机械转矩
与发电机的电磁转矩是平衡的,发电机保持匀速圆周运动,角加速度为零。但是,这种转矩
的平衡状态只是相对的、暂时的。由于电力系统的负荷随时都在变化,因而,发电机的电磁
转矩也随着变化。由于惯性的作用,原动机的机械转矩不能瞬时适应这一变化。因此,这种
平衡状态将不断被破坏,引起发电机的转速、频率的变化。当系统由于负荷变化、元件的操
作或发生故障而打破功率平衡状态后,各发电机组将因功率不平衡而发生转速的变化。一般情况下,由于各发电机组功率不平衡的程度不同,因此发电机组转速变化的规律也不同,有的变化较大,有的变化较小,甚至导致一部分发电机组因输出功率减小而加速时,另一部分发电机组因输出功率增加而减速,从而使原来保持同步运行的各发电机组的转子之间产生相对运动。,则称这样的电力系统是稳定的。反之,如果在受到扰动后各发电机组间产生很剧烈的振荡,最后导致机组之间失去同步运行,则称这样的系统是不稳定的。
因此,所谓电力系统的稳定性,就是指在受到外界干扰的情况下发电机组间维持同步运行的能力。研究电力系统稳定性问题将归结为研究当系统受到扰动后的运动规律,从而判断系统是否可能失去稳定性及提高系统稳定性的措施。
电力系统的稳定性与系统的发展密切相关。对于早期孤立运行的发电厂,发电机并列运行在公共母线上,并列运行的稳定性问题并不严重。随着系统容量和供电范围的扩大,许多发电厂并联运行在同一电力系统时,并列运行稳定性问题日益严重。在现代电力系统中,稳定性问题常成为制约交流远距离书输电的输送容量的决定性因素。
当电力系统失去稳定时,系统内的同步发电机失步,系统发生振荡,结果会使并列的系统解列,可能造成大面积的用户停电。因此,失去稳定性是电力系统最严重的故障。
二、电力系统稳定性的分类
电力系统稳定性问题,是一个机械运动过程和电磁暂态过程交织在一起的复杂问题,属于电力系统机电暂态过程的范畴。根据扰动量的大小,可将电力系统稳定性分为静态稳定性的暂态稳定性两大类型。
电力系统在运行中时刻受到小的扰动,例如负荷的随机变化、汽轮机蒸汽压力的波动、发电机端电压发生小的偏移等等。在小扰动作用下,系统将会偏离平衡点,如果这种偏离很小,小扰动消失后,系统又重新恢复平衡,则称系统是静态的。如果偏离不断扩大,不能重新恢复原来的平衡状态,则系统不能保持静态稳定。
电力系统在运行时有时还受到大的扰动,例如,个别元件突然投入或切除、输电线路发生短路故障等等。在大扰动作用下,如果系统运行状态的偏离是有限的,且在大扰动结束后又达到了新的平衡,则称系统是暂态稳定的。如果偏离不断扩大,不能重新恢复平衡,则称系统失去了暂态稳定。
第二节发电机转子运动方程和功率特性
一、发电机转子运动方程
电力系统稳定性的核心问题是研究同步发电机转子运动状态对干扰的响应。因此,分析电力系统的稳定性应从研究发电机转子运动人手,而发电机的转子运动状态是由发电机转子运动方程来描述的。
根据力学定律,一个转动惯量为J的转体,如果以角加速度α旋转,作用于该转体的转
矩总和为∑M,则应满足下列关系
Jα=∑M
或 J=J=MT—Me (5-1)
式中,和—以发电机转子机械角位移和机械角速度表示的角加速度;
MT 和 Me —原动机的机械转矩和发电机的电磁转矩;
系统稳定性主要的研究对象是同步发电机电势间的相对相位角,而这些角度都是电气角。因此,首先应将机械角变换为电气角。当发电机的极对数为p时,机械速度Ω与电气速度ω,机械角位移Θ与电气角位移θ有如下关系:
= p
= p (5-2)
图5-1为以电气量表示的各发电机转子轴线的位置。
取一参考轴,如此参考轴在空间不动,则转子轴线与此参考轴之间的夹角就是转子的绝对角位移θ;如取在空间以同步速度旋转的轴为参考轴,则转子
图5-1 同步发电机转子的角位移
轴线与此参考轴之间的夹角就是转子相对于同步旋转轴的