1、电力系统运行稳定性问题分析与计算 1 目录 摘要 前言 1 第一章 电力系统的稳定性 3 第一节 标幺值 .3 第二节 电力系统稳定性的基本概述 .5 第二章 电力系统的静态稳定性 .8 第一节 简单的电力系统的静态稳定性 8 第二节 提高静态稳定性的措施 11 第三章 电力统的暂态稳定性 .14 第一节 简单电力系统的暂态稳定性 14 第 二节 提高电力系统暂态稳定性的措施 19 第四章 电力系统稳定性的分析计算 .22 第一节 计算极限切除角 22 第二节 用分段法计算摇摆曲线 30 第五章 故障条件下对继电保护和自动重合闸的要求 .46 第一节 故障时对继电保护的要求 46 第二节 故障
2、时对自动重合闸的要求 49 第 三 节 自动重合闸与继电保护的配合 54 结束语 .57参考文献 58 电力系统运行稳定性问题分析与计算 2 内容 摘要 随着电力工业的迅速发展，我国发电机、变压器单机容量不断增大，电力系统正朝着“大机组、超高压、大电网”的方向发展。在当今电力作为推动社会飞速发展的主动力时代，电力网是否稳定对社会的生产、生活、发展起着决定性的影响。因此，研究 电力系统在各种条件下的稳定性问题对社会的发展具有特别重要的意义。 本设计共分六个章节，第一章为电力系统稳定性的基础知识；第二章介绍电力系统的静态稳定性，并提出了在实际生产生活中 提高静态稳定性的 有效措施；第三章介绍电力系
3、统的暂态稳定性，并提出了在实际运行中提高暂态稳定性的有效措施；第四章介绍用分段法求各种故障下发电机的摇摆曲线；第五章介绍了在各种故障下对继电保护和自动重合闸的要求；第六章为结束语。 （注：本设计着重 分析的是电力系统受干扰后的另一种暂态过程，即电力系统的机电暂态过程。） 关键词：电力系统稳定性 静态稳定性 暂态稳定性 机械功率 励磁调节 功角 电力系统运行稳定性问题分析与计算 3 Content abstract Along with the rapid development of the electric power industry, China generator transforme
4、r capacity increasing in power system, the “big, big power“, the ultra direction. In todays power as the rapid development of the social stability, whether the grid initiative of social production, living and development plays a decisive influence. Therefore, the research on power system stability u
5、nder different conditions of social development has vital significance. The design of six chapters, the first chapter for basic knowledge of power system stability, The second chapter static stability of power system, and puts forward the practical production in life The effective measures to improv
6、e the static stability, The third chapter of the power system transient stability, and put forward improving in the actual operation of the transient stability and effective measures, The fourth chapter with various fault segmentation method is issued by the swing of the motor; The fifth chapter in
7、various fault of relay protection and automatic reclosing requirements, The sixth chapter for closing. (note: this design of power system are emphatically analyzed after the interference of another kind of transient process, namely the electrical power system transient process. Keywords: static stab
8、ility of power system stability of transient stability mechanical power excitation adjust Angle 电力系统运行稳定性问题分析与计算 4 前言 “电力系统稳定性”这部分内容是 发电厂及电力系统 专业的专业课的重要内容之一，这部分内容相对比较难学却又十分重要，因此，真正 透彻 的掌握电力系统的稳定性分析过程对我们电力行业的工作人员有着十分重要的意义。 本设计将分析电力系统的 另一种暂态过程 电力系统的机电暂态过程。在分析电磁暂态过程时，曾假设旋转电机的转速保持不变，重点研究暂态过程中的切除角和切除时间对系
9、统故障时的影响及系统各种参数变化的过程。 属于电力系统机电暂态过程的工程技术问题主要是电力系统的稳定性问题。电力系统稳定性问题就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后， 能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者过渡到一个新的运行状态的问题。如果能够，则认为系统在该运行状态下是稳定的。反之，若系统不能回到原来的运行状态或者不能建立一个新的运行状态，则说明系统的状态变量没有一个稳定值，而是随时间不断增大或振荡，系统是不稳定的。 发电机组的转速是由作用在它转子上的转矩所决定的，作用在转子上的转矩主要包括原动机作用在转子上的机械转矩和发电机的电磁转矩两部分。当转子维持同步转速时，上述两部分转矩是
10、平衡的，一旦这两部分转矩不平衡时就会引起转子的加速或减速，转子就 脱离了 同步转速。原动机的机械转矩是由发电厂动电力系统运行稳定性问题分析与计算 5 力部分的运行状态所决定，发电厂的电磁转矩是由发电机及其连接的电力系统中的运行状态所决定，在这些运行状态中如发生任意干扰都会是作用在转子上的转子上的转矩不平衡，也就会使转速发生变化。在实际运行中，这些干扰是不可避免的，小的干扰经常不断地发生，例如电力系统中负荷的小波动；大的干扰也是时常出现的 ，例如电网中突然发生短路而造成发电机电磁转矩的大变化等等。因此要求系统在受到各种干扰后，发电机组经过一段过程的运动变化后仍能恢复同步运行，即 角 能达到一个稳
11、态值。能满足这一点，系统就是功角稳定的，否则就是功率不稳定的，而必须采取相应的措施以保证系统的稳定。 本设计对电力系统的静态和暂态稳定性物理过程、发电机功率特性和功率极限进行了透彻的分析，研究了不同故障类型下，故障切除时间对电力系统暂态稳定性的影响。最后，提出了 在 实际 生活 中 应根据各种电力系统的实际情况采用相应的措施以保持系统的稳定运行。 由于编者的水平有限，书中有错误和不妥之处请读者批评指正。 电力系统运行稳定性问题分析与计算 6 第一章 电 力 系统的稳定性 第一节 标幺值 在电力系统故障分析计算中，大多应用标幺 制。标幺制中 各种物理量都用标幺值（即相对值）来表示，使运算步骤简单
12、，数值简明便于分析。 一、 标幺值 标幺值的一般数学表达式为 有 单 位 的 物 理 量相 对 值 与 有 名 值 同 单 位 的 物 理 量有 名 值标 幺 值 标 幺 值 （ 1-1） 对于任一物理量均可以用标幺值表示。例如电阻、电抗的标幺值分别为 ： * BRR Z、* BXX Z（ 1-2） 式中： R、 X为电阻、电抗的有名值 ， ； BZ 为阻抗的基准值， 。 又如 有功功率、无功功率、视在功率的标幺值分别为： * BPP S、* BQQ S、* BSS S（ 1-3） 式中： P 为有功功率， MW； Q 为无功功率， Mvar； S 为视在 功 率， MVA； BS 为功率基准
13、值， MVA。 二、 基准值的选取 基准值的选取有一定的随意性，下面仅以三相电路说明之。 在三相电路中，物理量 U、 I、 S、 Z 间有以下两个基本关系，即： U= 3ZI 、 S= 3ZI （ 1-4） 电力系统运行稳定性问题分析与计算 7 式中： U 为线电压； S 为三相功率； I 为相电流； Z 为相阻抗。 如果选定各量基准值满足下列关系 B B BU 3Z I 、 B B BS 3U I （ 1-5） 将式（ 1-4）除以式（ 1-5）中的对应项后可得 * * *U Z I 、 * * *S U I （ 1-6） 式 （ 1-6） 表明，在标幺值中三相电路的关系式类似于单相电路。在
14、式（ 1-5）中含有四个基准值， 可以任选两个，一般先 选定电压和功率的基准值，则电流和阻抗基准值分别为： BB BSI K A3U（ 1- ） BB BUZ 3I （ 1- ） 其中 , BS 单位为 MVA, BU 单位为 KV。 三、基准值改变时标幺值的换算 电力系统中各种电气设备如发电机、变压器、电抗器的阻抗参数均是以其本身额定值为基准值的标幺值或百分值给出的， 而在进行电力系统计算时，必需取统一的基准值，因此要求将原来的以本身额定值为基准值的阻抗标幺值换算的统一的基准值。 若电抗 X 对应不同的基准值的标幺值分别为： 2* BB BSX UX 、 2* NN NSXXU （ 1-9）
15、 式中：下标 B 表示统一基准值及其对应的标幺值；下标 N 表示设备额定值以及对应的标幺值。 电力系统运行稳定性问题分析与计算 8 由式 （ 1-9）可得 *BX与 *NX间 的转换关系为： * *2B NNNNBBB N B NUUSIXXU S U IX (1-10) 发电机的铭牌参数一般给出其额定电压、额定功率以及以额定值为基准值的电抗标幺值，可用式 (1-10)计算其对应统一基准值的电抗标幺值。 对于变压器一般给出其额定电压、额定功率以及短路电压百分数等。其短路电压百分数和电抗标幺值的关系为： 0 0 *23 0100 0 0010 0 10 000S NTN N TT NNIXU S
16、 XXUU (1-11) 式中： TX 为 变压 器电抗的有名值。故变压器转换为统一基准值的电抗标幺值为： 200* 100S N BTBBNU U SUSX (1-12) 电抗器在系统中用来限制短路电流而不是用于能量变换，故对于电抗器一般给出的是 NU 、 NI 和 电抗百分数 00RX与标幺值间关系为： *0 0 00 0 03 1 0 0 1 0 0NRR RNNIXXXU (1-13) 换算为统一基准值的标幺值为： 0 0* 100R N BRB BNX U IUIX (1-14) 第二 节 电力系统稳定 的基本概述 电力系统运行稳定性问题分析与计算 9 电力系统中各台同步发电机在同步
17、运行状态下，输出端电功率为定值，系统中各节点电压和各支路的潮流也是定值 ，这就是电力系统的稳定运行状态。电力系统稳定性问题就是当系统在某一正常稳定运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳定运行状态的问题。如果能够，则认为系 统在该正常运行状态下是稳定的；反之，若系统不能回到原来的运行状态或者不能建立一个新的稳态运行状态，则说明系统是不稳定的。一般是表示发电机组对系统或系统对系统间的同步运行稳定性。 在电力系统的实际运行中，干扰是不可避免的，小干扰如负荷的小波动，大干扰如电网中突然发生短路造成发电机电磁功率转矩的大变化等，即原动机作用在转子上的机械转矩
18、和发电机作用在转子上的电磁转矩不平衡，使转子加速或减速，以简单的系统受到干扰为例，当简单系统受到干扰后，发电机的速度，不再保持同步，则相量 E比 U 的放置速度快，相角差也将变化。 如果相量 E和 U 一直不同步，相角差一直在变化，电流 I 和系统中各点电压的幅值不断震荡，系统不能正常工作，出现这种状况即称为系统不稳定。 目前电力系统稳定一般是按照电力系统承受扰动的大小分为静态稳定性和暂态稳定性两大类，即电力系统的静态稳定是指电力系统受到小干扰后，能够自动恢复到起始运行状态的能力。 电力系统运行稳定性问题分析与计算 10 而电力系统的暂态稳定性是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机能够保持同步
19、运行并过渡到新的或恢复到原来的稳定运行方式的能力。这里说的小干扰或大干扰只是相对和有条件的区分，很难用具体的数量值给定。小干扰一般指正常的负 荷波动，系统的状态变量的变化很小，允许将描述系统的状态方程线性化；大干扰则指电力元件中的短路故障或突然断开等，此时电力系统中的结构和参数将发生较大的变化，系统的状态方程不能线性化。 电力系统 在正常运行时，经受干扰而不发生非同步运行、 频率崩溃 和 电压崩溃 的能力。这种抗干扰的能力是电力系统保证正常运行必须具备的。从狭义的观点看，电力系统稳定单指不发生非同步运行，不管电力系统中联接多少台 发电机 ,联网地域有多大 (全省、跨省区、跨国家 ),都要求在经受干扰时所有交流 同步发电机 保持同步运行。从广义的观点看，电力系统稳定研究的范围还包括电力系统稳定破坏后，电力系统进入非同步运行状态，而后在满足一定条件下再同步成功，又恢复同步运行的全过程，电力系统的这种能力称为综合稳定。为了便于应用现代数学方法和计算工具进行电力系统的计算分析，和在实际运行中更确切地检验电力系统稳定运行的水平并采取提高稳定的措施，把电力系统稳定分为静态稳定，暂态稳定和动态稳定三类。 综上所述，电力系统的稳定问题，就是当系统在某一正常稳定运行状态下受到
