一、稳定性概述不发生主系统的非同步运行——功角稳定也称同步运行稳定性不发生频率崩溃——频率稳定不发生电压崩溃——电压稳定为分析方便又将稳定性问题分为小扰动下的静态稳定大扰动下的暂态稳定长过程的动态稳定2001版《电力系统安全稳定导则》附录中给出的有关稳定的定义电力系统稳定性是指电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。通常根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统将稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、动态稳定、电压稳定。二、静态稳定静态稳定是指电力系统受到小干扰后不发生非周期性失步自动恢复到起始运行状态的能力。1功角静稳以最简单的单机无限大系统为例。设发电机为隐极机并采用E’xd模型。发电机电势E’至无限大系统间总电抗为x∑。发电机电势与无限大母线电压之间夹角为δ。系统输送的电磁功率为原动机的机械功率即系统正常运行时输送的功率GT1lT2恒定UPzQzsinXUEPzTPPa点静态稳定。b点静态不稳定aPTPPbbbaaabaab”b静稳定判据为当时对应极限传输功率Pj相应的静稳定储备系数为在正常运行方式下对不同的电力系统按功角判据计算的静态稳定储备系数KP应为1520在事故后运行方式和特殊运行方式下KP不得低于10。0ddP0ddP100zzjPPPPK 提高极限传输功率即可提高系统的静稳发电机采用自动励磁调节装置输电线采用分裂导线输电线采用串联电容器补偿改善系统结构缩小电气距离采用中间补偿设备维持电压恒定如静止补偿器提高输电线电压等级2电压静稳电压静稳定判据为式中Q 为电源无功与负荷无功之差。若则电压下降将更加导致系统无功的不足系统电压崩溃。当时对应母线临界电压c 。相应的静稳定储备系数为Uz为母线正常电压
0dUdQ0dUdQ0dUdQ100zczVUUUK在正常运行方式下对不同的电力系统按无功电压判据计算的静态稳定储备系数KV为1015。在事故后运行方式和特殊运行方式下KV不得低于8。三、暂态稳定以下图所示单机无限大系统线路始端发生短路说明暂稳。简单考虑发电机自动励磁调节装置的作用发电机采用E’xd’模型。
GT1lT2Uxd’xT1xl1xl2xT2PzQz恒定Ⅰ.正常运行时系统电抗电磁功率
21I2TlTdxxxxxsinIIxUEPⅡ.故障存在时系统电抗xΔ不同短路时的附加电抗。短路类型xΔ三相短路0两相短路接地x∑2//x∑0两相相间短路x∑2单相短路x∑2x∑0x∑2、x∑0系统负序、零序总阻抗xxxxxxxxxxTlTdTlTd2121II22电磁功率Ⅲ.故障切除后系统电抗电磁功率sinIIIIxUEP21IIITlTdxxxxxsinIIIIIIxUEP单机无限大系统能否暂稳的条件为最大可能减速面积大于加速面积。0CPTPIPIIPIIIPabcdehf四种短路对暂稳的影响三相短路最不利以下依次为两相短路接地两相相间短路单相短路任何可以减小加速面积或增大最大可能减速面积的措施均认为是对暂稳有利。任何提高静稳的措施均对暂稳有利。继保实现快速切除故障线路采用自动重合闸对暂稳而言单相重合闸好于三相重合闸发电机采用快速励磁系统增加强励倍数汽轮机快关汽门水电机组电气制动变压器中性点经小电阻接地长线路中间设置开关站线路采用串联电容补偿采用无功补偿装置实现连锁切机2001版《电力系统安全稳定导则》暂态稳定是指电力系统受到大扰动后各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指保持第一或第二振荡周期不失步的功角稳定。暂态稳定的判 据是电网遭受每一次大扰动后引起电力系统各机组之间功角相对增大在经过第一或第二振荡周期不失步作同步的衰减振荡系统中枢点电压逐渐恢复。我国电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准分为三级。第一级标准保持稳定运行和电网的正常供电第二级标准保持稳定运行但允许损失部分负荷第三级标准当系统不能保持稳定运行时必
须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。第一级安全稳定标准正常运行方式下的电力系统受到下述单一元件故障扰动后保护、开关及重合闸正确动作不采取稳定控制措施必须保持电力系统稳定运行和电网的正常供电其他元件不超过规定的事故过负荷能力不发生连锁跳闸。a任何线路单相瞬时接地故障重合成功b同级电压的双回线或多回线和环网任一回线单相永久故障重合不成功及无故障三相断开不重合c 同级电压的双回线或多回线和环网任一回线三相故障断开不重合d任一发电机跳闸或失磁e 受端系统任一变压器故障退出运行f任一大负荷突然变化g任一回交流联络线故障或无故障断开不重合h直流输电线路单极故障。但对于发电厂的交流送出线路三相故障发电厂的直流送出线路单极故障两级电压的电磁环网中单回高一级电压线路故障或无故障断开必要时可采用切机或快速降低发电机组出力的措施。第二级安全标准正常运行方式下的电力系统受到下述较严重的故障扰动后保护、开关及重合闸正确动作应能保持稳定运行必要时允许采取切机和切负荷等稳定控制措施。a单回线单相永久性故障重合不成功及无故障三相断开不重合b任一段母线故障c 同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障重合不成功双回线三相同时跳开d 直流输电线路双极故障。第三级安全稳定标准电力系统因下列情况导致稳
定破坏时必须采取措施防止系统崩溃避免造成长时间大面积停电和对最重要用户包括厂用电的灾害性停电使负荷损失尽可能减少到最小电力系统应尽快恢复正常运行。a故障时开关拒动b故障时继电保护、自动装置误动或拒动c自动调节装置失灵d多重故障e失去大容量发电厂f其他偶然因素。四、动态稳定动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后在自动调节和控制装置的作用下保持长过程的运行稳定性的能力。动态稳定的过程可能持续数十秒至几分钟。后者包括锅炉、带负荷调节变压器分接头、负荷自动恢复等更长响应时间的动力系统的调整又称为长过程动态稳定性。电压失稳问题有时与长过程动态有关。与快速励磁系统有关的负阻尼或弱阻尼低频增幅遮挡可能出现在正常工况下系统受到小干扰后的动态过程中称之为小扰动动态稳定或系统受到大扰动后的动态过程中一般可持续发展10s20s后进一步导致保护动作使其他元件跳闸问题进一步恶化。动暂态稳定的判据是在受到小的或大的扰动后在动态摇摆过程中发电机相对功角和输电线路功率呈衰减振荡状态电压和频率能恢复到允许的范围内。现在动态稳定一般主要研究系统阻尼的问题。前面所述的功角稳定系统之所以能够稳定一个前提条件是作衰减振荡。阻尼力矩是指发电机的转速发生变化时发电机本身所具有的反应于转速变化的力矩所谓正的阻尼力矩是指这种力矩的方向正好制止转速变化当转速增高时正阻尼起制动作用而转速减小时正阻尼起加速作用。因而系统具有正阻尼时振荡将衰减。动态稳定要求系统必须具有正阻尼。单从发电机结构看由于水轮发电机转子上的阻尼绕组以及汽轮发电机的整体转子本身的作用等效于阻尼绕组当发电机转子转速与转子空间因电枢反应产生的旋转磁场的转速不同时即产生阻尼力矩。因动态失稳是振荡性失稳有一定振荡频率引入正弦振荡概念阻尼绕组产生的阻尼力矩与Δω同相位是正
阻尼力矩。因而一般系统没有动态失稳问题。0发电机的快速励磁系统感受发电机机端电压的变化从而改变励磁电压。以单机无限大系统为例当因某扰动使发电机的相位从初始的δ0有一个正的Δδ的变化由于系统功率增大电流增大机端电压下降ΔUG快速励磁系统测得机端电压下降后将基本无时限地由放大系统放大若干倍地增大励磁电压Uf。由于励磁回路的时滞励磁电流只能慢慢增加慢慢增大气隙磁束以提高发电机端电压实现电压校正。因Δδ成正弦变化而
故Δω总是超前Δδ90°。采用快速励磁后前述情况下为负为负为正。又因励磁回路有很大的电感励磁电流If将滞后Uf约90°即滞后Δδ约90°从而与Δω差180°。因之该情况下由快速励磁调节系统产生的机端电压增高和因此电压增高所引起的额外增加的力矩将与Δω差180°是负阻尼力矩这是快速励磁系统引起系统动态失稳的根本机理。dtdGUGfUUfU由于发电机阻尼绕组的正阻尼只要励磁调节的负阻尼效应不过大综合的阻尼作用仍可为正故可用降低励磁调节器的放大倍数来维持系统动稳。当系统总体为负阻尼时因扰动产生的振荡将在负阻尼的作用下或因振荡发散而引起系统间失去同步或由于系统中某些参数的非线性而使振荡的幅值最终趋于某一定值。负阻尼系统在小扰动的作用下常会发生后者的现象线路上出现持续的功率摇摆振荡频率一般在0.22.5Hz范围内称之为低频振荡。经验及研究表明电厂出线及系统间联络线功率过大或系统之间联系电抗过大的情况下更易诱发低频振荡。提高动稳最有效的方法是在快速励磁系统的输入回路中引入反应机组转速变化的附加环节并做到机端电压的变化与转速变化同相以达到提供正阻尼的最终要求该引入反应转速的附加环节称之为电力系统稳定器PSS。国外有利
低频振荡
用晶闸管控制静止补偿器进行附加稳定控制增加系统正阻尼的方法提高动稳效果很好。五、系统振荡异步运行电力系统功角稳定破坏失去同步将导致系统振荡。造成系统振荡的具体原因主要有①输电线路输送功率超过极限值造成静态稳定破坏②电网发生短路故障切除大容量发电、输电或变电设备负荷瞬时发生较大突变等造成电力系统暂态稳定破坏③环状系统或并列双回线突然开环使两部分系统联系阻抗突然增大引起动稳定破坏而失去同步④大容量机组跳闸或失磁使系统联络线负荷增长或使系统电压严重下降造成联络线稳定极限降低引起稳定破坏⑤电源间非同步合闸未能拖入同步。系统进入异步运行将导致电压、电流、功率的大幅振荡。以单机无限大系统的电压说明。
GT1lT2xd’xT1xl1xl2xT2PzQzE恒定U123其电压电流向量图为EE1U1U2U2U3U3UU 当单机与无限大系统之间的δ角在失步后在0360°往复变化时系统各点电压将产生振荡而在时在距无限大母线处电压将降低为0我们称该点为振荡中心显然振荡中心的电压将周期性降低为0。180xUEU系统振荡时一般现象有①发电机、变压器、线路的电压表、电流表及功率表周期性地剧烈摆动发电机和变压器发出有节奏的嗡鸣声②连接失去同步的发电机或系统的联络线上的电流表和功率表摆动得最大。电压振荡最激烈的地方是系统振荡中心每一周期性约降低至零值一次。随着离振荡中心距离的增加电压波动逐渐减少。如果联络线的阻抗较大两侧电厂的容量也很大则线路两端的电压振荡是较小的③失去同期的电网虽有电气联系但仍有频率差出现送端部分系统的频率升高受端部分系统频率降低并略有摆动。振荡的危害①振荡时处于异步运行的发电机其机组的振动和转子的过热可能造成发电机损坏。②振荡时振荡
中心附近由于电压周期性大幅度降低将丧失大量负荷。③系统振荡时电流、电压变化情况复杂可能引起保护装置的误动而进一步扩大事故。应采取措施如电力系统再同步、人工解列平息振荡再并列迅速平息振荡。振荡事故的进一步扩大将导致电力系统瓦解甚至大面积停电事故的产生。附电压稳定是指电力系统受到小的或大的扰动后系统电压能够保持或恢复到允许的范围内不发生电压崩溃的能力。无功功率的分层分区供需平衡是电压稳定的基础。电压失稳可表现在静态小扰动失稳、暂态大扰动失稳及大扰动动态失稳或长过程失稳。电压失稳可以发生在正常工况电压基本正常的情况下也可以发生在正常工况母线电压已明显降低的情况下还可以发生在受扰
动以后。附线路功率过大的不利后果线路功率过大可能导致导线发热超标。电源或系统之间的联络线功率过大使得静稳储备系数下降危及功角稳定。电厂出线或系统间联络线功率过大可能诱发低频振荡。线路功率过大导致线路电压损耗增大使后续电网电压下降影响电压质量。而电压下降过大使电源或系统之间的联络线极限功率下降危及功角稳定或电压下降过大危及电压稳定。
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