影响电力系统运行的稳定性的原因及措施

影响电力系统运行的稳定性的原因及措施
作者：zhangyap… 文章来源：本站原创点击数： 0 更新时间：2010-4-13 21:32:22 【字体：
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前言
所谓电力系统运行的稳定性，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而研究提高系统稳定性的措施。

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和暂态稳定性两大类型。

1影响电力系统运行稳定性的因素
在电力系统中，各同步发电机是并联运行的，使并联的所有发电机保持同步是电力系统维持正常运行的基本条件之一。

1.1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和发电机并列的运行在公共母线上，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，并列运行稳定性日益严重。

在现代电力系统中，稳定性问题常称为制约交流远距离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。

1.2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、发电机端电压发射点小的偏移等等。

在小扰动作用下，系统将会偏离运行平衡点，如果这种偏离很小，小扰动消失后，系统又重新恢复平衡，则称系统是静态稳定的。

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。

1.3电力系统运行时还会受到大的扰动
例如，电气元件的投入或切除、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。

2.提高电力系统稳定性的措施
现阶段电力系统根据扰动量的大小，可将电力系统稳定性分为静态稳定性和暂态稳定性两大类型。

2.1提高电力系统静态稳定性的措施
从静态稳定的分析可以看出，提高电力系统的静态稳定性，应着力于提高电力系统功率极限。

2.1.1提高发电机电势
提高发电机电势是提高电力系统的功率极限最有效的措施，它主要依靠采用自动励磁调节器并改善其性能来实现。

在现代电力系统中，几乎所有的发电机都装有自动励磁调节装置。

自动励磁调节器明显地提高了功率极限。

当发电机装有比例式励磁调节器时，在静态稳定分析中发电机所呈现的电抗由大到小，并近似维持暂态电势为常数。

当有磁力式励磁调节器时，相当于把发电机电抗减小到接近于零，即近似当做发电机端电压维持恒定，这就大大地提高了发电机的功率极限，对提高静态稳定性极为有利。

自动励磁调节器在整个发电机投资中所占的比重很小，所以，在各种提高稳定性的措施中，总是优先考虑使用或改善自动励磁调节装置。

2.1.2减少系统的总电抗
从简单电力系统的功率极限表达式可以看出，输电系统的功率极限与系统总电抗成反比，系统电抗越小，功率极限就越大，系统稳定性也就越高。

输电系统的总电抗由发电机、变压器和输电线路的电抗组成。

发电机和变压器的电抗与它们的结构尺寸有关，一般在发电机和变压器设计时，已考虑在投资和材料相同的条件幸福，力求使它们的电抗减小一些。

当发电机和变压器设计时，已考虑在投资和材料相同的条件下，力求使他们的电抗减小一些。

当发电机和变压器装有自动励磁调节器时，发电机的实际电抗已由大减小。

因此，从发电机结构方面去减小电抗的作用有限。

对于变压器而言，其短路阻抗直接影响到制造成本和运行性能，也不宜改变。

自耦变压器具有损耗小、体积小、价格便宜的优点外，它的电抗也较小，对提高稳定性有利，故在超高压电力系统中得到了广泛的应用。

相对而言，设法减少输电线的电抗，则是一个可循的途径。

主要方法之一是采用分裂导线，这可以使线路电抗约减少20%，而且还能减少或避免电晕所引起的有功功率损耗。

减少输电线电抗的另一方法是采用串联电容补偿。

一般来说，补偿度越大，对系统稳定越有利，但过大的补偿度可能引起发电机的自励磁等异常情况，影响线路继电保护的正确动作，增大短路电流等，一般取补偿度为0.2-0.5.此外，在超高压远距离输电中，如输电功率受稳定性限制，也可采用增加输电回路数，减少等值电抗，以达到提高输电功率的目的。

2.1.3提高和稳定系统电压
要提高系统运行电压水平，最主要的是系统中应装设充足的无功电源。

在远距离输电线的中途或在负荷中心装设同步调相机，将有助于提高和稳定系统的运行电压水平，从而提高系统运行的稳定性。

合理地选用高一级的电压，除了降低损耗、增加输电容量等作用外，海景提高电力系统的功率极限，这在设计新线路或改造旧线路时常作为一个措施来考虑。

这是因为对于同一结构的输电线路，采用的额定电压越高，线路电抗的标幺值就越小，功率极限就越高。

2.2提高电力系统的暂态稳定性的措施
一般来说，提高电力系统静态稳定的措施也有助于提高暂停稳定性。

如果提高了故障时和故障切除后的功率极限，这显然增加了最大可能的减速面积，减小了加速面积，从而有利于系统保持暂态稳定性。

此外，从从暂态稳定分析来看，除提供系统的功率极限外，还可以采取一些相应的措施，减少发电机转子相对运动的振荡幅度，提高系统的暂态稳定性。

对其中一些主要措施列
举如下：
2.2.1可使切除故障
利用快速继电保护装置和快速动作的断路器尽快切除故障是提高暂态稳定性的重要措施。

实行快速强行励磁在系统发生短路故障时，发电机实行快速强行励磁，能迅速提高发电机的电势，提高故障时和故障切除后发电机的功率特性，将有利于提高系统的暂态稳定性。

2.2.2采用自动重合闸装置
高压输电线的短路故障绝大多数是瞬时性的采用自动重合闸装置，在故障发生后，由继电保护装置启动断路器把故障线路切除，待故障消失后，又立即自动将这一线路重新投入运行，使系统恢复双回线供电，提高了系统的功率极限，有利于保持暂态稳定，同时也提高了供电的可靠性。

2.2.3改善原动机的调节特性
电力系统受到大扰动后，由于发电机输出的电磁功率突然变化，而原动机的功率由于惯性及调速器的时滞等原因，功率不不可能及时相应变化，从而造成了发电机轴上功率的不平衡，引起发电机产生剧烈的相对运动，甚至破坏系统的稳定性。

如果原动机调速系统能实行快速调节，使它的功率变化能接近跟上电磁功率的变化，则机组轴上的不平衡功率便可减小，从而防止暂态稳定性的破坏。

此外，对于并联运行发电机组，也可在故障发生后切除部分发电机组，以减少过剩功率，或采用机械制动的方法来消耗掉一部分原动机的机械功率。

2.2.4采用电气制动
所谓“电气制动”，就是在送端发电机附近装设一电阻性负载，当系统发生短路故障而引起发电机产生过剩功率时，自动地投入这一电阻负荷以吸收过剩功率，抑制发电机的加速，因而，提高了电力系统的暂态稳定性。

3.结论
电力系统是由发电、供电和用电设备组合在一起的一个整体，各设备之间相互关联，某一个设备运行情况变化(如参数改变、发生事故等)，都会影响到其他设备，有时甚至会波及整个电力系统。

因此，当电力系统的生产秩序遭受扰乱时，系统应能自动地迅速消除扰乱，继续正常工作，这就是电力系统应该具备的稳定运行能力。

这种能力的大小取决于系统结构、设备性能和运行参数等多方面的因素。

换言之，对于具体的电力系统，保持稳定运行的能力有大小，如果超过能力的限度，电力系统就会失去稳定，发电机就不能正常发电，用户就不能正常用电，并且引起系统运行参数的巨大变化，往往会造成大面积停电事故。

可见电力系统稳定运行是关系安全生产的重大问题。

电压与无功功率的重要作用
1、电压与无功功率的重要作用
电力系统的经济、安全、稳定运行，与控制电压技术及调节无功功率分不开的。

电压是电能质量的重要标志。

供给用户的电压与额定电压值的偏移不超过规定的数值，是电力系统运行调整的基本任务之一。

各种用电设备是按照额定电压来设计制造的，只有在额定电压下运行
才能取得最佳的工作效率。

电压质量对电力系统本身有影响。

当电压过高时：会对负荷的运行带来不良影响；影响产品的质量和产量，损坏设备；各种电气设备绝缘会损坏，在超高压输电线路中还将增加电晕损耗；甚至会引起电力系统电压崩溃，造成大面积停电。

电压降低时：会使电网中的有功功率损耗和能量损耗增加，过低还会危及电力系统运行的稳定性。

无论是作为负荷用电设备还是电力系统本身，都要求能在一定的额定电压水平下工作。

从技术和经济上综合考虑，规定各类用户的允许电压偏移是完全必要的。

电力系统中无功功率平衡是保证电力系统电压质量的基本前提。

对于运行中的所有设备，要求系统无功功率电源所发出的无功功率(∑QG)与无功功率负荷(∑QD)及无功功率损耗(∑QL)相平衡，即
∑QG=∑QD+∑QL
而无功功率电源在电力系统中的合理分布是充分利用无功电源、改善电压质量和减少网络有功损耗的重要条件。

无功功率的产生基本上是不消耗能源的，但无功功率沿输电线路上传送却要引起无功功率的损耗和电压的损耗。

无功功率电源的最优控制目的在于控制各无功电源之间的分配，合理的配置无功功率补偿设备和容量以改变电力网络中的无功功率分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善负荷用户的电压质量。

2、电力系统的无功功率电源有：
2.1、同步发电机
同步发电机目前是电力系统唯一的有功功率电源，它又是基本的无功功率电源。

它只有在额定电压、额定电流、额定功率因数下运行时，视在功率才能到达额定值，发电机容量才能得到最充分的利用。

当电力系统中有一定备用有功电源时，可以将离负荷中心近的发电机低于额定功率因数运行，适当降低有功功率输出而多发一些无功功率，这样有利于提高电力系统电压水平。

2.2、同步调相机及同步电动机
同步调相机是特殊运行状态下的同步电动机，可视为不带有功负荷的同步发电机或是不带机械负荷的同步电动机。

因此充分利用用户所拥有的同步电动机的作用，使其过激运行，对提高电力系统的电压水平也是有利的。

2.3、静电电容器
静电电容器从电力系统吸收容性的无功功率，也就是说可以向电力系统提供感性的无功功率，因此可视为无功功率电源。

电容器的容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，并且可以分相补偿，随时投入、切除部分或全部电容器组，运行灵活。

电容器的有功损耗小（约占额定容量的0.3％～0.5％），投资也节省。

2.4、静止无功功率补偿器
静止无功功率补偿器是一种发展很快的无功功率补偿装置。

它可以根据负荷的变化，自动调整所吸收的电流，使端电压维持不变，并能快速、平滑的调节无功功率的大小和方向，以满足动态无功功率补偿要求，尤其对冲击性适应性较好。

与同步调相机相比较，运行维护简单，功率损耗较小，能够做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化。

其缺点是最大无功补偿量正比于端电压的平方，在电压很低时，无功补偿量将大大降低。

3、电力系统电压控制的方式
在电力系统无功功率平衡中，为了保证系统有较高的电压水平，必须要有充足的无功功率电源。

但是要使所有用户处的电压质量都符合要求，还必须采用各种调压控制手段。

3.1、发电机控制调压
控制发电机的励磁电流，可以改变发电机的端电压。

发电机允许在端电压偏移额定值不超过±5%的范围内运行。

对于由发电机直接供电的小系统，供电线路不长，输电线路上的电压损耗不大时，可以采用发电机直接控制电压方式，以满足负荷电压要求。

它不需要增加额外的
设备，因此是最经济合理的控制电压措施，应优先考虑。

但是输电线路较长、多电压等级的网络并且有地方负荷的情况下，仅仅依靠发电机控制调压已不能满足负荷电压质量的要求，且在大型电力系统中仅仅作为一种辅助性的控制措施。

3.2、控制变压器变比调压
一般电力变压器都有可以控制调整的分接抽头，调整分接抽头的位置可以控制变压器的变比。

在高压电网中，各个节点的电压与无功功率的分布有着密切的关系，通过控制变压器变化来改变负荷节点电压，实质上是改变了无功功率的分布。

变压器本身并不是无功功率电源，因此，从整个电力系统来看，控制变压器变比调压是以全电力系统无功功率电源充足为基本条件的，当电力系统无功功率电源不足时，仅仅依靠改变变压器变比是不能到达控制电压效果的。

3.3、利用无功功率补偿设备调压
并联补偿设备有调相机、静止补偿器、电容器，它们的作用都是在重负荷时发出感性无功功率，补偿负荷的需要，减少由于输送这些感性无功功率而在输电线路上产生的电压降落，提高负荷端的输出电压
3.4、利用串联电容器控制调压
一般用于供电电压为35KV或10KV、负荷波动大而频繁、功率因数又很低的输配电线路。

它是在输电线路上串联接入电容器，利用电容器上容抗补偿输电线路中的感抗，使电压损耗后的分量减少，从而提高输电线路末端的电压。

如图：无功功率负荷增大时所抬高的末端电压将增大，无功功率负荷减小时所抬高的末端电压将减小。

而无功功率负荷增大将导致末端电压下降，此时也正是需要升高末端电压。

但是对于负荷功率因数高或者输电线路导线截面小的线路，线路电抗对电压损耗影响较小，故串联电容补偿控制调压效果小。

因此利用串联电容补偿调压一般用于供电电压为35KV或10KV，负荷波动大而频繁，功率因数又很低的输配电线路。

电力系统的几种稳定状态
2009-11-15 11:20
1．电力系统稳定性
电力系统稳定性可分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定。

(1)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。

(2)电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢得到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。

(3)电力系统动态稳定是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。

远距离输电线路的输电能力受这3种稳定能力的限制，有一个极限。

它既不能等于或超过静态稳定极限，也不能超过暂态稳定极限和动态稳定极限。

在我国，由于网架结构薄弱，暂态稳定问题较突出，因而线路输送能力相对国外来说要小一些。

2．提高系统稳定的基本措施
提高系统稳定的措施可以分为两大类：一类是加强网架结构；另一类是提高系统稳定的控制和采用保护装置。

(1)加强电网网架，提高系统稳定。

线路输送功率能力与线路两端电压之积成正比，而与线路阻抗成反比。

减少线路电抗和维持电压，可提高系统稳定性。

增加输电线回路数、采用紧凑型线路都可减少线路阻抗，前者造价较高。

在线路上装设串联电容是一种有效的减少线路阻抗的方法，比增加线路回路数要经济。

串连电容的容抗占线路电抗的百分数称为补偿度，一般在50％左右，过高将容易引起次同步振荡。

在长线路中间装设静止无功补偿装置（SVC），能有效地保持线路中间电压水平（相当于长线路变成两段短线路），并快速调整系统无功，是提高系统稳定性的重要手段。

(2)电力系统稳定控制和保护装置。

提高电力系统稳定性的控制可包括两个方面：①失去稳定前，采取措施提高系统的稳定性；②失去稳定后，采取措施重新恢复新的稳定运行。

下面介绍几种主要的稳定控制措施。

发电机励磁系统及控制。

发电机励磁系统是电力系统正常运行必不可少的重要设备，同时，在故障状态能快速调节发电机机端电压，促进电压、电磁功率摆动的快速平息。

因此，充分发挥其改善系统稳定的潜力是提高系统稳定性最经济的措施，国外得到普遍重视。

常规励磁系统采用PID调节并附加电力系统稳定器（PSS），既可提高静态稳定又可阻尼低频振荡，提高动态稳定性。

目前国外较多的是采用快速高顶值可控硅励磁系统，配以高放大倍数调节器和PSS装置，这样可同时提高静态、暂态和动态3种稳定性。

电气制动及其控制装置。

在系统发生故障瞬间，送端发电机输出电磁功率下降，而原动机功率不变，产生过剩功率，使发电机与系统间的功角加大，如不采取措施，发电机将失步。

在短路瞬间投入与发电机并联的制动电阻，吸收剩余功率（即电气制动），是一种有效的提高暂态稳定的措施。

快关汽门及其控制。

在系统发生故障时，另一项减少功率不平衡的措施是快关汽门，以减少发电机输入功率。

用控制汽轮机的中间阀门实现快关汽门可有效提高暂态稳定性。

但是，它的实现要解决比较复杂的技术问题，是否采用快关措施要进行研究和比较。

此外还有在送端切机，同时在受端切负荷来提高整个系统的稳定性，以保证绝大多数用户的连续供电。

继电保护及重合闸装置。

它是提高电力系统暂态稳定的重要的有效措施之一。

对继电保护的要求是：无故障时保护装置不误动，发生故障时可靠动作。

它的正确选择、快速切除故障可使电力系统尽快恢复正常运行状态。

高压线路上发生的大多数故障是瞬时性短路故障。

继电保护装置动作，跳断路器，断开线路，使线路处于无电压状态，电弧就能自动熄灭。

在绝缘恢复后，重新将断开的线路投入，恢复供电。

这种自动重合断路器的措施称为自动重合闸。

它分为单相和三相重合闸，也是一项显著提高暂态稳定性的措施。

电力系统的暂态稳定是指受到较大的干扰之后，同步电机能够保持同步运行，并且能够过渡到新的或者恢复原来的稳态运行方式的能力。

动态稳定是只受到较小或者较大的干扰之后，能够在自动调节和控制装置的作用下，保持长久的运行稳定的能力。

有些书上又把动态稳定和暂态稳定混淆了，其中还涉及到一个静态稳定。

电力系统的阻尼转矩在电力运行稳定导则中说的很少，可能是我了解的不够，它实际上就是说对防止电力系统振荡的，能恢复稳定运行的一种能
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。

静态稳定电力系统受到小干扰后不发生自激振荡和非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。

常用小振荡法分析静态稳定以确定电力系统的稳定性和输送功率极限，检验在给定运行方式下的稳定储备。

稳定判据在小干扰的条件下，电力系统的稳定决定于发电机转子的动力特性，可用转子的运动方程描述
[197-01]式中为旋转质量的惯量矩；[197-02]为转子的角速度；为作用在转子上的过剩转矩;为原动机力矩;为电磁转矩。

同步发电
机的电磁转矩与它的有功功率成正比,[197-03],式中[197-04]sin 为电磁功率,它与系统电压、发电机电动势及功角(为与之间的相位角）的正弦函数成正比，与发电机电抗及系统联系总阻抗之和成反比。

如果用有功功率对功角的函数关系，可画成一正弦函数曲线（见图[有功功率与功角的关
系]）,在图中还可以画一平行横坐标的直线,它被称为原动机功率曲线。

由和在图中构成的功角特性曲线的两个平衡点a和b可。