第七讲 电力系统稳定性问题概述和发电机的机电特性

7-3-1 无自动励磁调节器时发电机端电压的变化
对于无自动励磁调节 器的发电机，当负荷增大， 即功角δ 增加时，发电机 端电压 会U降G 低；反之， 当负荷减小时，发电机端 电压会升高，使发电机端 电压在运行时不断的波动， 1 0 对系统和用户都会产生不 利的影响。所以，发电机 必须装设自动励磁调节器。
7-2-2 用电角度和功率标么值表示的转子运动方程
M a
TJ
0
d
dt
TJ
0
d 2
dt 2
P
PT Pe
式中
TJ －发电机组的惯性时间常数，单位为s（秒）；
TJ

2.74GD2n2
1000S
2 N
ω －电角速度，单位为rad/s（弧度/秒）；
δ －电角位移；
xd
xd

xT1

1 2
xL

xT
2
⑶ 该系统的功角特性关系为:
Pe

EqU xd
sin

⑷ 该系统的功角特性曲线
Pe
PT P0




a
b

图7-1 简单电力系统结线图及功角特性
⑸ 受扰动后功率角随时间变化情况

b

a
a
图7-2 受扰动后功率角随时间变化情况
第七讲 电力系统稳定性问题概述和发电机的机电特性
7-1 概述 7-2 发电机转子运动方程 7-3 自动励磁调节器对功角特性的影响
引言
1、同步运行状态：系统中所有并联运行的同步电机 都具有相同的电角速度。
2、电力系统的稳定性包括：静态稳定和暂态稳定。
3、电力系统静态稳定：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。
定，电力系统正常运行方式和正常检修运行方式 下，kp≥16%~20%；在事故后的运行方式和特殊 的运行方式时 kp ≥10%。
7-1-2 电力系统暂态稳定的基本概念
电力系统暂态稳定是研究电力系统受到大的扰 动后经过一个暂态过程能否达到新的稳定运行状态 或恢复到原来的运行状态的能力。由大扰动引起的 电力系统暂态过程是一个由电磁暂态过程和发电组 转子机械运动暂态过程交织在一起的复杂过程。
中无功功率随电压变化的规律。
⑴ 电源的静态电压特性 ① 同步发电机 隐极式同步发电机的无功功率功角特性为
QEq
U2
xd

EqU xd
cos
图13-3 同步发电机的静态特性
② 调相机
将调相机看成是功角为零的发电机，它没有 有功的输出，它输出的无功功率为：
QEq

EqU xd
U2 xd
由上式得 QEq 随电压U的变化率为：
100
正常运行时，kU % 10 ~ 16 ；事故后，kU % 8 。
2、静态频率特性
静态频率特性是指频率缓慢变化或变化后进入稳 态时，系统中有功功率随频率而变化的规律。
⑴ 电源的静态频率特性
电源的静态频率特性实际上
也是原动机的静态频率特性，当
不计频率二次调整时，电源静态
频率特性如图7-8中1-2-3所示。
7-1-3 负荷稳定的概念
负荷稳定性是电力系统中电压或频率微小变化时， 负荷和电源的无功功率和有功功率能否保持平衡或恢 复平衡。负荷稳定性和发电机组并列运行的稳定性密 切相关，负荷稳定性的破坏会引起系统“电压崩溃” 或“频率崩溃”，从而引起电力系统的瓦解。
1、静态电压特性 静态电压特性是指电压缓慢变化进入稳态时系统
图7-9 电力系统综合负荷的静态 频率特性
⑶ 电力系统频率的稳定性
系统中所有电源综合的 有功功率静态频率特性如图 中曲线PG ；所有负荷综合 的有功功率静态频率特性如 图中曲线PL。
a点是稳定运行点，b点是 不稳定运行点， c 点是临 界点，与c对应的频率就 是频率稳极限或称临界频 率。
图7-10 频率的稳定性
UG ＝常数的调节器。
Baidu Nhomakorabea
频率稳定的判据是 P d (PG PL ) 0
f
df
7-2 发电机转子运动方程 7-2-1 用机械角度和功率有名值表示的转子运动方程
M a

J

J
d dt
式中
α－转子的机械角加速度（rad/s²）； Ω－转子的机械角速度（rad/s）； J－发电机组转子的转动惯量（kg·m²）； t－时间（s）。
UG(0)＝常数的功角特性曲线。
(0)
U Gm

U
图7-12 自动调节励磁系统对功角特性的影响
实际运行中，自动励磁系统并不能完全保持发
电机端电压UG不变，而是UG将随功率P及功角δ的
增大有所下降。介于保持Eq与UG 之间的某一电势
为常数，例如发电机暂态电势 Eq 为常数。如图1312中所示。由于 Eq m UGm ， PEqm PUGm ,所以， 维持 Eq ＝常数的自动励磁调节器的性能不如维持
当计及发电厂中一些重要厂用机
械，如水泵、风机等的输出时，
在较低频率范围内，电源有功功
率随频率下降得更加迅速，如图
13-8中2-3′所示。
图7-8 电源有功功率的静态频率特性曲线
⑵ 负荷的静态频率特性
电力系统综合负荷中， 电热炉和整流设备消耗的有 功功率与频率无关， 照明 负荷占综合负荷的比重较小。 因此，系统综合负荷有功功 率的静态频率特性主要是异 步电动机和同步电动机。电 力系统综合负荷的有功功率 和无功功率的静态频率特性 如图所示。
ΔP* －不平衡功率标么值； PT* －原动机输入功率标么值；
Pe* －发电机输出电磁功率标么值。
TJ的物理意义
在电力系统稳定计算时，TJ 不易从手册中直接查到，当
全系统的功率基准值选为SB ，发电机自身额定功率为SN时，
TJ 的归算值
TJ
TJ
SN SB
一般汽轮发电机组的TJ为8~16s，水轮发电机组的TJ为4~8s，同 步调相机的TJ为2~4s。
TJ的物理意义：当给发电机转子施加额定转矩后，其转子从静 止状态达到额定转速所需的时间。
13-3 自动励磁调节器对功角特性的影响
电力系统中的发电机都装有自动励磁调节 器，其主要作用是当系统中的负荷变化时， 自动地调节发电机转子的励磁电流，以维持 发电机端电压为某一特定值，防止电压随负 荷的变化而波动。
U
功率将随端电压的下降而减小
图7-4 调相机的静态电压特性曲线
③ 电容器 静态电压特性曲线是一过原点的抛物线。电容器
中有功功率损耗近似为零。
⑵ 负荷的静态电压特性
电力系统中的负荷大 部分为异步电动机，此外 还有同步电动机、电热炉、 整流设备、照明等。根据 电力系统中综合负荷绘制 了静态电压特性曲线。
4、电力系统暂态稳定：电力系统受到大干扰后，各 同步发电机能保持同步运行，并过渡到新的或恢复 到原来稳态运行方式的能力。
7-1 概述
7-1-1 电力系统静态稳定的基本概念 1、简单电力系统 ⑴ 系统图
隐极式发电机
双回输电线路
升压变压器
无
限
降压变压器
大 系
统
⑵ 该系统等值电路如图(b)所示
其等效电抗为:
⑹ 结论： ① 对简单电力系统，当0º<δ<90º，时，电力系
统可保持静态稳定运行，在此范围内， dPe>0；而 900<δ<180º时，电力系统不能保持静态稳定d 运行， 在此范围内， <d0P，e 由此得到电力系统静态稳定 的实用判据为: d
dPe 0
d
② 发电机在一定的运行条件下可发出最大的功 率，称为稳定功率极限：
QEq Eq 2U
U
xd
结论：
① 过励运行时，若Eq >2U ， QEq 0，调相机输出的无功功
U
率随端电压的下降而减小。
② 过励运行时，若U<Eq <2U， QEq 0，调相机输出的无功功
U
率将随端电压的下降而增大。
③ 欠励运行时，若Eq <U， QEq 0 ，调相机输入的无功
PM

EqU xd
③ c点是发电机运行稳定与不稳定的临界点，实 际运行时，要求发电机运行点与功率极限要有一定的 距离，即保持有一定的稳定储备系数，以便系统有能 力应付经常出现的一些干扰而不致丧失静态稳定。
⑻ 静态稳定储备系数定义为
kp

PM Pe
Pe
100%
我国现行的《电力系统安全稳定导则》中规
经分析得结论：
① 在a点，QUEq 0，静态是稳定的；
② 在b点，QEq 0 ，静态是不稳定的。
U
电压稳定的判据是：QEq 0
U
③ c点是稳定的临界点，临界点对应的电压称电压 稳定极限，又称临界电压，用UCr 表示。
④ 静态电压稳定的储备系数为
kU %

U (0) U cr U (0)
图7-11无励磁调节器的隐极机端电压相量图
7-3-2 自动励磁调节器对功角特性的影响
功率P 和功角δ增大、 U
UG下降时，自动调节励磁
系统将自动增大发电机的励
磁电流，使发电机空载电势
Eq 增大，直到发电机端电 压恢复到原来的数值UG(0)或 接近于UG(0)为止。当功率连 续变化时，便得到一条保持
图7-5工业城市综合负荷的静态电压特性曲线
⑶ 电力系统的电压稳定性 变电所的高压母线为一电压中枢点。设此母线上
负荷的无功功率静态电压特性曲线如图中曲线QL；该 母线上电源的无功功率静态电压特性曲线如图中曲线 QG。QG与QL 的差值为ΔQ，即ΔQ＝QG－QL 。
图7-6 电力系统接线
图7-7 电压的稳定性