第二章 电力系统的运行状态及

当采用快速响应的可控硅励磁调节器，输入信号仅用发电机端子电压时，会 使电力系统产生弱阻尼或负阻尼而引起电力系统增幅震荡，导致不稳定。若在励 磁系统中引入其它附加信号，可以增强电力系统的阻尼。 这类信号由电力系统稳定器提供：
转速偏差 频率偏差f 输入信号 加速功率偏差Pa 电功率偏差Pe
水轮发电机转子运动示意图
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2-3 研究电力系统稳定的基本模型
同步发电机转子磁极绕线示意图
凸极机 水轮机 转速低(一般在750r/mim以下)
水轮发电机转子结构示意图
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2-3 研究电力系统稳定的基本模型
一、同步发电机基本机构及模型 发电机定子： 有3相电枢绕组（空间位置相差120 ）
不仅控制发电机端电压，还控制发电机的功率因数和电流等参数
（1）稳态运行时
a)保持发电机在运行中的电压恒定； b)同步发电机并列运行时调节无功功率的分配； c)提高输电线路静态稳定极限，扩大稳定范围； d)可以阻尼和抑制低频震荡。
（2）暂态过程中
a)负荷剧烈变化时，调节发电机输出电压； b)系统状态不稳定时，可以强行励磁，提高系统稳定性。
180
当 当
dPe 0 系统临界稳定 d dPe 0 系统是不稳定的 d
dPe EqU 0 整步功率 cos d X
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三、电力系统暂态稳定分析
G
P e
以发电机内电势E q 表示的功率方程式为：

B
Pe
EqU 0 X 12
sin
Pm 0
A
P T
当 当
A B A Bmax
转子已将加速期间 储存的动能还给系统 发电机失去稳定
t 1 t 0 t 2

O
0 2 3
' 0 1

加速面积： A 减速面积： B
Pm0 Pesin dt Pesin Pm0 dt
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t 1
一、定义： 静态稳定：在一个特定的稳定运行的条件下，电力系统受到任何一个小
的扰动，经过一段时间，它能够自动恢复到或者靠近小扰动 前的运行条件。
暂态稳定：在一个特定的稳态运行条件下，电力系统受到一个特定的大
干扰后，能够从原来的运行状态不失去同步地过渡到另一个 允许的稳态运行条件。
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二、电力系统静态稳定分析
传递函数GM ( s ) TW 1 sTW PM ( s ) ( s ) 1 0.5sTW
KPE L H T2 A
K 量纲折算系数 PE 水轮机电磁功率 A 压力管道截面积
水轮机及发电机总效率
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2-4 提高和改善电力系统稳定性的控制技术
电力系统稳定性是限制交流远距离输电和输送能力的决定 因素之一。 因故
传感器
相位补偿
信号复归
放大限幅
信号测量
四、原动机调速系统模型
电力系统频率正比于原动机转速。 调速系统由量测、放大、执行三个环节组成。 量测环节的输入控制变量： , Pe , Pe
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汽轮机模型：
汽容效应（调节气门与第一级喷嘴存在管道和空间）
再热器
阀门 开度
联箱
中 低 低 轴
高压 蒸汽室
功角在空间上表现为发电机转子磁场轴线与定子合成磁场轴线 之间夹角。
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用图示功角的双重物理意义
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在发电机运行时, E0超前U ( 00 ), 转子磁极轴线超前定子合成 磁极轴线一个 角。稳定运行时，转子磁极拖动定子合成磁极同步旋 转，定子合成磁极给转子磁极一个反作用力（制动转矩）。
转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制 动转矩而作功,实现机电能量转换,将由原动机输入的 机械能转变为电能输出。
功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发 电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通 过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。
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静态稳定储备
Pmax PT 储备系数： K P 100% PT
PT
为原动机输入的电磁功率
对静态稳定储备系数的要求： 正常运行情况下应大于15% 事故后要求不小于5%
K A 和 T A分别为该环节的放大倍数和时间常数。
转子电压软负反馈
KF S FF TF S 1
K F 和 TF 分别为该环节的放大倍数和时间常数。
其作用是提高控制调节系统的稳定性品质，输出量大小与转子电压的变化率有关。
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三、电力系统稳定器模型（Power System Stabilizer,PSS）
Pe
Pm 0
功角特性曲线
a
b
PT
大于 0 时，转子转速上升，转子加 速， 趋于无穷大。 小于 0 时，转子转速下降，转子制 动， 趋于无穷大。
0
a 90 b
180

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二、电力系统静态稳定分析
发电机输出的电磁功率方程：
G
Pe
X
Eq U 0 X
sin
f min f f max U i min U i U i max PGi min PGi PGi max QGi min QGi QGi max Sij min Sij Sij max
有功电源：发电机
无功电源：并联电容器 同步调相机
同步电动机 静止补偿器
1
二、电力系统运行状态分类
Pm
P2
PM
P 1 ——原动机输入机械功率
PFe
PCu1
PM ——机械损耗（轴间摩擦、空气摩擦、通风设备） PFe ——定子铁心损耗 Pm ——电磁功率Pe PCu1 ——带载运行时的定子铜耗 P2 ——发电机输出功率
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遭受微小扰动后a、b两个运行点的过渡过程分析： a点：(静态稳定工作点)： 大于 0 时，转子转速上升，转子制动， 趋于0。 小于 0 时，转子转速下降，转子加速， 趋于0。 b点： (静态不稳定工作点)
同步发电机转子磁极绕线示意图
凸/隐极机 汽轮机 转速高(一般为3000r/mim)
汽轮发电机转子结构示意图
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2-3 研究电力系统稳定的基本模型
同步发电机转子磁极绕线示意图
凸/隐极机 汽轮机 转速高(一般为3000r/mim)
汽轮发电机转子绕组绕线结构示意图
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2-3 研究电力系统稳定的基本模型
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同步发电机励磁系统的组成
励磁功率单元：由直流励磁机或交流励磁机加可控整流器，也可是交流变压器
加可控整流器构成
励磁调节单元：由自动电压调节器（AVR）、电力系统稳定器（PSS）及其附属
电路和设备构成
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按励磁电流提供方式不同： （1）直流机励磁系统
由带有整流子的直流发电机供电 电刷是约束，100MW以上机组很少使用 时间常数大，电压响应速度较慢
高
去凝汽室
1-轴；2-叶轮；3-动叶片；4-喷嘴
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汽轮机模型：
以给定功率为输入量 以蒸汽量为输出量
传递函数GT
KT 1 sTch
引进600MW汽轮发电机
国产300MW汽轮发电机
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水轮机模型：
水锤现象（水流在水轮机及引水管中有惯性）
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水轮机模型：
考虑水锤现象
输入量：导叶开度
输出量：水轮机功率
为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变 化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。
因此，励磁系统的原有功能：
电压低，励磁电流 电压高，励磁电流
进行阻尼系统振荡 目前，励磁系统已演变成多功 扩大静态稳定范围 能、多变量的控制器 改善暂态特性
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二、励磁系统模型
现代励磁控制的作用：
Pe
Pm 0
功角特性曲线
a
Pmax
b
PT
0
a 90 b
180

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整步功率特性曲线
Pe
dPe d

EqU 0 X
根据上面在点a及点b能否稳定运 行分析，得出静态稳定判据：
功角 与发电机电磁功率 P 的增量有 e 相同符号时， dPe 即 0 系统是静态稳定的 d
0

90
2-3 研究电力系统稳定的基本模型
同步发电机基本原理
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2-3 研究电力系统稳定的基本模型
同步发电机基本原理
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2-3 研究电力系统稳定的基本模型
同步发电机定子绕线示意图
定子有3相电枢绕组（空间位置相差120 ）
转子有励磁和若干阻尼绕组
。
汽轮发电机转子结构示意图
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2-3 研究电力系统稳定的基本模型
发电机输出的电磁功率方程：
G
Pe
X
Eq U 0 X
sin
功角在时间上表示励磁电势和受电端电压之间的相角差；
根据同步发电机相量图，推导同步发电机输出电磁 功率方程
' ' E U jx t dI q ' ' X I cos E q sin d ' Eq Ut Pe U t I cos sin ' Xd
5
因为：
I
所以：
二、电力系统静态稳定分析
发电机输出的电磁功率方程：
G
Pe
X
Eq U 0 X
sin
Pe
a
功角特性曲线
Pm 0
b
P T
0
a 90 b
180

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二、电力系统静态稳定分析