1、第一节第一节 稳定性基本概念稳定性基本概念 60 60年代以来，国际上出现过多次大年代以来，国际上出现过多次大面积停电事故。例如，面积停电事故。例如，19771977年年7 7月月1313日，日，美国纽约电力系统由于遭受雷击，保护装美国纽约电力系统由于遭受雷击，保护装置不正确动作，调度中心掌握信息不足以置不正确动作，调度中心掌握信息不足以及通信困难等原因，造成事故的连锁发展及通信困难等原因，造成事故的连锁发展和扩大，致使全系统瓦解。事故前后延续和扩大，致使全系统瓦解。事故前后延续25h25h，影响，影响900900万居民供电，直接和间接经万居民供电，直接和间接经济损失达济损失达3 35 5亿美
2、元。亿美元。1978 1978年，在意大利发生切除年，在意大利发生切除25002500万万kWkW负荷负荷达达1 1小时的事故。小时的事故。19781978年，法国发生切除年，法国发生切除30003000万万kWkW负荷（其中负荷（其中7070为法国电力系统负荷）长为法国电力系统负荷）长达达30min30min以上的事故。以上的事故。19801980年，南斯拉夫发生年，南斯拉夫发生一次系统性事故，一次系统性事故，7070负荷停电，为了回复供负荷停电，为了回复供电从邻国获得电从邻国获得9090万万kWkW的电力的电力一、基本概念一、基本概念 电力系统中各同步发电机只有在同步运行状电力系统中各同步
3、发电机只有在同步运行状态下，其送出的电功率为定值，同时在电力系统态下，其送出的电功率为定值，同时在电力系统中各节点的电压及支路的功率潮流也都是定值，中各节点的电压及支路的功率潮流也都是定值，这就是电力系统的稳定运行状态。反之，如果电这就是电力系统的稳定运行状态。反之，如果电力系统中各发电机间不能保持同步，则发电机送力系统中各发电机间不能保持同步，则发电机送出的电功率和全系统各节点电压及支路的功率将出的电功率和全系统各节点电压及支路的功率将发生很大幅度的波动，如果不能使电力系统中各发生很大幅度的波动，如果不能使电力系统中各发电机间恢复同步运行，电力系统将持续地处于发电机间恢复同步运行，电力系统将
4、持续地处于失步状态，即电力系统失去稳定的状态，保证电失步状态，即电力系统失去稳定的状态，保证电力系统稳定是电力系统正常运行的必要条件。只力系统稳定是电力系统正常运行的必要条件。只有在保持电力稳定的条件下，电力系统才能不间有在保持电力稳定的条件下，电力系统才能不间断地向各类用户提供合乎质量要求的电能。断地向各类用户提供合乎质量要求的电能。电力系统稳定问题的出现最早应追溯到电力系统稳定问题的出现最早应追溯到本世纪初。当同步发电机由单机运行发展到本世纪初。当同步发电机由单机运行发展到与其他同步发电机并列运行后，就出现了同与其他同步发电机并列运行后，就出现了同步发电机间并列运行的稳定性，也就是电力步发
5、电机间并列运行的稳定性，也就是电力系统稳定问题。开始时，由于电网比较紧凑，系统稳定问题。开始时，由于电网比较紧凑，同步发电机间的电气联系比较紧密，所以只同步发电机间的电气联系比较紧密，所以只有在少数特殊情况下才出现稳定问题。随着有在少数特殊情况下才出现稳定问题。随着电力系统规模的扩大，传输距离越来越长，电力系统规模的扩大，传输距离越来越长，特别使从远方水电厂到负荷中心的长距离输特别使从远方水电厂到负荷中心的长距离输电线的出现，由于发电机间的联系比较松散，电线的出现，由于发电机间的联系比较松散，就出现了输送功率的稳定极限问题。就出现了输送功率的稳定极限问题。电力系统稳定性问题就是当系统在某电力系
6、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，能否一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间回到原来的运行状态或者经过一定的时间回到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳态运行状态的问题。如过渡到一个新的稳态运行状态的问题。如果能够，则认为系统在该正常运行方式下果能够，则认为系统在该正常运行方式下是稳定的。反之，若系统不能回到原来的是稳定的。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运行状态或者不能建立一个新的稳态运行状态，而是随着时间不断增大或振荡，则状态，而是随着时间不断增大或振荡，则系统是不稳定的。系统是不稳定的。下面如图的简单系统为例来加以说明下面如
7、图的简单系统为例来加以说明稳定性概念。稳定性概念。到目前为止，国际上还没有统一的有关电到目前为止，国际上还没有统一的有关电力系统稳定的分类标准。电力系统稳定一般力系统稳定的分类标准。电力系统稳定一般按电力系统承受干扰的大小分为静态和暂态按电力系统承受干扰的大小分为静态和暂态稳定两大类。所谓小干扰或大干扰只是相对稳定两大类。所谓小干扰或大干扰只是相对的和有条件的区分，很难用具体的数值来给的和有条件的区分，很难用具体的数值来给定。小干扰一般指正常的负荷波动；大干扰定。小干扰一般指正常的负荷波动；大干扰则用以指电力系统各元件中的短路故障或突则用以指电力系统各元件中的短路故障或突然断开等。然断开等。小
8、干扰对系统行为特性的影响一般与小干扰对系统行为特性的影响一般与干扰的大小和发生的地点无关，在稳定运干扰的大小和发生的地点无关，在稳定运行的周围，可以使系统线性化，其研究结行的周围，可以使系统线性化，其研究结果不是确定电力系统、运行参数对原始稳果不是确定电力系统、运行参数对原始稳态运行值的偏移值，而是确定运行参数变态运行值的偏移值，而是确定运行参数变化的性质，得出稳定或不稳定的结论。大化的性质，得出稳定或不稳定的结论。大干扰时，电力系统的运行参数将发生很大干扰时，电力系统的运行参数将发生很大的偏移和振荡，所以必须考虑电力系统的的偏移和振荡，所以必须考虑电力系统的非线性特性，从电力系统的机电暂态过
9、程非线性特性，从电力系统的机电暂态过程来判断系统稳定性。来判断系统稳定性。1981 1981年水力电力部制订的年水力电力部制订的电力系统安全电力系统安全稳定导则稳定导则中对电力系统稳定作了如下规定：中对电力系统稳定作了如下规定：1 1）电力系统静态稳定是指电力系统受到小）电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰，不发生非周期性的失步，自动恢复到起干扰，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。始运行状态的能力。2 2）电力系统暂态稳定是指电力系统受到大）电力系统暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定
10、运行方式的能力。通常新的或恢复到原来稳定运行方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。指第一或第二振荡周期不失步。3 3）电力系统动态稳定是指电力系统受到干）电力系统动态稳定是指电力系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。第二节第二节 电力系统的静电力系统的静态稳定态稳定 电力系统静态稳定是指电力系统受到小电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰，不发生自振荡或非周期性的失步，自干扰，不发生自振荡或非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。电力系统几动恢复到起始运行状态的能力。电力系统几乎时时刻刻受到小的干扰。例如，个别电动乎时时刻刻受到小的干
11、扰。例如，个别电动机的接入和切除或加负荷、减负荷；又如架机的接入和切除或加负荷、减负荷；又如架空输电线路因风吹摆动引起的线间距离（影空输电线路因风吹摆动引起的线间距离（影响线路电抗）的微小变化；另外，发电机转响线路电抗）的微小变化；另外，发电机转子的旋转速度也不是绝对均匀的。因此电力子的旋转速度也不是绝对均匀的。因此电力系统静态稳定问题实际上就是确定系统的某系统静态稳定问题实际上就是确定系统的某个运行稳态能否保持的问题。个运行稳态能否保持的问题。一、简单电力系统的功角特性一、简单电力系统的功角特性二、静态稳定分析二、静态稳定分析1系统运行点的静态稳定性系统运行点的静态稳定性 若不计原动机调速器
12、的作用，则原动若不计原动机调速器的作用，则原动机的机械功率不变机的机械功率不变P PT T。假定在某一正常运。假定在某一正常运行情况下，发电机向无限大系统输送的功行情况下，发电机向无限大系统输送的功率为率为P P0 0，由于忽略了电阻损耗以及机组的，由于忽略了电阻损耗以及机组的摩擦、风阻等损耗，摩擦、风阻等损耗，P P0 0即等于原动机的机即等于原动机的机械功率。由图可以看出，当输送械功率。由图可以看出，当输送P P0 0时，可时，可能由两个运行点能由两个运行点a a和和b b（即由两个（即由两个值，其值，其P PE E=P=P0 0=P=PT T）。）。（1）先分析）先分析a点的运行情况点的
13、运行情况 如图所示，如果系统中出现某种瞬时如图所示，如果系统中出现某种瞬时的微小扰动，使功角的微小扰动，使功角增加了一个微小增增加了一个微小增量量，则发电机输出的电磁功率达到与，则发电机输出的电磁功率达到与图中图中aa相对应的值。这时，由于原动机的相对应的值。这时，由于原动机的机械功率机械功率P PT T保持不变，仍为保持不变，仍为P P0 0，因此，发电，因此，发电机输出的电磁功率大于原动机的机械功率，机输出的电磁功率大于原动机的机械功率，即转子过剩转矩为负值，因而，发电机转即转子过剩转矩为负值，因而，发电机转子将减速，子将减速，将减小。由于在转动过程中将减小。由于在转动过程中存在阻尼作用，
14、经过一系列微小振荡后运存在阻尼作用，经过一系列微小振荡后运行点又回到运行行点又回到运行a a点。点。同样，如果小扰动使同样，如果小扰动使减小了，则发减小了，则发电机输出的电磁功率为点电机输出的电磁功率为点a a 的对应值，的对应值，这时输出的电磁功率小于输入的机械功率，这时输出的电磁功率小于输入的机械功率，转子过剩转矩为正，转子将加速，转子过剩转矩为正，转子将加速，将将增加。同样经过一系列振荡后又回到运行增加。同样经过一系列振荡后又回到运行点点a a。由上可见，在运行点。由上可见，在运行点a a，当系统受到，当系统受到小扰动后能够自行恢复到原先的平衡状态，小扰动后能够自行恢复到原先的平衡状态，
15、因此系统使静态稳定的。因此系统使静态稳定的。（2）分析）分析b点的运行情况点的运行情况 b b点的运行情况则完全不同，如果小扰动点的运行情况则完全不同，如果小扰动使使b b有个增量有个增量，则发电机输出的电磁功，则发电机输出的电磁功率将减少到与率将减少到与bb对应的值，小于机械功率。对应的值，小于机械功率。过剩的转矩为正，功角将进一步增大。而功过剩的转矩为正，功角将进一步增大。而功角增大时，与之对应的电磁功率又将进一步角增大时，与之对应的电磁功率又将进一步减小。这样继续下去，功角不断增大，运行减小。这样继续下去，功角不断增大，运行点不再回到点不再回到b b点。点。的不断增大标志着发电的不断增大
16、标志着发电机与无限大系统周期性的失去同步，系统中机与无限大系统周期性的失去同步，系统中电流、电压和功率大幅度地波动，系统无法电流、电压和功率大幅度地波动，系统无法正常运行，最终导致系统瓦解。正常运行，最终导致系统瓦解。如果小扰动使如果小扰动使b b有个负的增量有个负的增量，情况又不同，电磁功率将增加到与情况又不同，电磁功率将增加到与bb对对应的值，大于机械功率，因而转子减速，应的值，大于机械功率，因而转子减速，将减小，一直减小到小于将减小，一直减小到小于a a，转子将获，转子将获得加速，然后又经过一系列振荡，在得加速，然后又经过一系列振荡，在a a点抵点抵达新的平衡。运行点也不再回到达新的平衡
17、。运行点也不再回到b b点。因此，点。因此，对于对于b b点而言，在受到小扰动后，不是转移点而言，在受到小扰动后，不是转移到运行点到运行点a a，就是与系统失去同步，故，就是与系统失去同步，故b b点点是不稳定的，即系统本身没有能力维持在是不稳定的，即系统本身没有能力维持在b b点运行。点运行。2、静态稳定判断、静态稳定判断 （1 1）静态稳定判据）静态稳定判据 我们进一步观察我们进一步观察a a、b b两个点的异同，两个点的异同，以便于找出某些规律来判断系统的稳定与以便于找出某些规律来判断系统的稳定与否。否。a a、b b两点对应的电磁功率都等于两点对应的电磁功率都等于P0P0，这是它们的共
18、同点。但是这是它们的共同点。但是a a点对应的功角点对应的功角a a小于小于9090，在，在a a点运行时，随着功角点运行时，随着功角的增大电磁功率也增大，随功角的增大电磁功率也增大，随功角的减小的减小电磁功率也减少。而电磁功率也减少。而b b点对应的功角点对应的功角b b则则大于大于9090，在，在b b点运行时，随功角点运行时，随功角的增的增大电磁功率反而减少，随功角大电磁功率反而减少，随功角的减小电的减小电磁功率反而增大。磁功率反而增大。换言之，在换言之，在a a点，两个变量点，两个变量P PE E与与的符的符号相同，则号相同，则P PE E /00，或改写成，或改写成dPdPE E /
19、d d00（可简写成（可简写成dPdP /d/d00 ）；在）；在b b点，两点，两个变量个变量P PE E与与的符号相反，则的符号相反，则P PE E /00或或dPdPE E /d/d000时，系统时，系统时稳定的；时稳定的；dPdPE E /d/d00时，系统是不稳的。时，系统是不稳的。即根据即根据dPdPE E /d/d是否大于零可以判断系统静是否大于零可以判断系统静态稳定与否。态稳定与否。综上所述，对于目前所讨论的简单系综上所述，对于目前所讨论的简单系统，其静态稳定的判据为：统，其静态稳定的判据为：0EdPd(2)(2)比整步功率比整步功率通常把通常把cosqdE UdPdx称为比整
20、步功率，其称为比整步功率，其大小可以说明发电机维持同步运行的能力，大小可以说明发电机维持同步运行的能力，即说明静态稳定的程度。由功率公式可以即说明静态稳定的程度。由功率公式可以求得：求得：dPd 当当 90 90时，比整步功率为正值，时，比整步功率为正值，在这个范围内发电机的运行是稳定的；但在这个范围内发电机的运行是稳定的；但当当越接近越接近9090，比整步功率就越小，稳，比整步功率就越小，稳定的程度就越低；当定的程度就越低；当=90=90时，时，=0=0，这，这是稳定与不稳定的分界点，正好在这一点是稳定与不稳定的分界点，正好在这一点达到功率极限达到功率极限P PM M(见图见图4-4)4-4
21、)。将此点称将此点称为静态稳定极限点，与之对应的功率称为为静态稳定极限点，与之对应的功率称为静态稳定极限。静态稳定极限。（3 3）静态稳定储备系数）静态稳定储备系数 在实际运行时，为了整个系统的安全在实际运行时，为了整个系统的安全运行，应该使运行点离稳定极限有一定的运行，应该使运行点离稳定极限有一定的距离，即保持有一定的稳定储备，以便使距离，即保持有一定的稳定储备，以便使系统有能力应付经常出现的一些扰动而不系统有能力应付经常出现的一些扰动而不致丧失静态稳定，稳定储备的大小通常用致丧失静态稳定，稳定储备的大小通常用静态稳定储备系数来表示，即：静态稳定储备系数来表示，即：%10000MpPPPK式
22、中式中 P P0 0 某一运行方式下输送功率某一运行方式下输送功率,MW;,MW;P PM M静态稳定极限，静态稳定极限，MWMW。通常可以认为，通常可以认为，K Kp p值的大小表示了值的大小表示了电力系统由功角特性所确定的静态稳电力系统由功角特性所确定的静态稳定度。定度。K Kp p越大，系统静态稳定程度越越大，系统静态稳定程度越高，但输送功率却受到限制。反之，高，但输送功率却受到限制。反之，K Kp p值过小，则系统静态稳定程度小，值过小，则系统静态稳定程度小，大大降低了系统运行的可靠性。大大降低了系统运行的可靠性。我国现行的我国现行的电力系统安全稳定导电力系统安全稳定导则则规定，系统在
23、正常运行方式下规定，系统在正常运行方式下K Kp p应不应不小于小于15152020；在事故后的运行方式下，；在事故后的运行方式下，K Kp p不应小于不应小于1010。所谓事故后的运行方式，。所谓事故后的运行方式，是指事故后系统尚未恢复到它原始的正常是指事故后系统尚未恢复到它原始的正常运行方式的情况，此时由于部分设备运行方式的情况，此时由于部分设备(包包括发电机、变压器、线路等括发电机、变压器、线路等)退出运行，退出运行，可以暂时降低对稳定储备的要求，但应尽可以暂时降低对稳定储备的要求，但应尽快地采取措施以恢复系统正常运行。快地采取措施以恢复系统正常运行。三、提高系统静态稳定性的措施三、提高
24、系统静态稳定性的措施 功率极限值越高，静态稳定储备越大，则系功率极限值越高，静态稳定储备越大，则系统的静态稳定性越高。因此，总的来看，提统的静态稳定性越高。因此，总的来看，提高电力系统的静态稳定性，主要在于提高稳高电力系统的静态稳定性，主要在于提高稳定功率极限，也就是提高传输功率极限。定功率极限，也就是提高传输功率极限。%10000MpPPPK由式由式可知，发电机稳定可知，发电机稳定 极限值，可以从提高系统电压、发电机的极限值，可以从提高系统电压、发电机的端电势端电势E0和减少系统各元件的电抗这三方和减少系统各元件的电抗这三方面着手。下面分别从这几方面分析，提出面着手。下面分别从这几方面分析，提出提高电力系统静态稳定性的措施。提高电力系统静态稳定性的措施。qMdEUPx由式由式可知，要提高功率可知，要提高功率 1 1提高系统电压提高系统电压U U 2 2提高发电机的端电势提高发电机的端电势E E0 0 3 3减小系统各元件的电抗以提高功率极限减小系统各元件的电抗以提高功率极限 （1 1）减小发电机电抗。）减小发电机电抗。（2 2）减小变压器电抗。）减小变压器电抗。（3 3）减小输电线路的电抗，这是具有实际）减小输电线路的电抗，这是具有实际意义的一种途径。意义的一种途径。a a）采用分裂导线）采用分裂导线 b b）采用串联电容补偿）采用串联电容补偿
