电力系统机电暂态过程分析

1、第二篇第二篇 电力系统机电暂态过程电力系统机电暂态过程分析分析 第六章第六章 稳定性问题概述和各元件的稳定性问题概述和各元件的机电特性机电特性 第一节第一节 概述概述 机电暂态过程主要是电力系统的稳定性问题。电力系机电暂态过程主要是电力系统的稳定性问题。电力系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，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者过渡扰后，能否经过一定的时间后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。到一个新的稳态运行状态的问题。 tt0 反之，若系统不能回到反之，若系统不能回到原来的运行状态或者不能

2、建原来的运行状态或者不能建立一个新的稳态运行状态，立一个新的稳态运行状态，则说明系统的状态变量没有则说明系统的状态变量没有一个稳态值，而是随时间不一个稳态值，而是随时间不断增大或振荡，系统是不稳断增大或振荡，系统是不稳定的。定的。 如果能够，则认为系统在该正常运行状态下是稳定如果能够，则认为系统在该正常运行状态下是稳定的。的。稳定的概念稳定的概念 简单系统（单机无穷大系统）简单系统（单机无穷大系统） U=U=常数常数 等值电路等值电路 qEdjx1TjxLjx2Tjx 0UU 相量图相量图 IU q qI Iq q q当当角变化，则电流、各点电角变化，则电流、各点电压和功率变化。压和功率变化。

3、当当Eq、U、不同步，不同步，角不断变角不断变化，则电流、化，则电流、电压、功率振荡。电压、功率振荡。 电力系统失去稳定后，继电保护动作，将会造成电力系统失去稳定后，继电保护动作，将会造成大面积停电。大面积停电。 在干扰（短路、切机等）影响下，在干扰（短路、切机等）影响下，Mt=Pt-Pe0,Mt=Pt-Pe0,使使得发电机运行状态变化。得发电机运行状态变化。 研究方法：研究方法： 1 1 静态稳定分析：自动控制理论的方法静态稳定分析：自动控制理论的方法 微分方程线性化（小干扰法）微分方程线性化（小干扰法） 研究线性微分方程特征根（频域法）研究线性微分方程特征根（频域法）2 2暂态稳定分析：暂

4、态稳定分析： 非线性微分方程数值解法（时域法）非线性微分方程数值解法（时域法） 大干扰下不适合线性化大干扰下不适合线性化第二节第二节 同步发电机组的机电特性同步发电机组的机电特性 一转子运动方程一转子运动方程 MdtdJJ J J：转动惯量；转动惯量；：角加速度；角加速度；：机械角速度；机械角速度；M M：不平衡转矩不平衡转矩 221okJW 额定转速下的转子动能额定转速下的转子动能 MdtdWdtdJk 202取转矩基准值取转矩基准值 0 BBSM*002022MdtdSWdtdSWBkBk 机械角速度机械角速度与电气角速度与电气角速度间的关系为：间的关系为： p *0022MdtdSWdt

5、pdpSWBkBk BkJSWT2 取取 - -惯性时间常数惯性时间常数*0MdtdTJ 则则 计及计及 0 dtddtddtd 22和和 *ETETETPPPPMMM 转子运动方程为转子运动方程为 *220ETJPPdtdT 或状态方程形式：或状态方程形式： 0 dtd)(*0ETJPPTdtd 惯性时间常数的意义惯性时间常数的意义反映发电机转子机械惯性的重要参数反映发电机转子机械惯性的重要参数BBkJSJSWT202 220 JWkTJ是转子在额定转速下的动能的两倍除以基准功率是转子在额定转速下的动能的两倍除以基准功率令令 0 BBSM MdtdTMdtdSJSMMMMdtdJJNBBB0

6、000取取MT*=1，Me*=0，则则1 M JNJNTdtMdT010当发电机空载时，如原动机将一个数值等于当发电机空载时，如原动机将一个数值等于MN的恒定转矩的恒定转矩（MT*1）加到转子上，则转子从静止状态启动到额定值加到转子上，则转子从静止状态启动到额定值时所需的时间。时所需的时间。在稳定计算中，当已选好全系统统一的基准功率在稳定计算中，当已选好全系统统一的基准功率SBBNiJNiJiSSTT 几台发电机合并成一台等值发电机几台发电机合并成一台等值发电机 niJiBNnJNnNJNNJNJTSSTSTSTT12211二电磁转矩二电磁转矩M ME E和电磁功率和电磁功率P PE E 机端

7、功率：机端功率： 003iuiuiuiuiuiuPqqddccbbaa dqqdqqddqdiiiiiiriri )3()3(0020221 1电阻消耗的功率电阻消耗的功率 2 2 磁场能量变化释放的功率磁场能量变化释放的功率 3 3 经气隙经气隙传递的功率传递的功率 电磁功率：电磁功率： qddqEiiP 电磁转矩：电磁转矩： qddqEEiiPM 稳定分析中的近似简化：稳定分析中的近似简化： 1 1因直流分量和负序电流对转子绕组的平均转矩为零，所因直流分量和负序电流对转子绕组的平均转矩为零，所以以 不计（不计定子绕组的暂态过程）以及其谐波不计（不计定子绕组的暂态过程）以及其谐波 不计负序电

8、流及其谐波不计负序电流及其谐波 只考虑产生同步转矩的正序电流的影响只考虑产生同步转矩的正序电流的影响2 2r r = 0 = 0 （不计定子绕组的暂态过程，更无必要计及其衰减）不计定子绕组的暂态过程，更无必要计及其衰减）3 3 1 1以上简化的结果是：以上简化的结果是：只考虑定子的正序频电流时，电磁功率、电磁转矩为：只考虑定子的正序频电流时，电磁功率、电磁转矩为： ddqqEEUIUIMP （一）简单系统中发电机的功率（一）简单系统中发电机的功率 简单系统：简单系统：一台同步发电机与无限大容量电源组成的系统一台同步发电机与无限大容量电源组成的系统 = const TJ=xdxT1xLxT2xl

9、ldTLTddxxxxxxx 21ldTLTddxxxxxxx 211.1.隐极机的功角特性隐极机的功角特性 发电机用发电机用E Eq q、xd d表示表示 ( 即假设励磁回路电压、电流无变化，即假设励磁回路电压、电流无变化，Eq为常数）为常数） dqdqqdddqqxIUxIUxIUE0 sin dqddqqddddqqqqddExUExUEUxUUxUEIUIUPq 是正弦曲线，极限功率是正弦曲线，极限功率 ，极限功率角，极限功率角qEP dqslxUEP 90sl 发电机用发电机用Eq、xd表示表示 （不计阻尼时，暂态电动势在（不计阻尼时，暂态电动势在干扰的瞬间不变，并近似认为自动调节励

10、磁装置的作用干扰的瞬间不变，并近似认为自动调节励磁装置的作用能保持能保持Eq常数常数 dqdqqdddqqxIUxIUxIUE0 2sin2sin dddddqqdddddddqqddddqqqqddExxxxUxUEUUxxxxxUEUxUUxUEIUIUPq 是是的函数，极限功率角的函数，极限功率角 qEP 90sl 发电机用发电机用 表示表示dxE , dxI jUEqE qEUI E sincoscossindEdxUEUIPxIE其中，其中， )sin)1(sin)(sin11 ddddqxxEUExxI近似计算中，往往以近似计算中，往往以 代替代替 ，由，由 变化的趋势反映的变变化

11、的趋势反映的变化趋势。化趋势。 机端电压机端电压U UG G恒定恒定( (若自动调节励磁装置作用极强能保持若自动调节励磁装置作用极强能保持U UG GC C ）GlGUxUUPG sin 2 2凸极机的功角特性凸极机的功角特性 发电机用发电机用E Eq q、xd d表示表示 ( 即假设励磁回路电压、电流无变化，即假设励磁回路电压、电流无变化，Eq为常数）为常数） qqdddqqxIUxIUE0 2sin2sin qdqddqqdqdqdddqqqdddqqqqddExxxxUxUEUUxxxxxUEUxUUxUEIUIUPq极限功率角极限功率角9090 发电机用发电机用Eq、xd表示表示 （不

12、计阻尼时，暂态电动势在（不计阻尼时，暂态电动势在干扰的瞬间不变，并近似认为自动调节励磁装置的作用干扰的瞬间不变，并近似认为自动调节励磁装置的作用能保持能保持Eq常数常数 qqdddqqxIUxIUE0 2sin2sin qdqddqqdqdqdddqqqdddqqqqddExxxxUxUEUUxxxxxUEUxUUxUEIUIUPq 是是的函数，极限功率角的函数，极限功率角 qEP 90sl ( (二二) )、多机系统中发电机的功率、多机系统中发电机的功率 当发电机用当发电机用 表示表示dxE , njnijjijijijjiiiiijijijjiijnjjiiiiEYEEGEBGijEEYE

13、EIEP1121)sin()sincos(ReRe 导纳角导纳角 ijijijBGtg1 任一台发电机的功率角的改变，将引起全系统各机任一台发电机的功率角的改变，将引起全系统各机组电磁功率的变化。稳定分析是全系统的综合问题。组电磁功率的变化。稳定分析是全系统的综合问题。 两机系统两机系统 )sin(1212122111211 YEEGEPE)sin(12121221222221 YEEGEPE12PE2PE1三电势变化过程的方程式三电势变化过程的方程式励磁回路电压方程：励磁回路电压方程： ffffiru ffadfffadffadxxrxixurx dtEdTEEqdqqe 0)(dddqqx

14、xIEE )(0dddqqeqdxxIEEdtEdT 计及计及 第三节 自动调节励磁系统的原理和数学模型一主励磁系统一主励磁系统 （一）直流励磁机励磁（一）直流励磁机励磁 AVR( (二二) )交流励磁机励磁交流励磁机励磁 自并励励磁自并励励磁（三）主励磁机的方程和框图（三）主励磁机的方程和框图Gffuffiffrfu副励绕组中电流副励绕组中电流 的电磁惯性，的电磁惯性， 将按的时间常数将按的时间常数 滞滞后变化，即一阶惯性环节：后变化，即一阶惯性环节： ffiffuffffffrLT pTff11ffufu磁饱和现象用磁饱和现象用负反馈表示负反馈表示 -+pTff11ffu1ffkfu二自动

15、调节励磁装置二自动调节励磁装置 G量测滤波TATV励磁机综合放大移相触发晶闸管输出转子电压软负反馈其他信号ffuffu0GU量测滤波：电压互感器量测滤波：电压互感器是具有电抗的变压器，是具有电抗的变压器，惯性环节电流互感器，惯性环节电流互感器，有放大倍数有放大倍数 综合放大、移相触发、晶闸管输出：综合放大、移相触发、晶闸管输出：取为一阶惯性环节取为一阶惯性环节 软负反馈（软负反馈（PIDPID调节）：当变调节）：当变化快时调节使之变化慢些，与化快时调节使之变化慢些，与变化率成正比的调节，惯性微变化率成正比的调节，惯性微分环节分环节综合得：综合得： -k+-+-+-其他信号副励磁机输出1 pTp