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电力系统稳定分析的对象是系统在扰动后的动态响应过程,与通常采用代数方程形式描述的潮流和故障分析问题在思考方式和分析方法上都有本质的不同,所涉及到的物理概念和数学工具也有很大的区别。本书系统地介绍了电力系统稳定的基本概念和分析方法,初学者可以通过本书由浅入深地逐步建立电力系统稳定的基本概念,掌握稳定分析的基本思路和方法,专业人员则可以通过本书中对重要知识点的深入分析和探讨进一步加深对稳定问题的理解。
内容简介
本书共分七章,分别为概述、电力系统的主要元件特性、电力系统静态稳定、电力系统暂态稳定、电力系统暂态稳定分析的直接法、电力系统电压稳定、电力系统频率稳定,并包含一个附录:稳定性分析的数学基础。
本书的目的是帮助读者掌握电力系统稳定的基本概念和基本分析方法,讲解中既注重数学推导,也注重分析概念和公式的物理意义,并配有适当数目的例题和习题。可作为高等院校相关专业本科生教材和研究生参考书。
作者简介
闵勇,清华大学教授、博士生导师。1984年清华大学电机系本科毕业,1990年在清华大学电机系获博士学位。曾任清华大学电机系柔性输配电系统研究所所长、电力系统研究所所长、清华大学电气工程学位分委员会主席、清华大学电机系系主任,现任清华大学低碳能源实验室副主任、电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室副主任、国家科技部“十二五”国家科技重点专项(智能电网专项)专家组组长。主要从事电力系统动态过程分析、微电网技术、新能源接入和智能电网等方面的研究工作。在国内外期刊和会议上共发表学术论文140多篇。曾获国家科技进步二等奖一项,省部级科技进步二等奖两项。
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目录
第 1章概述 1
11稳定问题的提出和研究内容 1
111电力系统联网的效益 1
112电力系统稳定问题的提出 2
113稳定研究的内容 3
12电力系统稳定的基本概念 4
121电力系统运行的稳定性 4
122电力系统稳定问题的概念和分类 5
13电力系统稳定研究的对象和方法 9
第 2章电力系统的主要元件特性 11
21同步发电机的机电特性 11
211同步发电机转子运动方程 11
212发电机惯性时间常数 14
213发电机的电磁转矩和功角方程 16
214转子绕组的电磁暂态过程及方程 32
22同步发电机的阻尼特性 33
23发电机自动励磁调节系统 35
231励磁系统的作用 35
232主励磁系统 36
233自动励磁调节系统 40
24发电机自动调速系统 42
241原动机特性 42
242自动调速装置 44
25负荷特性 48
251考虑机械暂态过程时异步电动机的动态特性 49
252考虑机电暂态过程时异步电动机的动态特性 51
253典型综合负荷的描述形式 52
254负荷的静态特性 53
练习题 55
第 3章电力系统静态稳定 57
31静态稳定的基本概念 57
32单机无穷大系统静态稳定 57
321理想情况分析 57
322单机无穷大系统的特征根分析法 64
33调节装置对静态稳定的影响 70
331不连续调节励磁对静态稳定的影响 71
332自动连续励磁调节对静态稳定的影响 73
333自动调速系统对静态稳定的影响 93
34复杂系统的静态稳定性 95
341两机系统的静态稳定性分析 95
342多机系统的静态稳定性分析 99
35负荷的静态稳定性 103
351异步电动机的转矩 -滑差特性分析 103
352异步电动机的无功 -电压特性分析 104
36提高静态稳定的措施 106
361采用先进的自动励磁调节系统 106
362减少系统元件的电抗 106
363改善系统网络结构和维持电压的能力 107
练习题 108
第 4章电力系统暂态稳定 109
41暂态稳定的基本概念 109
42单机无穷大系统的暂态稳定性 111
421单机无穷大系统扰动前后的功率特性 111
422暂态稳定过程的物理过程分析 113
423等面积定则 116
424转子运动方程的求解 121
43自动调节系统对暂态稳定性的影响 125
431自动励磁调节系统的影响 125
432考虑励磁调节装置作用时的暂态稳定分析 126
433自动调速装置的作用 127
44复杂系统暂态稳定计算 128
441求解方法 129
442系统模型 130
443算法实现 134
45提高暂态稳定性的措施 135
练习题 137
第 5章电力系统暂态稳定分析的直接法 138
51引言 138
52单机无穷大系统的直接法分析 141
521问题描述 141
522单机无穷大系统的稳定域 142
523能量函数方法 145
524能量函数法的保守性 148
53直接法在多机电力系统中的应用 152
531多机电力系统中的能量函数 152
532 PEBS方法 155
533 BCU方法 157
534稳定边界的二次曲面近似方法 158
535其他方法 160
第 6章电力系统电压稳定 161
61电力系统电压稳定性的基本概念 161
62电力系统电压稳定性的分析方法 162
621静态电压稳定分析的基本方法 162
622临界功率与电压崩溃 168
63电力系统电压稳定性防治措施 177
第 7章电力系统频率稳定 180
71引言 180
72电力系统频率的基本概念 181
721传统的信号频率定义 181
722电力系统中的频率概念 182
73电力系统频率调整 184
731发电机功率频率静态特性 184
732负荷频率静态特性 185
733电力系统的频率调整 186
74电力系统频率动态过程分析 188
741单机模型下的频率动态过程分析 188
742两机系统频率动态过程的分析 191
743多机系统频率动态过程的分析 194
75频率紧急控制 199
751电力系统紧急控制的概念 199
752低频减载方案及其动作效果 200
附录 A稳定性分析的数学基础 205
A1常微分方程组 205
A11常微分方程组解的性质 205
A12常微分方程组的数值解法 206
A2动力系统的基本知识 208
A21自治系统与非自治系统 208
A22平衡点、不变集、极限集 209
A23非线性自治系统在平衡点处的线性化处理 210
A3稳定性的基本概念 212
A31自治系统零解的稳定性 213
A32线性系统的稳定性 214
A4非线性动力系统的稳定域理论 216
A41自治系统平衡点的分类 216
A42稳定流形、不稳定流形和稳定域 217
A43李雅普诺夫函数和能量函数 218
A44稳定域的拓扑结构 219
参考文献 221
图 11单电源系统 1
图 12简单互联系统 1
图 13 IEEE/CIGRE电力系统稳定问题分类 6
图 14我国电力系统中目前使用的稳定问题分类 8
图 21发电机 δ和 ω、ωN的关系 12
图 22 abc坐标到 dq0坐标 16
图 23单机无穷大系统接线图 18
图 24隐极机相量图 19
图 25 Eq恒定时隐极机的功角特性曲线 20
图 26 Eq; 恒定时隐极机功角特性曲线 22
图 27例 21的系统图 22
图 28例 21的功角特性曲线图 24
图 29凸极机相量图 24
图 210 Eq恒定时凸极发电机功角特性曲线 25
图 211 Eq; 恒定时凸极发电机功角特性曲线 25
图 212例 22的功角特性曲线图 26
图 213两机系统示意图 27
图 214两机系统功角特性 27
图 215例 23的两机系统接线图 28
图 216例 23的两机系统的星形等值网络 29
图 217例 23的两机系统的三角形等值网络 29
图 218例 23的两机系统的功角特性曲线 30
图 219带电阻的单机无穷大系统 30
图 220单机无穷大系统计及电阻时的功角特性 31
图 221转子回路磁链分布示意图 32
图 222考虑不同绕组时发电机的阻尼特性 34
图 223汽轮发电机电磁阻尼转矩的各分量 34
图 224增加励磁电流对发电机运行的影响 35
图 225最简单的直流励磁机励磁系统 36
图 226具有副励磁机的直流励磁机励磁系统 37
图 227他励式静止半导体励磁系统 37
图 228他励直流发电机励磁系统 38
图 229励磁机的负载特性曲线 38
图 230他励直流励磁机传递函数框图 40
图 231饱和特性示意图 40
图 232可控硅励磁调节器原理框图 40
图 233可控硅励磁调节器传递函数框图 41
图 234汽轮机结构示意图 42
图 235汽轮机传递函数框图 43
图 236水轮发电机示意图 43
图 237水锤效应示意图 43
图 238离心飞摆式调速器工作原理图 44
图 239机械液压式调速器框图 46
图 240功频电液式调速器原理图 47
图 241功频电液式调速器框图 47
图 242异步电动机等值电路 50
图 243异步电动机的转矩 -滑差特性 51
图 244暂态电势表示的异步机等值电路 51
图 245典型综合负荷示意图 52
图 246题 22的系统图 55
图 247题 24的系统图 56
图 248题 25的系统图 56
图 31单机无穷大系统接线图 58
图 32单机无穷大系统相量图 58
图 33单机无穷大系统功角特性曲线 58
图 34无阻尼时的转子角和转速动态过程 59
图 35有阻尼时的转子角动态过程 59
图 36失稳情况下的转子角动态过程 60
图 37同步功率系数的变化特性 61
图 38 Eq恒定时凸极机的功角特性曲线 61
图 39 Eq; 恒定时发电机的功角特性曲线 61
图 310例 31的系统图 62
图 311单机无穷大系统中的发电机框图 65
图 312考虑阻尼作用时的发电机框图 68
图 313不连续调节励磁的动作情况示意图 71
图 314发电机相量图 72
图 315简化的励磁调节系统 74
图 316带励磁调节器的发电机框图 77
图 317 K1、K2及 K4 ~ K6随运行工况的变化趋势 78
图 318例 36的相量图 79
图 319 KA = KA min时系统失稳的示意图 86
图 320电磁转矩 ΔTE与转子角 Δδ的关系 86
图 321常规励磁系统中参数对阻尼转矩系数 KED的影响 89
图 322 PSS原理示意图 91
图 323比例式励磁调节过程示意图 92
图 324不同励磁调节方式的比较 93
图 325带调速器的单机无穷大系统框图 94
图 326两机系统示意图 95
图 327两机系统的功角特性 96
图 328多机电力系统示意图 99
图 329电力系统元件接口及描述方式 103
图 330异步电动机的转矩 -滑差特性 104
图 331单机带异步电动机系统接线图 104
图 332单机带异步电动机系统等值电路 104
图 333异步电动机的无功 -电压特性 105
图 334串联电容补偿 107
图 335调相机对静态稳定性的影响 108
图 336题 31的系统图 108
图 337题 32的系统图 108
图 338题 33的系统图 108
图 41单机无穷大系统及其等值电路 112
图 42功率特性曲线和运行点的变化 114
图 43稳定情况下的振荡过程 115
图 44发电机运行点的转移过程 115
图 45故障切除时间太长的情形 115
图 46失稳情况下的振荡过程 116
图 47单机无穷大系统考虑重合闸时的面积图形 118
图 48例 41的系统图 119
图 49例 41的等值电路 120
图 410分段计算法示意图 122
图 411分段计算法中操作的处理 124
图 412扰动发生后发电机运行点的转移 125
图 413扰动发生后发电机运行点的转移 (多次振荡) 126
图 414励磁调节器简化框图 127
图 415快关汽门提高系统暂态稳定性的作用 128
图 416暂态稳定计算中的系统模型示意图 130
图 417暂态稳定计算的简化程序框图 135
图 418题 41的系统图 137
图 419题 42的系统图 137
图 420题 43的系统图 137
图 51稳定边界组成示意图 143
图 52单机无穷大系统的实际稳定域 (小阻尼系数时) 144
图 53单机无穷大系统的实际稳定域 (大阻尼系数时) 144
图 54稳定域、稳定轨线和不稳定轨线 144
图 55单机无穷大系统中的势能函数 U(δ) 147
图 56单机无穷大系统能量函数的三维图 147
图 57沿故障中和故障后轨线计算的能量函数 148
图 58真实稳定域和估计稳定域 148
图 59 V˙L(x)《 0的说明图 149
图 510基于 LaSalle不变集原理得到的稳定域估计 149
图 511轨线的出点和决定临界能量的 UEP不在同一个方向的情况 150
图 512采用主导 UEP决定临界能量 151
图 513二阶梯度系统中的 U(δ)函数的等势面 156
图 61单电源带负荷系统模型 163
图 62刚性负荷的 (Pn,Qn)图 164
图 63刚性负荷时系统平衡点的分布区域 164
图 64各种负荷特性对应的系统平衡点区域分布情况 165
图 65等效可变导纳负荷的系统模型 166
图 66单机经线路带负荷系统 166
图 67系统的无功电压特性曲线 166
图 68系统无功电压特性曲线与负荷无功电压特性曲线 167
图 69系统无功电压特性与负荷无功电压特性的相对位置 169
图 610电压崩溃案例 (Nago,1975) 170
图 611例 61的系统接线及其等值电路 171
图 612例 61的负荷无功电压特性与系统无功电压特性 173
图 613例 62的系统接线及其等值电路图 173
图 614例 62的电压特性曲线 174
图 615负荷的有功电压特性曲线与系统无功电压特性曲线 175
图 616负荷电导不变,电纳增加时负荷无功电压特性曲线与系统无功电压特性曲线 176
电力系统稳定分析:动态行为的探索与保障 电力系统,这个现代文明跳动的脉搏,其运行的稳定与可靠是社会经济正常运转的基石。从发电厂输出的源源不断的电能,到横跨千山万水的输电线路,再到千家万户的终端用户,每一个环节都与稳定息息相关。一旦系统发生扰动,如发电机组跳闸、线路故障或负荷突变,可能引发一系列连锁反应,导致电压跌落、频率波动,甚至大范围停电,带来难以估量的损失。因此,深入理解电力系统的动态行为,掌握分析和控制其稳定性的方法,成为电气工程领域永恒的课题。 本书(指非《电力系统稳定分析/清华大学电气工程系列教材》的内容)致力于为您展现电力系统稳定分析这一核心领域的广阔图景。我们将从最基础的物理概念出发,层层递进,逐步揭示电力系统在不同扰动下所呈现出的复杂动态特性。这不是一本枯燥的理论堆砌,而是一次引导您深入理解系统本质、掌握实用分析工具的旅程。 第一篇:基石——电力系统动力学基础 万丈高楼平地起,电力系统的动力学分析同样需要坚实的基础。本篇将为您铺设理解系统稳定性的“地基”。 从经典到现代的视角: 我们将回顾电力系统稳定分析的发展历程,从早期基于微分方程的经典方法,到现代考虑更广泛因素的先进技术,让您对这一领域有一个宏观的认识。我们将探讨早期研究者们是如何在有限的计算能力下,抓住系统稳定性的关键要素,为后来的发展奠定理论基石。 核心要素的解析: 同步发电机动态: 同步发电机是电力系统能量的源头,其内部的电磁耦合、机械运动以及旋转惯量,是系统动态行为最直接的体现。我们将详细解析发电机的转子运动方程,阐述同步力矩、阻尼力矩等关键概念,并通过模型分析,揭示发电机在扰动下的响应特性。例如,当电网发生瞬时故障时,发电机的转子会如何加速或减速?这些变化又如何影响整个系统的频率?我们将通过数学模型和物理过程的结合,清晰地解释这一切。 负荷特性: 负荷并非一成不变,其对电压和频率的敏感性是影响系统稳定的重要因素。我们将探讨不同类型负荷(如感性负荷、容性负荷、恒功率负荷等)的动态模型,分析它们在电压和频率波动时的表现,以及这些表现如何进一步加剧或缓解系统的动态变化。例如,当电网电压下降时,某些感性负荷的功率需求可能会增加,从而进一步压低电压,形成恶性循环。 输电线路与电气连接: 输电线路不仅仅是能量的通道,其参数(电阻、电抗、电纳)以及互联拓扑结构,也深刻影响着系统的动态响应。我们将介绍集总参数模型和分布参数模型,分析线路参数对功率传输能力和系统阻尼的影响。同时,我们也会探讨不同线路连接方式对系统整体稳定性的作用。 能量守恒与功角概念的深化: 功角是衡量发电机组相对于同步旋转参考系的相对位置,它直接反映了发电机组的功率输出状态。我们将从能量守恒的视角出发,深入分析功角动态方程,阐述瞬时功率平衡在维持系统稳定中的作用。我们将揭示为何功角失步是导致系统失稳的根本原因之一。 第二篇:失稳的预警——暂态稳定分析 突发性的大扰动是电力系统面临的严峻挑战,暂态稳定分析便是应对这些挑战的关键。本篇将聚焦于系统在遭遇瞬时剧烈扰动后的动态响应,以及如何评估其能否在短时间内恢复正常运行。 扰动类型与后果: 我们将系统性地梳理电力系统中可能发生的各类暂态扰动,包括: 三相短路: 这是最严重的一种故障,会对系统产生瞬间的巨大冲击。我们将分析不同位置(母线、线路)的三相短路,以及它们对发电机功角、系统电压的影响。 线路跳闸: 无论是意外跳闸还是人为切除,线路的突然消失都会改变系统的潮流分布,引发新的功率平衡问题。 发电机组或负荷的突然增减: 这些突变会打破原有的功率平衡,迫使系统进行快速的动态调整。 “最坏情况”下的考验: 暂态稳定分析的核心在于“最坏情况”下的考验,即系统能否经受住最大可能扰动的影响。我们将详细介绍: 功角稳定性判据: 面积判据是暂态稳定分析的经典方法,我们将在本篇中对其进行详细阐述和应用。我们将展示如何通过比较故障期间的“加速面积”和故障清除后的“减速面积”,来判断系统是否会发生功角失步。 数值仿真技术: 随着计算机技术的发展,数值仿真已成为暂态稳定分析的重要手段。我们将介绍常用的数值积分方法,以及如何通过仿真软件模拟系统在扰动下的动态过程,直观地观察电压、频率、功角等关键参数的变化轨迹。 稳定裕度的评估: 确保系统稳定运行,不仅要知道系统是否稳定,更要了解其“稳定”的程度。我们将探讨稳定裕度的概念,以及如何通过各种计算方法来量化系统的暂态稳定裕度。理解稳定裕度,有助于我们对系统的运行状况做出更准确的判断,并为安全调度提供依据。 第三篇:持久的威胁——稳态与动态稳定 除了突发性的大扰动,电力系统还面临着持续存在的稳定问题,如电压稳定性和动态稳定性。本篇将深入探讨这些“慢”而“广”的挑战。 电压稳定性的本质: 电压是衡量电力系统服务质量的重要指标,电压的过低或过高都会对用电设备造成损害,甚至引发系统性崩溃。我们将从功率潮流分析入手,剖析电压稳定性的形成机制,探讨其与负荷特性、输电线路参数、无功功率补偿等因素的关系。我们将重点介绍: 无功功率的调控: 无功功率是维持电压水平的关键,我们将探讨静止无功补偿器 (SVC)、动态无功补偿器 (DVS)、柔性交流输电系统 (FACTS) 等先进装置在无功功率补偿和电压稳定中的作用。 电压稳定分析方法: 我们将介绍P-V曲线、Q-V曲线等分析工具,帮助读者理解电压稳定极限,以及如何通过这些工具来评估系统的电压稳定水平。 动态稳定性的多维度考量: 动态稳定性指的是系统在持续的、较小的扰动下,能否保持稳态运行的能力。这包括: 小信号稳定性分析: 我们将引入线性化方法,对系统的动态方程进行小信号分析,探讨系统的固有振荡模态。通过特征值分析,我们可以识别出可能导致系统不稳定的低频振荡。 阻尼振荡的挑战: 电力系统普遍存在低频振荡,若得不到有效抑制,可能导致大范围的功率波动甚至解列。我们将深入研究振荡的产生机理,并介绍多种抑制振荡的方法,包括: 励磁系统控制: 励磁系统是调控发电机电压和功率输出的重要手段,我们将分析不同类型励磁系统(如DC1A, AC1A等)的设计原理及其对系统阻尼的影响。 电力系统稳定器 (PSS): PSS是一种专门用于改善系统阻尼的控制器,我们将详细介绍其工作原理、设计方法及其在实际应用中的效果。 FACTS装置的应用: 除了无功补偿,FACTS装置在抑制系统振荡方面也发挥着重要作用,我们将探讨其在提高系统动态稳定性方面的潜力。 第四篇:保障的利器——继电保护与安全自动装置 再完善的系统分析,最终都需要落实到实际的保护与控制层面。本篇将聚焦于电力系统的“安全卫士”——继电保护与安全自动装置。 保护的基本原理与类型: 我们将从基础理论出发,解释继电保护的“测、比、动、断”四字诀,即测量、比较、动作、断开。在此基础上,我们将介绍不同类型的保护装置,如: 过电流保护: 这是最基本、最广泛应用的保护方式,我们将深入分析其动作特性和局限性。 差动保护: 差动保护具有灵敏、速动、选择性好的特点,适用于发电机、变压器、线路等关键设备的保护。 距离保护: 距离保护通过测量故障阻抗来判断故障位置,具有较高的灵敏度和选择性,是线路保护的重要手段。 稳定控制的“最后一道防线”: 继电保护与安全自动装置并非仅仅是故障的“事后反应”,它们更是维持系统稳定的“主动参与者”。我们将重点探讨: 故障切除时机与影响: 故障的快速、准确切除是防止故障蔓延、恢复系统稳定的关键。我们将分析不同保护装置的动作时间和速度对系统动态稳定性的影响。 自动装置的应用: 除了传统的继电保护,我们还将介绍自动重合闸、自动减负荷、自动补偿等安全自动装置,它们能够在特定情况下自动采取措施,维护系统安全运行。例如,当线路发生瞬时故障后,自动重合闸可以尝试重新合闸,若故障瞬时消失,则系统得以恢复。 集成化与智能化: 随着技术发展,现代保护与控制系统正朝着集成化、智能化的方向发展。我们将简要介绍数字化变电站、智能电网保护技术等前沿概念。 结语 电力系统的稳定运行,是保障现代社会正常运转的生命线。本书(指非《电力系统稳定分析/清华大学电气工程系列教材》的内容)希望通过系统性的讲解,帮助您建立起对电力系统动力学行为的深刻理解,掌握分析和评估系统稳定性的基本方法,并了解保障系统安全的关键技术。无论您是电气工程专业的学生,还是电力系统的从业人员,亦或是对电力系统充满好奇的读者,我们都希望本书能为您提供有益的知识和启迪,共同为构建更加稳定、可靠的电力未来贡献力量。