湖南科技大学潇湘学院本科生毕业设计（论文）
图3.1 电力系统暂态稳定 图3.2电力系统暂态不稳定 在发生短路瞬间，由于不考虑定子回路的非周期分量，则周期分量的功率是可以突变的，于是发电机运行点有PI突然将为PII。又由于发电机组转子机械运动的惯性所致，功率角?不可能突变，仍为?0。那么运行点由a点跃降到短路时功-角特性曲线PII上的b点。达b点后，输入的机械功率Pm大于输出的电磁功率PIIb，不平衡净加速功率大于零。依转子运动方程式，于是转子开始加速，即???0，功率角?开始增大，???0，运行点将沿功-角特性曲线PII移动，设经过一段时间，当功率角增大至?c时，此时运行在c点，速度达到最大?max。若在c点事切除线路故障，在切除线路故障的瞬间，仍由于不考虑定子回路电流的非周期分量及机组转子的机械惯性，?为?c，运行点从PII上的c点突升到PIII上的e点，此时速度仍为?max。在达到e点后，机械功率Pm 7 湖南科技大学潇湘学院本科生毕业设计（论文） ?将继续减小，当过k点时Pm 当短路故障切除得迟些，?c更大时，在故障切除后，运行点沿功率PIII不断向功率角增大的方向移动过程中，虽然转子在不断减速，但运行点到达曲线PIII上的k'点时，转子的转速仍大于同步转速。于是运行点就要越过k'点，过了k'点后，情况发生逆转。由于Pm>PIII，发电机组转子又开始加速，而且加速度越来越大，功率转角?无限增大，发电机与系统之间将失去同步，系统暂态不稳定。其情况如图3.2所示。 MATLAB提供了常微分方程初值问题的数值解法，对于稳态一般用快速而准确的ode45函数，对于暂态一般用ode23函数。也可采用自适应变不长的求解方法，即当解的变化较快时，步长会自动的变小，从而提高计算精度。 3.1.3 提高电力系统稳定性的措施 提高电力系统暂态稳定性的措施比提高电力系统静态稳定性的措施更多。因为，对于一个电力系统，保持急剧扰动下的暂态稳定总比保持微小扰动下的静态稳定更困难。 提高电力系统暂态稳定的措施和提高静态稳定时不同，不是首先考虑带有根本性的措施——缩短电气距离，而是首先考虑减少功率或能量差额的临时性措施。这一方面是由于急剧扰动下机械与电磁、负荷与电源的功率或能量差额比微小扰动大得多，另一方面又由于这种扰动往往是暂时性的。 一、快速写出故障和自动重合闸 这是两种常常配合在一起使用的借减少功率或能量的差额提高暂态稳定性的措施，经济而有效，应首先考虑。 1.快速切除故障 快速切除故障在提高暂态稳定性方面起着首要的、决定性的作用。由于快速切除故障，减少了加速面积，增加了减速面积，提高了发电厂之间并列运行的稳定性，另外，由于快速切除故障，是电动机的端电压迅速回升，减少了电动机失速、停顿的危险，提高了负荷的稳定性。 目前，已可能做到在短路发生后0.06s切除故障，其中0.02s为保护装置动作时间，0.04s为断路器动作时间。 2.自动重合闸 8 湖南科技大学潇湘学院本科生毕业设计（论文） 电力系统中的故障，特别是高压电力线路的故障，大多是瞬时性短路故障。采用自动重合闸装置不仅可以提高系统供电的可靠性，而且可以大大的提高系统的暂态稳定性。下面介绍双回路的三相重合闸和单回线路的单相重合闸，在提高电力系统暂态稳定方面的作用。 （1）双回线路的三相重合闸。设系统中双回线路中的一回线发生了瞬时性故障，不装三相自动重合闸时，系统不能保证暂态稳定；而装三相自动重合闸装置后，在运行到某点k时，如三相重合闸成功，很可能使减速面积大于加速面积，而保持电力系统的暂态稳定性。但重合时间不能过早，过早重合将会因原来产生电弧处的气体尚未去游离而再度重燃，不仅使重合闸失败，甚至会扩大故障。这个去游离时间主要取决于线路的额定电压等级和故障电流的大小，电压愈高，故障电流愈大，去游离时间愈长。 （2）单回线路的单相重合闸。对于超高压电力线路的故障，90%以上是单相接地短路，而且大多数为瞬时性的单相接地短路。对此可采用按相断开和按相重合的单相重合闸。这种自动重合闸装置可以自动的选择出故障相、切除故障，并完成重合闸。由于是切除了故障相而非三相，因此在切除故障至重合闸前的一段时间里，即使是单回线路，送端发电厂和受端系统也没有完全失去联系。因而就大大减少了加速面积，明显提高了电力系统的暂态稳定性，或降低对切除故障和重合闸速度的要求。 显然，单相重合对提高负荷的稳定性也是有利的。因重合成功会使系统电源充足，易满足负荷的要求，从而保证负荷运行的稳定性。 二、强行励磁和快速关闭汽门 这两种措施是从自动调节系统入手，通过减少功率或能量的差额来提高电力系统的暂态稳定性，也是很经济而有效的措施。 1.强行励磁 发电机都备有强行励磁装置，以保证当系统发生故障而使发电机端电压UG低于85%~90%的额定电压时，迅速大幅度的增加发电机的励磁电流if，从而使发电机空载电动势Eq、发电机端电压UG增加，一般保持发电机端电压UG为恒定值。这样也增加了发电机输出的电磁功率。因此强行励磁对提高发电机并列运行和负荷的暂态稳定性都是很有利的。强行励磁的效果和励磁的倍数（最大可能的励磁电压与发电机在额定条件下运行时的励磁电压之比）有关，励磁倍数愈大，效果就愈好。此外，强行励磁的效果还与强行励磁的速度有关，励磁速度愈快，效果就愈好。 由于强行励磁作用，可使发电机的励磁电流if增大3~5倍，时间长了会使发动机转子励磁绕组过热。此外，强励时还增大了短路电流。这些都应给予足够的重视。 2.快速关闭汽门 由于水轮机油动机时间常数不能过小，以及在迅速关闭或打开导水叶片时，导管中水压迅速上升或下降而产生的水锤影响比较突出，因此水轮发电组借调速系统以提高系统的暂态稳定性是不大可能的。这样对水轮发电机组在暂态稳定中可认为机械功率Pm 9 湖南科技大学潇湘学院本科生毕业设计（论文） 等于定值。 对于汽轮机，可以研究快速关闭汽门。按目前的的技术水平油动机的时间常数Ts大致上不大于0.1s，汽容时间常数Tch也不大于0.1s。所谓汽容时间常数，是汽轮机第一级喷嘴与调节汽门之间有一定空间，当汽门改变开度时至第一级喷嘴压力改变需要滞后一段时间，这时间称为汽容时间常数。由于上述原因，快速关闭汽门使汽轮发电机组的机械功率Pm（t）的改变需要0.2s，从而也可提高电力系统的暂态稳定性。 3.2 单机—无穷大系统原理 电力系统运行稳定分析中，常采用的模型是单机对无穷大系统（SIMB），单机—无穷大系统认为功率无穷大，频率恒定，电压恒定，是工程上最常用的手段，也是电力系统模拟仿真最简单、最基本的的运行方式[7]，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论，简化计算过程。 图3.1 无输电线的单机—无穷大系统原理图 假定联络阻抗为纯电感，则由发电机向无穷大系统送出去的有功功率的P为： P?EU?si?nZ?m （2.2.1） 式中?Z—包括发电机阻抗在内的发电机电动势到无穷大系统母线的总阻抗； ?—功角； Em—发电机电势； U—系统母线电压。 假定在发电机高压母线上发生三相金属性短路。T?t0时刻切除故障，可以将采用 仿真来观察发电机运行情况。在我国，目前仍然以三相短路作为考核暂态稳定的扰动模式之一[3]。因此在以下的仿真中采用的故障形式为短路故障为主，考虑到PSS(Power System Stabilizer） 属于Simulink下SimPowerSystem库的machines分支下的模块）作为励磁系统的一个子模块，它的输出时励磁输入信号的一种，通过On-Off开关控制投退。专门为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。它在励磁电压调节器中，引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。用于提高电力系统阻尼、解决低频振荡问题，是提高 10 湖南科技大学潇湘学院本科生毕业设计（论文） 电力系统动态稳定性的重要措施之一。它抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。 图3.2 单机无穷大电力系统仿真原理图 3.3 小结 PSS能有效改善阻尼低频振荡，是提高电力系统小信号稳定成本最低、收效 最大的方法。因此短路故障仿真和PSS模块的应用结合是研究电力系统稳定的重要手段。 11