电力系统静态稳定
第09章 电力系统静态稳定性分析
电力系统稳定性分类
通常电力系统稳定性分两类 静态稳定性：电力系统正常运行状态下，受到某种小干扰 后，能够恢复到原来的运行状态的能力 暂态稳定性：电力系统正常运行状态下，突然受到某种大 干扰后，能够过渡一个新的稳定运行状态或恢复到原来的运行 状态的能力
小扰动
a、个别电动机的接入或切除 b、负荷的随机涨落 c、汽机蒸汽压力的波动 d、发电机端电压发生小的偏移 e、架空线路因风吹摆动引起线间距离的微小变化
9-1概述
电力系统的机电暂态过程又称为电力系统的稳定性
扰动
电力系统 某一正常
经过一段时间t
运行状态
恢复到原来状态 过渡到一新稳定状态
该运行状态 是稳定的
既未恢复到原状态，也未 过渡到一新稳定状态。
该运行状态 是不稳定的
不稳定情况下： 系统的电压、电流、功率和相位角等运行参数没有一
个稳定值，而是随时间不断增大或振荡
静态稳定的概念 静态稳定分析的实用判据 静态稳定极限功率 静态稳定储备系数 小干扰法静态稳定分析
提高静态稳定的措施
27
系统是不稳定的 复平面的左半平面为稳定区，右半平面为不稳定区，中间为临界线，只有
当特征方程的根全部落在左半平面 时，系统才能静态稳定，只要有一个根落在右 半平面或落在临界线上，都不判系统为静态稳定
22
9-5 提高静态稳定的措施
发电机可能送出的功率极限愈高，则电力系统的静态稳定性愈高
采用自动调节励磁装置
大扰动
a、系统发生短路故障 b、突然断开线路 c、突然断开发电机
6
9-4 小干扰法分析简单系统静态稳定
用小干扰法可从数学上推导稳定判据。小干扰法，就是列出描述系 统运动的、通常是非线性的微分方程组，然后将它们线性化，得出近似 的线性微分方程组，再根据其特征方程式根的性质判断系统的稳定性
电力系统分析第13章(电力系统的静态稳定性)
图13.5 自动调节励磁系统对功角特性的影响
实际运行中，自动励磁系统并不能完全保 持发电机端电压U G 不变，而是UG 将随功 率P及功角θ的增大有所下降。介于保持E与q U 之G 间的某一电势为常数，例如发电机暂 态电势 为Eq 常数。
由于 ， Eqm UGm PEqm PUGm ，所以，维持Eq ＝常数 的自动励磁调节器的性能不如维持UG ＝常 数的调节器。
无功功率功角特性为
QEq
U2
Xd
EqU Xd
cos
同步发电机的静态特性
2）调相机
输出的无功功率为： QEq
EqU Xd
U2
Xd
QEq Eq 2U Eq 2U
U X d X d
Xd
QEq Eq 2U Eq 2U
U X d X d
Xd
结论：
• 过励运行时，若Eq >2U ，
QEq >0，
3 当发电机装有按两个参数偏移量调节的比例式励磁调节器
其稳定极限同样与
S
E
＝0对应，其稳定极限则更大，为图中
q
的c点。
13.5 提高电力系统静态稳定性的措施
PM
EqU X d
1. 发电机装设自动调节励磁装置
2. 减小元件电抗 ➢减小发电机和变压器的电抗 ➢减小线路电抗
减小线路电抗可釆用以下方法: 用电缆代替架空线； 釆用扩径导线； 釆用分裂导线。
特征方程式根的实部皆为负值时，该系统是稳定的； 特征方程式的根实部有正值时，该系统是不稳定的。
小扰动法分析简单电力系统静态稳定的步骤: ➢列出系统中描述各元件运动状态的微分方程组； ➢ 将以上非线性方程线性化处理，得到近似的线性微 分方程组； ➢ 根据近似方程式根的性质（根实部的正、负性或者 零值）判断系统的稳定性。
电力系统静态稳定
dΔX / dt = dF ( X ) / dX X0 ΔX = AΔX
（5-94）
式中， A = dF ( X ) / dX X0 ΔX 为 Jacobi 矩阵，也称为线性化后线性系统的系统矩阵。
俄国学者 А.М.Ляпнов 于 1892 年提出，非线性动力学系统在小扰动下的稳定性，
可由矩阵 A 的特征根确定。这就是小扰动法的基本原理。
⎧dδ / dt ⎩⎨dω / dt
=ωN
= (Pm
−
Pe
)ω N
/ TJ
（5-96）
式中，δ和ω 为状态变量，换路时不发生突变；ω N、Pm、TJ 为常数； Pe 为非状态变量，可 表为状态变量的函数，因此时 Eq＝C ，故取 Pe = Pe (Eq ,δ ) 。
② 线性化，得到系统矩阵 A 。
方法 1：由定义
后由于惯性继续运动到 a' ' ( a' ' 可由等面积法则确定)。在 a' ' 点，Pe < Pm , ΔΡ >0，故又开始加
速，再经 a 到 a' ，如此作等幅振荡。考虑到能量损耗最后稳定在 a 点。如 Δδ 为负，便到了 a' ' 点，则因 ΔΡ >0，加速，经 a 到 a' ，减速，经 a 到 a' ' ，变为等幅振荡，最后也稳定在 a 点。
本节结构与暂态稳定性时类似：首先分析简单系统，即单机无穷大系统的静态稳定性： 先不考虑自动调节励磁系统的作用，再考虑自动调节励磁系统的作用；然后分析复杂系统的 静态稳定性。分析时以小扰动法为主，同时简要介绍实用判据法。最后介绍提高电力系统稳 定性的措施。
一、 简单电力系统的静态稳定性
电力系统静态稳定解释
电力系统静态稳定解释一、静态稳定定义静态稳定是指电力系统在没有任何外界干扰的情况下，依靠自身平衡机制保持正常运行的能力。
换句话说，电力系统在静态稳定状态下，能够自我调整并保持供需平衡，不发生持续的电压、频率或相位变化。
二、静态稳定分析静态稳定分析是评估电力系统静态稳定性的过程，主要关注电力系统在正常运行状态下的平衡和稳定性，分析方法包括时域分析、频域分析和最优控制等。
三、静态稳定评估静态稳定评估是对电力系统在特定条件下的静态稳定性进行量化评估的过程。
评估指标包括电压稳定性、频率稳定性、相位稳定性等。
评估方法包括基于模型的评估、基于仿真的评估和混合评估等。
四、静态稳定控制静态稳定控制是采取措施保持电力系统静态稳定性的过程。
控制措施包括无功补偿、负荷控制、发电机调节等。
目标是防止系统失稳，确保电力系统的正常运行。
五、静态稳定故障处理当电力系统发生静态稳定故障时，需要采取适当的措施进行处理。
处理措施包括紧急控制、故障隔离、重新配置等。
目标是尽快恢复系统的稳定运行，防止故障扩大。
六、静态稳定对电力系统的影响静态稳定性对电力系统的运行性能和可靠性有着重要影响。
稳定的电力系统能够保证电力供应的质量和连续性，避免电压崩溃、频率失常等问题。
同时，静态稳定性也直接关系到电力系统的安全和经济运行。
七、静态稳定与动态稳定的关系静态稳定和动态稳定是电力系统稳定性的两个重要方面。
静态稳定主要关注系统在稳态条件下的平衡和稳定性，而动态稳定则关注系统在受到扰动后的恢复和稳定能力。
两者相辅相成，共同决定电力系统的整体稳定性。
八、提高静态稳定的措施提高电力系统静态稳定性的措施包括:加强无功补偿和电压控制，优化电源和负荷的配置，提高设备的可靠性等。
此外，采用先进的调度和控制技术，如需求响应、储能技术等，也可以提高电力系统的静态稳定性。
九、静态稳定的监测与保护为了确保电力系统的静态稳定性，需要采取相应的监测和保护措施。
监测方法包括在线监测、离线监测和混合监测等，能够实时获取电力系统的运行状态信息。
第七章 电力系统静态稳定
2
7.1 简单电力系统的静态稳定
7.1.1 物理过程分析 7.1.2 简单系统的静态稳定判据
3
第七章 电力系统静态稳定
静态稳定是指电力系统在某一正常运行状态下受到小 干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复 到原始运行状态的能力。静态稳定问题实际上就是确 定小扰动下系统的某个运行稳态点能否保持。
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特征值为实数时线性系统的稳定性
∆ xi (t ) = cie
λit
jω
0
λi > 0
∆ xi (t ) 0
0
t
单调衰减，稳定
0
λ
λ
0 不变，稳定不定 0
t
t
17
0
特征值为复数时线性系统的稳定性
λi = ai ± jωi
振荡角频率
∆ xi (t ) = 2 ci e
图7-1 (b)
a点：小扰动后能自行恢复到原 先的平衡状态，静态稳定运行点。 b点：小扰动后，转移到a点或 失去同步，静态不稳定运行点。
∆δ
b ′ PE
δa′′ δ a δa′ 900 δ b ′′ δ b δ b ′ 1800 δ
δ ab → δδab′⇒ ab→ ab ′⇒ Pa′b′><PPT⇒ ωω↓⇒ δ a′ b↓→ δ aδ b δ → ′ ⇒ → ′ ⇒P ⇒ ↑⇒ δ ′ ↑→ T δ → δ ⇒ b → b ⇒ P′′ > P ⇒ ω ↓⇒ a ↓→ a δ ab → δ ab′′′′ ⇒ a → a ′′′′⇒ Pab′′ < PTT ⇒ ω ↑⇒ δδ′′b′′↑→ δδ b 6
TJ
xd ∑
ω0
PE
2×1
电力系统静态稳定分析
δ a ↓ ⇒ Pe ↓ ⇒ w ↑ ⇒ δ ↑
P 不变 m w−1p0
δa
δb δb
1800
δ
b点： 不稳定
δ b ↑⇒ Pe ↓⇒ w ↑⇒ δ ↑
滑向深渊
δ b ↓⇒ Pe ↑⇒ w ↓⇒ δ ↓
t
滑向a点
2.静态稳定判据 2.静态稳定判据
决定。 两点有何不同？ δ、ω都由 Pe 决定。a、b两点有何不同？
P 0
均可提高系统的静态稳定性。 均可提高系统的静态稳定性。
具体措施： 具体措施：
采用自动调节励磁装置 减小元件电抗 改善系统的结构 采用中间补偿设备
采用自动调节励磁装置
发电机电势与励磁调节情况有关。 发电机电势与励磁调节情况有关。通过装设无 失灵区或者无时滞的比例型励磁调节器以及强力励 磁调节器，可以实现所谓的人工稳定区， 磁调节器，可以实现所谓的人工稳定区，即调节发 电机的功角 δ ，使之满足稳定要求。 使之满足稳定要求。
′ xd → xd → 0
减小元件阻抗 ——减小线路电抗 ——减小线路电抗
•采用分裂导线 采用分裂导线 • 提高线路额定电压等级 （可以等值地看作是减小线路电抗） 可以等值地看作是减小线路电抗） • 采用串联电容补偿 （在线路上串联电容器以补偿线路的电抗） 在线路上串联电容器以补偿线路的电抗）
串联电容补偿
二、电力系统静态稳定分析的小干扰法
所谓小干扰法， 所谓小干扰法，就是首先列出描述系统运动 的数学模型（通常是非线性的微分方程组）， 的数学模型（通常是非线性的微分方程组）， 然后将它们线性化，得出近似的线性微分方 然后将它们线性化， 程组， 程组，再根据其特征方程式根的性质判断系 统的稳定性。 统的稳定性。
8-静态稳定性
二、静态稳定性的全特征值分析法
在国外，应用QR算法分析多机系统静态稳定的
研究开始于60年代末期，国内则始于70年代中
期。目前这类分析方法和计算程序已经相当成
熟，但各个程序所考虑的元件种类及其数学模
型和形成A阵的过程各有不同。具体原理如下。
1、各元件方程的线性化
⑴ ①同步发电机方程 ②励磁系统和原动机及其调速系统 （2） 坐标变换 ①发电机电压和电流的d、q轴分量转换成全系统 统一的同步旋转坐标参考轴x、y下的相应分量。 或②将网络方程中发电机电压和电流的x、y分量分别 转换成各自的d、q分量。
定已成为系统正常运行的最大威胁，人们已将系统
的电压稳定性和功角稳定性等放在同等重要的地位 加以研究和考虑。
电压稳定性，是指正常运行情况下或遭受干扰后电
力系统维持所有母线电压在可以接受的稳态值的能 力。 当一些干扰发生时，例如负荷增加或系统状态变化 引起电压不可控制地增高或下降时，系统进入电压 不稳定状态。引起电压不稳定的主要原因是电力系 统没有满足无功功率需求的能力。问题的核心常常
常称为小干扰稳定性。
于是，电力系统静态稳定分析的一般过程可 归结为：
(1)计算给定稳态运行情况下各变量的稳态值。
(2)对描述暂态过程的方程式，在稳态值附近进
行线性化。
(3)形成矩阵A，并根据其特征值的性质判断稳定
性。
关于判断A阵特征值的性质，目前所采用的主要 方法有以下两类。
一种是应用计算矩阵全部特征值的QR算法，求出 A阵的所有特征值。但这种方法需要存储矩阵的全 部元素，占计算机内存量大，而且其计算量约与 矩阵阶数的三次方成正比，计算速度缓慢。特别 是在目前的计算机精度下，当矩阵高达数百阶(例 如400~500阶)时，将可能产生显著的计算误差， 或甚至不能得出计算结果。因此，这种方法一般 适用于中等规模的电力系统。
第七章电力系统静态稳定
第三节 小干扰法分析简单系统静态稳定
10、运行点对振荡频率的影响 当 SE >0 时，自然振荡频率
ωn =
ω0
TJ
SE =
ω 0 E qU
T J x dΣ
cos δ 0
（9）
对无阻尼的单机无穷大系统，系统的自然振荡频 率ωn 随着稳定性的恶化和TJ 的增大而降低。
越是重载的系统，越容易发生低频振荡
第三节 小干扰法分析简单系统静态稳定
5、 线性微分方程组的解
对于形如 dX/dt=AX（X∈Rn)的线性微分方程 组，其解的性态完全由 A 的特征根所决定。解的通 式可写成
x i (t ) = c i e λ i t = c i e (α i ± jω i )t = c i e α i t sin( ω i t + ϕ )
D>0
S E (δ 0 ) > 0
二、计及阻尼作用的稳定分析
5 阻尼对振荡频率的影响
有阻尼振荡频率与自然振荡频率之间的关系
ωd =
2 2 DR − ωn
D
R
=
D 2T J
正常运行 通常DR 的数值
较小，当系统运行在稳定裕度 较大的区域时，则有阻尼振荡 频率接近自然振荡频率。
重载运行 虽然DR 的数值
4 单机无穷大系统运动方程的线性化(3)
设单机系统的初始运行点为
δ (0 ) = δ 0 ω (0 ) = ω 0 = 1 .0
在此运行点上将运动方程线性化，设
δ (t ) = δ 0 + Δ δ (t ) ω (t ) = 1 + Δ ω (t )
（3）
dδ dΔδ = dt dt dω dΔω = dt dt
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第十章 电力系统静态稳定
一 例题
例10-1 如图10-7示出一简单电力系统，并给出了发电机（隐极机）的同步电抗、变压器电抗和线路电抗标幺值（均以发电机额定功率为基准值）。
无限大系统母线电压为1∠0°。
如果在发电机端电压为1.05时发电机向系统输送功率为0.8，试计算此时系统的静态稳定储备系数。
解 此系统的静稳定极限即对应的功率极限为 q d
E X ∑
u=
11.3
q E ⨯
下面计算空载电势q E 。
（1）计算UG 的相角0G σ 电磁功率表达式为 E p =001 1.05
sin sin 0.80.3
G G G T L UU X X σσ⨯==+
求得
0G σ=13.21º (2)计算电流
•
(3)计算q E
例10-2 简单系统如图10-10所示,试考察此系统的稳定性.A点所接负荷当电压为1.0时的容量为0.5MVA,功率因数为0.8(参数折算到同一基准值).
图10-10 系统接线图
解系统等效网络如图10-11所示.
根据已知条件计算参数
A 点电压为
A U == 1.128=
二 习题
1． 何为电力系统静态稳定性？
2．简单电力系统静态稳定的实用判据是什么？
3．何为电力系统静态稳定储备系数和整步功率因数？
4．如何用小干扰法分析简单电力系统的静态稳定性？
5．提高电力系统静态稳定性的措施主要有哪些？
6. 简单电力系统如图10-4所示，各元件参数如下：（1）发电机G，PN=250MW，
cosφN=0.85,UN=10.5KV,Xd=1.0Ω,Xq=0.65Ω,Xd’=0.23Ω;(2)变压器T1，SN=300MVA，uk%=15,KT1=10.5/242;(3)变压器T2，SN=300MVA，uk%=15,KT2=220/121。
（4）线路，l=250km,UN=220KV,X1=0.42Ω/km;(5)运行初始状态为U0=115KV，P[0]=220 MW，
cosφ[0]=0.98。
(1)如发电机无励磁调节，Eq=Eq[0]=常数，试求功角特性PEq(δ),功率极
限PEqm,δEqm,并求此时的静态稳定储备系数Kp%;(2)如计及发电机励磁调节，Eq’=Eq’(0)=常数，试作同样内容计算。
图10-4 简单系统图
[答案：（1）Eq为常数时, PEq=1.16sinδ+0.085sin2δ,
δm=82.35°,PEqm=1.172,Kp=33.18%;(2) Eq’为常数时,
PEq’=1.58sinδ-0.21sin2δ, δm=103.77°,
PE‘qm=1.63,Kp=84.9%;]
7. 简单电力系统的元件参数及运行条件与题6相同，但须计及输电线路的电阻，r1=0.07Ω/km.试计算功率特性PEq(δ)，功率极限PEqm和δEqm。
[答案：取Sn=220MVA, PEq(δ)=0.0636+1.2sin(δ-1.13°); PEqm=1.264; δEqm=90.13°]
8 最简单电力系统有如下的参变量：
Xd=Xq=0.982,Xd’=0.344,X1=0.504
Xd∑=Xq∑=1.486, X‘d∑=0.848
TJ=7.5s,Td’=2.85s,Te=2s
Pe(0)=1.0,Eq(0)=1.972, δ0=49°,U=1.0
试计算（1）励磁不可调时的静态稳定极限和静态稳定储备系数；（2）不连续调节励磁时的静态稳定极限和静态稳定储备系数。
[答案：（1）Pm=1.325，Kp=32.5%；（2）Pm =2.21，Kp =101%]
9 判定下列几种特征方程下系统是否稳定？ （1） P ²+3P+4=0 （2） -P ²+3P+4=0 （3） P ³+3P ²+2P+6=0 （4） 44p +3 P ³+2P+3=0
10电力系统如图10-5，已知各元件参数标幺值：发电机G ，Xd=1.2,Xq=0.8,Xd ’=0.3；变压器电抗，XT1=0.14,XT2=0.12。
线路L ，双回X1=0.35。
系统初始运行状态为U0=1.0，S0=0.9+j0.18。
试计算下列情况下发电机的功率极限Pm 和稳定储备系数Kp:(1)发电机无励磁调节，Eq=Eq0=常数；（2）发电机有励磁调节，Eq ’=Eq0’=常数。
10-5 系统接线图
[答案：(1)PEqm=1.1654,Kp=29.49%;(2) PEqm ’=1.5637, Kp=73.74%]
11 图10-6所示的简单电力系统中,隐极机的参数(标幺值)如下:d
X
=2.0,
Eq=1.1,U=1.0,H=5.0.小扰动时Eq 保持不变,δ0 =60º.试求在不考虑阻尼的情况下,系统受到小扰动时的震荡频率和周期.
图10-6简单系统图
「答案:e f =0.468HZ,T=2.14s 」
12 在题10-7所示系统中,当发电机装有按电压偏移比例调节励磁装置时,求极限功角,极限功率及静态稳定储备系数.
图10-7 简单系统图
[答案:'Eq p =1.789cos 0.121sin 2σσ-,' 1.814Eqm P = ,97.47m σ=︒，P K =81.4%]
13 有一简单电力系统如图10-8所示.假设: (1)发电机有按功角偏差调节励磁的比例式调节器; (2)不计励磁机和励磁调节器的时间常数; (3)不计各元件电阻.
试用小干扰法列出此系统的小干扰方程.
图10-8 简单系统图
14 图10-9所示系统中,同步机2的输出恒定，且已知同步机电抗均为1.0,空载电压为1.0(均折算到同一基准值).试分析在下列给定的运行相角条件下系统的稳定性:(1)12σ=90º;(2)13σ=30º; (3)23σ=10º
图10-9系统接线图 [答案:系统是稳定的]
15 系统如图10-10所示,由两个发电机组成的电力系统及其等值电路,发电机不带励磁调节装置,负荷当恒定阻抗处理.证明系统保持静态稳定的条件(或称为
静态稳定判据)是:2
1
112212
110dP dP T d T d σσσσ-〉
图10-10 简单系统图。