电力系统机组的机电特性ppt课件.ppt

第九章 机组的机电特性,第一节 同步发电机组的运动方程式 第二节 发电机的功-角特性方程式 第三节 异步电动机组的机电特性第四节 自动调节励磁系统对功-角特性的影响,概念 电力系统在受到一定的扰动后能否继续运行的能 力。,电力系统的稳定性：,电力系统稳定性主要是研究同步发电机组的稳定性。,考虑自动调节励磁系统和自动调节转速系统作用的分类,电源的稳定性，指同步发电机组运行的稳定性,负荷的稳定性，指异步电动机组运行的稳定性,按扰动大小分类 静态稳定性和暂态稳定性。,第一节 同步发电机组的运动方程式,（一）、机械转矩方程式,同步发电机组转子运动的机械转矩方程式为,（9-1）,当忽略转子转动时的风阻和摩擦力时， 为：,（9-2）,机械转矩，属于驱动转矩,电磁转矩，属于制动转矩,: 转子角位移； ：转子角速度； ：转子角加速度。,极对数为p的发电机，机械角速度 与电角速度 的关系为,或,所以角加速度,a(固定参考轴),s(同步参考轴),(j电机转子轴),(i电机转子轴),由图，可得以下关系(略去下标i),：电角位移（略去下标）,：功率角（功角，略去下标）,所以,（二）、同步发电机组的基本方程式,用标么值表示。转矩基准,得,所以其标幺值形式为,其中,若机组的转速偏离同步转速不大，则不平衡转矩的标幺值近似等于不平衡功率的标幺值。即,惯性时间常数,(归算至额定容量下),所以,在电力系统稳定性分析中，常以两个一阶微分方程（或一阶微分方程组）替代一个二阶微分方程，此方程组为,或 用标么值表示,此时,（三）、将同步发电机组运动方程式化为全标幺值形式,简写为,上 式即为全标幺值形式的同步发电机组转子的运动方程式。,（四）、惯性时间常数 及其物理意义,物理意义1：在额定转速时， 是机组单位容量所具有动能的2倍。这反映了发电机组转子在额定转速时的机械转动的惯性。,物理意义2：当机组输出的电磁转矩 ，输入的机械转矩 ，则不平衡转矩 时，机组从静止升速至额定转速所需的时间。,由回转力矩求单位机组的惯性时间常数的计算公式为,（9-8）,式中， 为包括原动机在内的机组转子的回转力矩； 为机组的额定转速； 为机组的额定功率。,同步发电机基本结构,同步发电机基本结构,第二节 发电机的功-角特性方程式,发电机的功-角特性：发电机输出的电磁功率和功率角的 关系。,一、隐极式发电机的功-角特性方程式,1.以空载电动势 和同步电抗 表示发电机时,发电机输出的有功功率的表达式为,发电机输出的无功功率的表达式为,图9-1 隐极式发电机相量图,由相量图可得,比较等式两边，即得,解得,发电机输出有功功率,若发电机与无限大容量母线相连，则其功-角特性曲线，如下图所示：,图9-2 以 表示的隐极式发电机的 功-角特性曲线,由图可见，发电机有功功率的功-角特性曲线为一正弦曲线，其最大值为 ，也称为功率极限。,2.以交轴暂态电动势 和直轴暂态电抗 表示发电机时,得到发电机输出的有功功率的表达式为,（9-13）,由前面的相量图，可得,得,利用前面推导所得,图9-3 以 表示的隐极式发电机的 功-角特性曲线,当发电机与无限大容量母线相连时，其功-角特性曲线如上图所示。由图可见，由于直轴暂态电抗和其同步电抗不等，出现了一个按2倍功率角正弦 变化的功率分量，一般称暂态磁阻功率。,功率极限出现在功率角大于 处,为便于计算，可作如下的简化：,（9-14）,二、凸极式发电机的功-角特性方程式,1.以空载电动势 和同步电抗 、 表示发电机,发电机输出的有功功率的表达式为,（9-15）,图9-4 凸极式发电机相量图,当无自动调节励磁装置的发电机与无限大容量母线相连时，其功-角特性曲线如下图所示。,图9-5 以 表示的凸极式发电机的 有功功率的功-角特性曲线,功率极限出现在功率角小于 处,由相量图，可得,比较等式两边，得,由以上两式解出 、 ，并由,可得发电机的输出功率。,2.以交轴暂态电动势 和直轴暂态电抗 表示发电机,（9-18）,当发电机与无限大容量母线相连时，其功-角特性曲线如左图所示。由图可见，这时也出现了暂态磁阻功率分量。但其最大值往往小于隐极式发电机相应分量的最大值。,图9-6 以 为表示的凸极式发电机的 有功功率的功-角特性曲线,由相量图，得,所以,此外,用与前面相同的方法，可求出发电机输出功率。,三、多机系统中发电机的功-角特性方程式,将整个系统化简为m个节点的网络，该网络除了保留发电机节点以外，已消除了网络中全部联络节点。,任一发电机 输出的有功功率为,设,通过推演，可得,其中,，为导纳角的余角。,式（9-19）表明，任一发电机发出的有功功率是该发电机电动势相对于其它发电机电动势相量的相角差函数。,对于系统有两台机的情形，其功率表达式为：,在系统含有三台及以上发电机的情况下，不能再用曲线作出发电机的功角特性。,当发电机电动势 、 一定，且系统接线不变时，其功角特性曲线如下图所示。,图9-7 两机系统有功功率的功-角特性曲线,例 简单电力系统接线如图及简化后的网络。试求输送到无限大容量母线的有功功率功-角特性。（a）设发电机为隐极机，直轴电抗 ；（b）设发电机为凸极机， ， 。,G,T1,L,T2,解 (a)发电机为隐极机,求,。因忽略电阻，所以线路上的电压降的纵、横分量分别为,所以,故,发电机初始功角,于是可得发电机功角特性方程,(b)发电机为凸极机,此时，发电机应以电势 和交轴同步电抗 为其等值电路中的参数。由等值电路可求得,求 ：由凸极发电机的相量图，可得,所以,即,于是可得发电机的有功功率功角特性方程,四、网络接线及参数对有功功率功-角特性的影响,1.串联电抗的影响,电力系统接线及其等值电路如图9-8所示,（a）,（b）,图9-8 （a）电力系统接线图；（b）等值电路,（9-21）,发电机端串联电抗与无限大容量母线相连时，功率极限下降了，且 的大小与 成反比。其功角特性曲线如下图所示。,图9-9 串联电抗时有功功率的功-角特性曲线,发电机输出的有功功率为,2.串联电阻的影响,电力系统接线及其等值电路如图9-10所示。设发电机为隐极机， 、 ，且无自动调节励磁装置。,（a）,图9-10 （a）电力系统接线图；（b）等值电路,则由图9-10和式（9-20）可求得,（9-22）,串联电阻对功-角特性的影响，如图9-11所示。,图9-11 串联电阻时有功功率的功-角特性曲线,两条曲线在同一 值下的差值为串联电阻 消耗的功率,3.并联电阻的影响,电力系统接线及其等值电路如图9-12所示，设发电机为隐极式，且无自动调节励磁装置。,图9-12 （a）电力系统接线图；（b）等值电路,（a）,（b）,常数,则由图9-12和式（9-20）可求得,（9-23）,并联电阻对功-角特性的影响，如图9-13所示。,图9-13 并联电阻时有功功率的功-角特性曲线,同一 值下 与 的差值为并联电阻消耗的功率,接入并联电阻后发电机的功率极限为,4.并联电抗的影响,电力系统接线及其等值电路如图9-14所示,=常数,=常数,图9-14 （a）电力系统接线图；（b）等值电路,（a）,（b）,（9-24）,则由图9-14和式（9-23）可求得,或,（9-25）,并联电抗对功-角特性的影响，如图9-15所示。,图9-15 并联电抗时有功功率的功-角特性曲线,例 如图所示系统，试分别计算用 ， 表示的电磁功率特性。各元件参数及运行条件如下：发电机，,变压器T1，,变压器T2，,线路L，,。初始运行条件，,(滞后)。变压器工作在额定,分接头位置。(习题9-18),T1,L,T2,G,解 如图为系统等值电路。,(1)元件参数,取,所有元件归算至110kV级。,(2)运行参数（标么值）,并设,由,，得,由凸极式发动机的相量图，可得,即,即,(3)用 表示的功角特性,(4)用 表示的功角特性,第三节 异步电动机的机电特性,一、异步电动机组的运动方程式,和同步发电机组一样，其表达式为,习惯上，对异步电动机组的转速标幺值常表示为,（9-26）,（9-27）,其中， 为以标幺值表示的转差率。则,（9-28）,转矩和有功功率的关系为,（9-29）,对异步电动机而言,（9-30）,二、异步电动机的电磁转矩,异步电动机稳态运行时，以标幺值表示的等值电路如图9-17所示，为了书写方便，图中“ ”已省略，且以下相同。,则异步电动机的阻抗为,图9-17 异步电动机的等值电路,（9-31）,由图9-17可得其简化图9-18，由此图可得通过气隙传递到转子侧的有功功率为,（9-32）,图9-18 异步电动机的等值电路简化图,转子绕组中的有功功率损耗为,（9-33）,可转化为机械功率的电磁功率为,（9-34）,转子轴上的电磁转矩为,（9-35）,设 ，求 对转差率 的偏导数，并令 ，可得,与之对应的最大转矩为,（9-36）,（9-37）,（9-38）,临界转差率,则此时 转子轴上的电磁转矩为,异步电动机转矩-转差率的特性曲线如下图所示。,图9-19 异步电动机转矩-转差率的特性曲线,第四节 自动调节励磁系统对功-角特性的影响,一、无自动调节励磁电流时发电机端电压的变化,当不调节发电机的励磁电流而保持发电机的空载电动势 不变时，随着发电机输出有功功率的增加，功率角 也要增大，因而发电机端电压 下降。图（9-20）所示为具有隐极式同步发电机的简单电力系统的相量图。,图9-20 功率角增加时发电机端电压的变化,二、自动调节励磁系统对功-角特性的影响,由功-角特性方程式 ，可以看出，由于自动调节励磁系统的作用，使空载电动势 随功率角 的增大而增大，从而使 与 不再是正弦关系。为了定性分析自动调节励磁系统对功-角特性的影响，对于不同的电动势 值，作出了一组正弦功-角特性曲线族，它们的幅值与空载电动势 成正比，如图9-21所示。,图9-21 自动调节励磁系统对功-角特性的影响,