电力系统分析课件第九章.ppt

1、第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！1第九章第九章 机组的机电特性机组的机电特性v第一节 同步发电机组的运动方程式 v第二节 发电机的功-角特性方程式 v第三节 异步电动机组的机电特性v第四节 自动调节励磁系统对功-角特性的影响第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！2 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。第九章 机组的机电特性优秀课件，精

2、彩无限！3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22dtdJdtdJJM（9-1）当忽略转子转动时的风阻和摩擦力时，为：MemMMM（9-2）机械转矩，属于驱动转矩电磁转矩，属于制动转矩第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！4（二）、同步发电机组的基本方程式2222dtdJdtdJMNN（9-3）其标幺值形式为22dtdTMNJBNJSJT2其中（9-4）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。惯性时间常数dtdTdtdTdtdTMPJnJnJ22即：（9-5）第九章 机组的机电特性优秀课件，精

3、彩无限！5（三）、将同步发电机组运动方程式化为全标幺值形式)()()(360)()()()()(3601sradradtdsradfraddsradradtddsradradTfPnnNnNJN222)()()(raddtraddradTJ（9-6）简写为22dtdTPJ（9-7）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。第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！6（四）、惯性时间常数 及其物理意义JT 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，

4、机组从静止升速至额定转速所需的时间。0eM1mM101MJT 由回转力矩求单位机组的惯性时间常数的计算公式为NNJNSnGDT100074.222（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。NS2GDNn第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！7 在电力系统稳定计算中，当已选好全系统统一基准功率时，必须将各发电机组的惯性时间常数归算成统一基准功率的有名值BNJNJBSSTT（9-9）则将 台并列运行的发电机组合成一台的等值发电机组时，其惯性时间常数为：nniBNiJNiBNnJNnBNJNBNJNJBSSTSSTSSTSSTT12211（9-10

5、）一般，汽轮发电机组的惯性时间常数为 ；水轮发电机组的惯性时间常数为 ；同期调相机的惯性时间常数为 。s84s168s42第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！8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dX发电机输出的有功功率的表达式为sindqddqddqdqqdEXUEXUEXUUXUEUPq（9-11）qE发电机输出的无功功率的表达式为cos2dqdddddqqqEXUEXUXUUXUEUQq（9-12）第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！9图9-1

6、隐极式发电机相量图dIdUqEqEqUqIUEdXI jdXI jddXI jdqXI jdqI第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！10 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qE 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。dqXUEdqXUEqEP9003060120 150 180)(第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！112.以交轴暂态电动势 和直轴暂态电抗 表示发电机时dX发电机输出的有功功率的表达式为ddqdqqdqqddEXUUXUEUIUIUPqqE2s

7、in2sin2dddddqXXXXUXUE（9-13）第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！12qEP0120150180)(306090图9-3 以 表示的隐极式发电机的 功-角特性曲线qE2sin 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90第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！13为便于计算，可作如下的简化：sindEXUEP（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qEdXqX发

8、电机输出的有功功率的表达式为dqqdddqqqddEXXUUXUEUUIUPq11（9-15）2sin2sin2qdqddqXXXXUXUE第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！14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。qEP0120150180)(306090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qEqEqE qUqIUE dXI jdXI jddXI jdqXI jdqdIdUQEI功率极限出现在功率角小于 处90第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！15 其一：以发电机的交轴同步电抗和这

9、个电抗后的虚构 电动势 表示发电机；其二：以其等值同步电抗 和这个电抗后的等值电动 势 表示发电机。sinqQEXUEPQfffEXUEPfsin（9-16）（9-17）式中，等值同步电抗 。dfXX85.0QEfXfE与这两个简化方案相对应的方程式如下：有功功率的功-角特性方程式的简化方案有两种：第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！162.以交轴暂态电动势 和直轴暂态电抗 表示发电机qEdX2sin2sin2dqdqdqEXXXXUXUEPq（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

10、分量的最大值。qEP0120150180)(306090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qE第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！17三、多机系统中发电机的功-角特性方程式 将整个系统化简为N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。（9-19）nijjijijijijjiiiibgEEGE12)sincos(nijjijijijijijijjiiiiZxZrEEgE1222)sincos(nijjijijijjiiiiiiyEEyE12)sin(sinnjijijijijjinjijjiiiEiBGEEYEEIEP11)sincos(R

11、e)Re(任一发电机 输出的有功功率为i第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！18 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。)sin(sin121212211111211yEEyEPE)sin(sin212121122222222yEEyEPE)sin(sin12121221222222yEEyE（9-20）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。第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！19 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。

12、1E2EEP2EP1EP129012901221290图9-7 两机系统有功功率的功-角特性曲线第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！20四、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GG1Tl2TU常数lXj21qEdjX1TjX2TjX12qEPUPU常数（a）（b）图9-8（a）电力系统接线图；（b）等值电路第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！21sinsindqqUEXUEyUEPPq（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。max.qEPdX900

13、180dqXUE)(qEP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第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！222.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。GG1Tl2TU常数U常数（a）qER12qEPUPdjX（b）图9-10（a）电力系统接线图；（b）等值电路qdXXqQEE 第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！23则由图9-10和式（9-20）可求得)sin(sin2yUEyEPqqEq)sin(sin2yUEyUPqU（9-22）串联电阻对功-角特性的影响，如图9-11所示。sin2yEqs

14、in2yU2qEPUP090180)(P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R第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！243.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）等值电路常数GG1Tl2TUkR2ljXqEdjX1TjX2TjX12qEPUPkR1jX2jX（a）（b）常数U第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！25则由图9-12和式（9-20）可求得)sin(sin121211112yUEyEPqqEq)sin(sin122122

15、222yUEyUPqU（9-23）并联电阻对功-角特性的影响，如图9-13所示。11112sinyEq22222sinyU12212qEPUP090180)(12P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qEPUP第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！26接入并联电阻后发电机的功率极限为1211112sinmax.yUEyEPqqEq4.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2ljXqEdjX1TjX2TjX12qEPUPkjX1jX2jXGG1Tl2TUkX=常数U=常数图9-14（a）电力系统接线图；（b）等值电路（a）（

16、b）（9-24）第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！27则由图9-14和式（9-23）可求得sin12yUEPPqUEq或sin12xUEPPqUEq（9-25）并联电抗对功-角特性的影响，如图9-15所示。sindqEXUEPqsin12XUEPqUqEP090180)(图9-15 并联电抗时有功功率的功-角特性曲线第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！28五、关于同步发电机的等值电路 对于隐极式发电机，只有以空载电动势 和同步电抗 或以直轴暂态电抗后的电动势 和直轴暂态电抗 表示发电机时，才能绘出其等值电路，如图9-16(a)所示。对于凸极式发电机，只有以虚构电动势 和交轴同步电

17、抗 、以等值空载电动势 和等值同步电抗 或以直轴暂态电抗后的电动势 和直轴暂态电抗 表示发电机时，才能绘出其等值电路，如图9-16(b)所示。qEqdXXEdXQEqXfEfXEdXqEEdjXdXj IIUUEdXj IUQEqjXIUfEfjXIU（a）（b）图9-16 发电机的等值电路（a）隐极式发电机；（b）凸极式发电机第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！29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dtdTMJ习惯上，对异步电动机组的转速标幺值常表示为（9-26）sNNN11（9-27）其中，为以标幺值表示的转差率。则dtdsTdt

18、sdTMJJ)1(（9-28）s第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！30转矩和有功功率的关系为sPPM1（9-29）对异步电动机而言meMMM（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。第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！31sRsjXrjXmRmjXsRrU则异步电动机的阻抗为图9-17 异步电动机的等值电路)()()()(rrmmrrmmssjXsRjXRjXsRjXRjXRZ（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sXXsRRRUs

19、RIPrsrsrrea1)()(2222（9-32）第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！32sRsjXrjXmRmjXsRrUI0I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2222)()(rsrsrreXXsRRRURIP（9-33）可转化为机械功率的电磁功率为ssXXsRRRURIPPPrsrsrreeae1)()(2222（9-34）第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！33 转子轴上的电磁转矩为sXXsRRRUsPPMrsrsreee1)()(1222（9-35）设 ，求 对转差率 的偏导数，并令 ，可得 rsrcrXXRss与之对应的最大转矩为)(2

20、2max.rseXXUM0sReMs0sMe（9-36）（9-37）crcreessssMMmax.2（9-38）临界转差率 则此时 转子轴上的电磁转矩为第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！34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sMcrS1U2U21UU s第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！35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

21、为具有隐极式同步发电机的简单电力系统的相量图。qEGU图9-20 功率角增加时发电机端电压的变化)0(qE)0(qE1)0(1)0(1I)0(U)0(I1GU0GUdXI j)0(dXI j)0(1)0(TXI j第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！36二、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。sindqEXUEPqqEqEPqEqE第九章 机组的机电特性优秀课件，精彩无限！37090180)(0.20.1Pmax.UGPmax.EqPmax.EqP)0(P)0(GU)0(qEqEqEqEqEqE)0(qE=常数=常数=200%=180%=160%=140%=120%=100%mUG图9-21 自动调节励磁系统对功-角特性的影响