2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——電力系統(tǒng)中的電網(wǎng)穩(wěn)定性研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題3分，共15分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析的核心問題是（）。A.系統(tǒng)頻率的長(zhǎng)期偏移B.電壓的長(zhǎng)期偏移C.在小干擾下系統(tǒng)恢復(fù)同步運(yùn)行的能力D.系統(tǒng)有功功率和無功功率的平衡2.在簡(jiǎn)化的兩機(jī)無窮大系統(tǒng)功角模型中，影響暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)是（）。A.發(fā)電機(jī)的額定電壓B.系統(tǒng)的總阻抗C.發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)矩的阻尼分量D.輸電線路的電容3.當(dāng)電力系統(tǒng)受到小干擾時(shí)，如果系統(tǒng)所有的特征值都具有負(fù)的實(shí)部，則系統(tǒng)處于（）。A.暫態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)B.小干擾穩(wěn)定狀態(tài)C.大干擾不穩(wěn)定狀態(tài)D.中干擾不穩(wěn)定狀態(tài)4.電力系統(tǒng)功角特性曲線上的靜態(tài)穩(wěn)定極限點(diǎn)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)是（）。A.系統(tǒng)開始出現(xiàn)功角搖擺的點(diǎn)B.系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定運(yùn)行的最大功角位置C.系統(tǒng)失去同步運(yùn)行能力的位置D.系統(tǒng)發(fā)生短路故障的瞬間狀態(tài)5.提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的物理措施中，最有效的是（）。A.減小系統(tǒng)總阻抗B.增大發(fā)電機(jī)內(nèi)部阻尼C.提高發(fā)電機(jī)同步電抗D.采用自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置二、填空題（每空3分，共15分。請(qǐng)將答案填寫在橫線上）6.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究通常關(guān)注系統(tǒng)在擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)行為，特別是______和______的穩(wěn)定性。7.同步發(fā)電機(jī)模型中，電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流和______相互作用產(chǎn)生的。8.根據(jù)小干擾穩(wěn)定性分析，如果系統(tǒng)特征值具有正的實(shí)部，系統(tǒng)將表現(xiàn)出______特性。9.P-V曲線分析方法是研究電力系統(tǒng)______穩(wěn)定性的重要工具。10.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（SS）通過快速調(diào)整______來抑制系統(tǒng)振蕩，提高阻尼。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）11.簡(jiǎn)述電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和小干擾穩(wěn)定性的主要區(qū)別。12.解釋同步發(fā)電機(jī)的功角特性曲線的物理意義。13.簡(jiǎn)述提高電力系統(tǒng)阻尼對(duì)穩(wěn)定性的作用。14.電力系統(tǒng)中什么是“同步”？維持同步運(yùn)行的物理基礎(chǔ)是什么？四、計(jì)算題（每小題10分，共30分）15.在一個(gè)簡(jiǎn)化的兩機(jī)無窮大系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)A和發(fā)電機(jī)B的容量均為100MW，同步電抗均為1.0Ω。輸電線路的阻抗為0.5+j0.1Ω。假設(shè)發(fā)電機(jī)A輸出功率為50MW，發(fā)電機(jī)B輸出功率為50MW，系統(tǒng)運(yùn)行在額定電壓下。試求：（1）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的功角δ；（2）若故障切除后，系統(tǒng)等值電抗變?yōu)?.8+j0.16Ω，求系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定極限功率（用功角特性方程分析）。16.一個(gè)簡(jiǎn)單的電力系統(tǒng)由一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)通過一條輸電線路連接到無窮大系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)額定功率為100MW，同步電抗為1.0Ω，阻尼系數(shù)為D=10MW/弧度/秒。輸電線路阻抗為0.4+j0.08Ω。正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率為50MW，功角δ=30°。假設(shè)系統(tǒng)受到一個(gè)小的階躍擾動(dòng)，導(dǎo)致功角瞬間增加0.1°。試用線性化方法判斷該系統(tǒng)在小干擾下的穩(wěn)定性。17.簡(jiǎn)述同步調(diào)相機(jī)在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的物理作用原理。五、論述題（10分）18.結(jié)合物理原理，論述電力系統(tǒng)長(zhǎng)距離輸電線路對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并說明采取哪些物理措施可以緩解其不利影響。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.B5.A二、填空題6.功角穩(wěn)定性，頻率穩(wěn)定性7.定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)8.不穩(wěn)定9.小干擾10.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁三、簡(jiǎn)答題11.暫態(tài)穩(wěn)定性研究系統(tǒng)在遭受大干擾（如短路故障）后，能否恢復(fù)同步運(yùn)行的能力，通常涉及較長(zhǎng)時(shí)間尺度的搖擺過程，一般以功角能否回到穩(wěn)定區(qū)域或同步轉(zhuǎn)速附近來判斷。小干擾穩(wěn)定性研究系統(tǒng)在遭受小干擾（如負(fù)荷微小波動(dòng)）后，運(yùn)行狀態(tài)是否能自動(dòng)恢復(fù)到原始平衡點(diǎn)附近，通常分析系統(tǒng)特征值的實(shí)部正負(fù)。兩者關(guān)注擾動(dòng)程度和時(shí)間尺度不同。12.同步發(fā)電機(jī)功角特性曲線描述了在同步轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率P與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子功角δ之間的關(guān)系。其物理基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)定律，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極與氣隙合成磁場(chǎng)之間存在夾角δ時(shí)，轉(zhuǎn)子電流與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生切向電磁力，形成電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而輸出有功功率P=EmVsinδ，其中Em為發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)，V為系統(tǒng)電壓。曲線的形狀反映了功率輸出與功角的關(guān)系，是分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。13.阻尼是指系統(tǒng)在振蕩時(shí)能量耗散的現(xiàn)象，通常由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的阻尼繞組、勵(lì)磁系統(tǒng)的阻尼作用以及輸電線路的電容效應(yīng)等產(chǎn)生。在電力系統(tǒng)中，阻尼有助于抑制功率角度的振蕩，阻止系統(tǒng)失去同步。提高阻尼意味著系統(tǒng)抵抗和衰減振蕩的能力增強(qiáng)，使得功角擺動(dòng)能夠更快地平息，從而提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和小干擾穩(wěn)定性。14.同步是指電力系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)（或同步運(yùn)行的部分）的電磁轉(zhuǎn)速（或角頻率）完全相同，并且相位差恒定（通常為零），從而能夠協(xié)同輸出功率并維持穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。維持同步運(yùn)行的物理基礎(chǔ)是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極與氣隙合成磁場(chǎng)之間的相對(duì)位置保持穩(wěn)定（即功角δ穩(wěn)定），以及系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電功率與負(fù)荷功率的平衡。任何擾動(dòng)引起的功角變化，都會(huì)通過發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和功角特性，產(chǎn)生恢復(fù)力矩，使系統(tǒng)趨向于恢復(fù)同步狀態(tài)。四、計(jì)算題15.（1）正常運(yùn)行時(shí)，P=(EmV/Xs+V^2*Xl)/Xs*sinδ=Pmax*sinδ。P=50MW，V=1pu,Xs=1.0Ω,Xl=0.5+j0.1Ω,總X=Xs+Xl=1.5Ω。Pmax=V^2/Xs*sin(90°)=1/1.0*1=1pu(對(duì)應(yīng)100MW)。所以sinδ=P/Pmax=50/100=0.5，δ=30°。（2）故障后，等值電抗Xeq=0.8+j0.16Ω，Pmax'=V^2/Xeq*sin(90°)=1/(0.8)=1.25pu(對(duì)應(yīng)125MW)。靜態(tài)穩(wěn)定極限功率為125MW。功角特性方程為P=1.25sinδ。16.系統(tǒng)受到小擾動(dòng)，功角從δ_0變化為δ_0+Δδ。線性化后的運(yùn)動(dòng)方程為M(d^2δ/dt^2)+D(dδ/dt)+Kδ=0。特征方程為Mr^2+Dr+K=0。特征值r=(-D±sqrt(D^2-4MK))/M。代入數(shù)據(jù)：M=100*(1/2)*(1/50)^2=0.2s,D=10MW/弧度/秒=10*10^6*2π*50Hz/360°=8.726*10^5rad/s,Xs=1.0Ω,Xl=0.4+j0.08Ω,Xtotal=1.4+j0.08Ω,|Xtotal|=1.414Ω,Pmax=V^2/Xtotal=100/1.414=70.71MW,P0=50MW,sinδ0=P0/Pmax=50/70.71=0.707,δ0=45°。K=dP/dδ=Pmax*cosδ0=70.71*cos45°=50MW/弧度。特征方程為0.2r^2+8.726*10^5r+50=0。求解判別式Δ=(8.726*10^5)^2-4*0.2*50=7.608*10^11-4=7.608*10^11>0。實(shí)部Re(r)=-8.726*10^5/(2*0.2)=-2.186*10^6<0。所有特征值實(shí)部為負(fù)，系統(tǒng)在小干擾下穩(wěn)定。17.同步調(diào)相機(jī)可以通過調(diào)節(jié)自身的無功功率輸出，來影響系統(tǒng)的電壓水平。在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)導(dǎo)致電壓波動(dòng)時(shí)，調(diào)相機(jī)可以快速吸收或發(fā)出無功功率，補(bǔ)償電壓變化，從而穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。穩(wěn)定電壓有助于維持發(fā)電機(jī)功角特性的穩(wěn)定，減少功角擺動(dòng)幅度，增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼，最終提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和小干擾穩(wěn)定性。其物理作用原理在于通過改變自身磁場(chǎng)強(qiáng)度或與系統(tǒng)的功率交換，實(shí)現(xiàn)電壓和功率的調(diào)節(jié)與支撐。五、論述題長(zhǎng)距離輸電線路由于線路阻抗較大（尤其是電抗），會(huì)導(dǎo)致線路末端電壓降低、功率傳輸能力受限、系統(tǒng)等效阻抗增大。這些因素使得：1.降低靜態(tài)穩(wěn)定性:輸電線路呈現(xiàn)的阻抗增大了系統(tǒng)總阻抗，根據(jù)功角特性方程，降低了靜態(tài)穩(wěn)定極限功率Pmax，使得系統(tǒng)在給定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，功角δ更容易超過穩(wěn)定極限而發(fā)生失步。2.延長(zhǎng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算時(shí)間:較大的線路電抗使得發(fā)電機(jī)電磁功率響應(yīng)較慢，功角擺動(dòng)周期可能更長(zhǎng)，系統(tǒng)恢復(fù)同步的時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)，增加了系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。3.降低系統(tǒng)阻尼:長(zhǎng)線路可能引發(fā)次同步/超同步振蕩，這些振蕩模式與系統(tǒng)固有振蕩耦合，可能降低系統(tǒng)整體阻尼，加劇小干擾下的功角波動(dòng)。為緩解長(zhǎng)距離輸電線路的不利影響，可以采取以下物理措施：1.采用串聯(lián)電容器補(bǔ)償(SVC):在輸電線路中串聯(lián)接入電容器組，補(bǔ)償線路的電抗，降低線路阻抗，提高功率傳輸能力，從而提高靜態(tài)穩(wěn)定性極限。2.采用靜止無功補(bǔ)償器(STATCOM):通過可控電力電子器件快速調(diào)節(jié)無功功率，不僅