第七章电力系统小干扰稳定分析

第7章电力系统小干扰稳定分析电力系统在运行过程中无时不遭受到一些小的干扰，例如负荷的随机变化及随后的发电机组调节；因风吹引起架空线路线间距离变化从而导致线路等值电抗的变化，等等。这些现象随时都在发生。和第6章所述的大干扰不同，小干扰的发生一般不会引起系统结构的变化。电力系统小干扰稳定分析研究遭受小干扰后电力系统的稳定性。系统在小干扰作用下所产生的振荡如果能够被抑制，以至于在相当长的时间以后，系统状态的偏移足够小，则系统是稳定的。相反，如果振荡的幅值不断增大或无限地维持下去，则系统是不稳定的。遭受小干扰后的系统是否稳定与很多因素有关，主要包括：初始运行状态，输电系统中各元件联系的紧密程度，以及各种控制装置的特性等等。由于电力系统运行过程中难以避免小干扰的存在，一个小干扰不稳定的系统在实际中难以正常运行。换言之，正常运行的电力系统首先应该是小干扰稳定的。因此，进行电力系统的小干扰稳定分析，判断系统在指定运行方式下是否稳定，也是电力系统分析中最基本和最重要的任务。虽然我们可以用第6章介绍的方法分析系统在遭受小干扰后的动态响应，进而判断系统的稳定性，然而利用这种方法进行电力系统的小干扰稳定分析，除了计算速度慢之外，最大的缺点是当得出系统不稳定的结论后，不能对系统不稳定的现象和原因进行深入的分析。李雅普诺夫线性化方法为分析遭受小干扰后系统的稳定性提供了更为有力的工具。借助于线性系统特征分析的丰富成果，李雅普诺夫线性化方法在电力系统小干扰稳定分析中获得了广泛的应用。下面我们首先介绍电力系统小干扰稳定分析的数学基础。李雅普诺夫线性化方法与非线性系统的局部稳定性有关。从直观上来理解，非线性系统在小范围内运动时应当与它的线性化近似具有相似的特性。将式(6-290)所描述的非线性系统在原点泰勒展开，得式中：0eexxxfxxfxAxx如果hx在邻域内是x的高阶无穷小量，则往往可以用线性系统的稳定性来研究式(6-288)所描述的非线性系统在点ex的稳定性[1]：(1)如果线性化后的系统渐近稳定，即当A的所有特征值的实部均为负，那么实际的非线性系统在平衡点是渐近稳定的。(2)如果线性化后的系统不稳定，即当A的所有特征值中至少有一个实部为正，那么实际的非线性系统在平衡点是不稳定的。(3)如果线性化后的系统临界稳定，即当A的所有特征值中无实部为正的特征值，但至少有一个实部为零的特征值，那么不能从线性近似中得出关于实际非线性系统稳定性的任何结论。显然，李雅普诺夫线性化方法的基本思想是，从非线性系统的线性逼近稳定性质得出非线性系统在一个平衡点附近的局部稳定性的结论。在进行电力系统的小干扰稳定分析时，我们总是假设正常运行的系统(运行在平衡点exx或0x)在0tt时刻遭受瞬时干扰，系统的状态在该时刻由0点转移至0xt。这个0xt就是干扰消失后系统自由运动的初始状态。由于干扰足够小，0xt处0x的一个足够小的邻城内，从而使得hx在0x的邻域内是x的高阶无穷小量。因此，根据李雅普诺夫线性化理论，可以用线性化系统的稳定性来研究实际非线性电力系统的稳定性。为此，将描述电力系统动态特性的微分-代数方程式(6-1)、式(6-2)在稳态运行点00,xy线性化，得式中：记R表示实数集合，nR表示n维实向量空间，mnR为所有m行n列实数矩阵组成的向量空间。定义nR等于1nR，即nR中的元素是列向量；另一方面，1nR中的元素是行向量。显然，上式中,,,,nmnmnmnmARBRCRDR%%%%。在式(7-3)中消去运行向量y，得到式中：矩阵nnAR%，通常被称为状态矩阵或系数矩阵。由此可见，小干扰稳定性分析实际上是研究电力系统的局部特性，即干扰前平衡点的渐近稳定性。显然，应用李雅普诺夫线性化方法研究电力系统小干扰稳定性的理论基础是干扰应足够微小。因此我们说这样的干扰为小干扰，当此干扰作用于系统后，暂态过程中系统的状态变量只有很小的变化，线性化系统的渐近稳定性能够保证实际非线性系统的某种渐近稳定性。至此，我们知道，稳态运行情况下电力系统遭受到足够小的干扰后，可能出现两种不同的结局：一种结局是，随着时间的推移干扰逐渐趋近于零(即有扰运动趋近于无扰运动，对应于矩阵A的所有持征值都具有负实部)，我们称系统在此稳态运行情况下是渐进稳定的，显然受扰后的系统最终将回到受扰的的稳态运行情况；另一种结局是，无论初始干扰如何小，干扰x都将随着时间的推移无限增大(对应于矩阵A至少有’一个实部为正的特征值)，显然系统在此稳态运行情况下是不稳定的。对于实际运行的电力系统来说，分析临界情况下的系统稳定性并无多大意义，可以视它为系统小干扰稳定极限的情况。最后需要说明的是，前面在研究系统的稳定性时，假设干扰是瞬时性的，即系统的状态在瞬时由0x转移至此0xt，并且引起变化的干扰消失。这同样适用于研究永久性干扰下系统的稳定性，即此时我们可以把它考虑成研究系统在新的平衡点遭受瞬时性干扰的稳定性。另外，对一些给定的小干扰不稳定或阻尼不足的运行方式，可以通过特征分析方法得到一些控制参数和反映系统稳定性的特征值之间的关系，进而得出提高系统小干扰稳定性的最佳方案。因而进行电力系统的小干扰稳定分析显得尤为重要。这样，电力系统在某种稳态运行情况下受到小的干扰后，系统的稳定性分析可归结为(1)计算给定稳态运行情况下各变量的稳态值。(2)将描述系统动态行为的非线性微分-代数方程在稳态值附近线性化，得到线性微分-代数方程。(3)求出线性微分-代数方程的状态矩阵A，根据其特征值的性质判别系统的稳定性。以上讨论的小干扰稳定问题主要涉及发电机组之间的机电振荡，这时我们将发电机组看成是集中的刚体质量块。然而，实际的大型汽轮发电机组的转子具有很复杂的机械结构，它是由几个主要的质量块，如各个汽缸的转子、发电机转子、励磁机转子等，通过有限刚性的轴系联接而成。当发电机受到干扰后，考虑到各质量块之间的弹性，它们在暂态过程中的转速将各不相同，从而导致各质量块之间发生扭(转)振(荡)(TorsionalOscillation)。由于各质量块的转动惯量小于发电机组总的转动惯量，因此各质量块之间扭振的频率要高于发电机组之间机电振荡的频率，这个频率一般在十几到四十几赫兹之间，因此也常将这种振荡称为次同步振荡(SubsynchronousOscillation，SSo)。次同步振荡发生后，在发电机组轴系中各质量块之间将产生扭力矩．轴系反复承受扭力矩会造成疲劳积累，从而降低轴系的使用寿命；当扭力矩超过一定限度后会造成大轴出现裂纹甚至断裂。系统出现的次同步振荡主要与励磁控制、调速器、HVDC控制及串联电容器补偿的输电线路的相互作用有关。进行电力系统的次同步振荡分析时，首先应建立汽轮发电机组的轴系模型；另外，由于扭振的频率较高，故系统中各元件不能再采用准稳态模型，而应计及系统的电磁暂态过程。对次同步振荡的详细分析已超出了本书的既定范围，有关电力系统次同步振荡分析的模型及方法，有兴趣的读者可参阅文献[5，6]。本章首先推导出电力系统各动态元件的线性化方程，并给出了全系统线性化方程的形成方法和小干扰稳定计算的基本步骤，接着讨论了小干扰稳定分析中的特征值问题和电力系统振荡分析方法，最后介绍了大规模电力系统小干扰稳定分析的几种持殊方法。7.2电力系统动态元件的线性化方程在进行电力系统小干扰稳定分析时，需要将各动态元件的方程线性化，下面我们推导各动态元件的线性化方程。在进行线性化时，通常不考虑所有控制装置中限制环节的作用。其原因是，在正常的稳态运行情况下，控制装置中状态变量的稳态值一般在其限制环节的限制之内。当干扰足够小时，各状态变量的变化也足够小，使得其变化范围不会超出其限制环节的限制。至于一些控制装置中的失灵区，一般认为失灵区很小，可以忽赂不计；而当失灵区很大时，可以认为整个控制系统不起作用。7.2.1同步发电机组的线性化方程1.同步电机。对式(6-114)一(6-116)描述的同步电机方程，在给定的稳态运行情况下，系统各变量的稳态值0000000000000,,,,,,,,,,,,qqdddqdqmefqEEEEIIVVPPE可按式(6-74)一(6-78)和式(6-118)一(6-122)算出。将各方程在稳态值附近线性化，可得到同步电机的线性化方程(2)励磁系统。以图5-16所示的采用可控硅调节器的直流励磁机励磁系统为例，根据式(6-136)一(6-140)，可以推导出其线性化方程。对测量滤波环节，由于CCVVjXI&。根据坐标变换式(5-63)，发电机端电压和电流用它们的,dq分量可表示为这时显然有将上式在稳态值附近线性化可得到式中：对式(6-136)线性化，并格式(7-10)代入其中，从而消去CV，即得到测量滤波环节的线性化方程用式(6-140)模拟励磁机的饱和特性，将式(6-139)在稳态运行点线性化，可得到励磁机的线性化方程最后，将式(6-137)、式(6-138)的线性化方程和式(7-12)、式(7-3)一起，并经整理后得到整个直流励磁机励磁系统的线性化方程(3)PSS。对于图5-l4所示的电力系统稳定器，根据式(6-142)、式(6-143)，当输入为转速偏差，即ISsV时，可依次列出如下线性化方程：上式经适当整理后，可得到PSS线性化方程的状态表达式(4)原动机及调速系统。对如图5-24所示的水轮机及其调速系统，可以根据式(6-171)一(6-177)得到其线性化方程2．同步发电机组线性化方程的矩阵描述及坐标变换1)发电机组方程的矩阵描述。当发电机组采用式(7-6)、式(7-7)、式(7-9)、式(7-15)、式(7-17)描述时，将其中的状态变量按如下顺序组成向量：并定义这时各发电机微分方程式的线性化方程写成如下矩阵形式：而定子电压方程式的线性化方程表示为以上两式中系数矩阵,,,,gIgVgggABBPZ的元素可以很容易地通过比较式(7-20)和式(7-6)、式(7-9)、式(7-15)、式(7-17)及比较式(7-12)和式(7-7)而得到，即在同步电机、励磁系统、原动机及其调速系统等采用其他模型时，同上原理，总可以先写出各自的线性化方程，然后表示成式(7-20)、式(7-21)的形式。另外还需注意，式(7-18)中各状态变量的排序并不是一成不变的，不同的排序下有相应的矩阵。(2)坐标变换。式(7-20)和式(7-21)中的dqgV和dqgI为各发电机本身,dq轴电压和电流分量的偏差，因此必须把它们转换成统一的同步旋转坐标参考轴xy下的相应分量，以便将它们和电力网络联系起来。对于发电机端电压，由坐标变换式(5-62)可知稳态值0000,,,dqxyVVVV和0也应满足式(7-22)，即将式（7-22）在稳态值附近线性化，得利用式（7-23），式（7-24）可另写为简写成式中：很明显，0gT为正交矩阵，即满足同理，对发电机电流也可得到以下关系：式中将式（7-26）和式（7-28）代入式（7-21）消去dqgV和dqgI，可以得到式中：将式（7-26）和式（7-28）代入式（7-20）消去dqgV和dqgI，并利用式（7-29）、式（7-30）消去gI，可以得到式中：式(7-31)和式(7-29)便组成每个发电机组的线性化方程，它类似于一般线性定常系统的状态方程和输出方程。7.2.2负荷的线性化方程在小干扰稳定性分析中，负荷大都采用电压静态特性模型。如果要考虑一些感应电动机负荷，可以用类似于推导同步电机线性化方程的方法得到感应电动机的线性化方程。无论采用什么形式模拟负荷的电压静特性，负荷节点注入电流与节点电压的偏差关系总可以写成如下形式：式中：其中的系数可由负荷节点注入电流与节点电压的关系式求得，即当采用二次多项式模拟负荷的电压静特性时，可以利用如式(6-48)所示的负荷节点注入电流与