杨柳-电力系统稳定性问题概述.

电力系统稳定问题概述报告人：杨柳电力系统稳定性的定义电力系统稳定性的分类电力系统不同类型稳定性的分析内容概要ContentsPart1电力系统稳定性的定义什么是电力系统的稳定性？Part1电力系统稳定性的定义电力系统在受到扰动后,凭借系统本身固有的能力和控制设备的作用，恢复到原始稳态运行方式，或者达到新的稳态运行方式（的能力）。来源：IEEETaskForceReport,ProposedTerms&DefinitionsofPowerSystemStabilityIEEETrans.OnPAS,Vol.PAS-101,No.7,19821995年《中国电力百科全书》中关于电力系统稳定性的定义：Part1电力系统稳定性的定义PrabhaKundur《电力系统稳定与控制》中关于稳定性的定义:电力系统稳定性可以概括地定义为这样一种电力系统的特性，即它能够运行于正常运行条件下的平衡状态，在遭受扰动后能够恢复到可以容许的平衡状态。——PowerSystemStabilityandControl中译本,2002Powersystemstabilitymaybebroadlydefinedasthatpropertyofapowersystemthatenablesittoremaininastateofoperatingequilibriumundernormaloperatingconditionsandtoregainanacceptablestateofequilibriumafterbeingsubjectedtoadisturbance.——PowerSystemStabilityandControl,1994Part1电力系统稳定性的定义2001年我国《电力系统安全稳定导则》中的稳定性定义:电力系统稳定性即电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。通常根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统，将稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、小扰动动态稳定、电压稳定及中长期动态稳定。——2001年版《电力系统安全稳定导则》Part1电力系统稳定性的定义2004年CIGRE(国际大电网会议)关于电力系统稳定性的定义：电力系统稳定性是电力系统在给定的初始运行条件下受到扰动后回到一种平衡状态，同时大部分系统变量保持有界并使得（实际上）全系统保持完整的能力。Powersystemstabilityistheabilityofanelectricpowersystem,foragiveninitialoperatingcondition,toregainastateofoperatingequilibriumafterbeingsubjectedtoaphysicaldisturbance,withmostsystemvariablesboundedsothatpracticallytheentiresystemremainsintact.——IEEE/CIGREJointTaskForceonStabilityTermsandDefinitions，2004Part2电力系统稳定性的分类为什么要对电力系统的稳定性问题进行分类？Part2电力系统稳定性的分类稳定性在本质上是不同方向的作用力互相平衡的结果；电力系统作为一种高维、多变量的动力系统，其动态过程受到网络拓扑、运行条件和扰动类型等多方面的影响，各种力的失衡有多种形式，表现为多种不稳定现象；关于电力系统稳定性定义不能采取通用的简单方法进行分析，需要根据电力系统具体的失稳现象采用适当的描述方式突出重点问题。Part2电力系统稳定性的分类分类的目的(1)便于理解系统失稳的机理；(2)便于识别系统失稳的原因；(3)便于选择合适的分析模型、方法和工具；(4)便于发展正确的应对手段。Part2电力系统稳定性的分类分类所基于的基本准则：1.可观察到的系统主要变量在失稳过程中表现出来的性质；2.导致失稳过程的扰动的大小（可决定在稳定分析、计算和预测时采取的方法）；3.为评价稳定性需要考虑的元件、过程及时间范围。Part2电力系统稳定性的分类IEEE/CIGRE稳定定义联合工作组根据电力系统失稳的物理特性、受扰动的大小以及研究稳定问题必须考虑的设备、过程和时间框架，将电力系统稳定分为功角稳定、电压稳定和频率稳定三大类及众多子类，如图1所示：Part2电力系统稳定性的分类功角稳定性（即同步稳定性）电力系统正常运行的重要标志即系统中的所有同步发电机均同步运行（电气角速度相同）。如果机组间失去同步，系统的电压、电流和功率等状态变量就会大幅度地、周期性地振荡变化，以致系统不能向负荷正常供电。功角稳定，即指系统受到扰动后，功角能恢复到原值，或稳定到一个新的值。Part2电力系统稳定性的分类功角稳定性下面以单机无穷大系统为例，说明功角稳定性：功角的定义：发电机电势与系统电压之间的相角差。Part2电力系统稳定性的分类结论：功角持续变化，将导致电流、节点电压、输出功率持续变化。因此，功角是此系统的状态变量。Part2电力系统稳定性的分类简单系统中发电机的功率现以图2所示的简单系统为例，分析其发电机的电磁功率假设发电机为隐极式同步发电机（此时发电机的空载电势恒定）以空载电动势和同步电抗表示发电机，由图4可得：dxPart2电力系统稳定性的分类有功功率的表达式为将（1）式带入（2）式，得为电动势时的功率表达式由于传输功率的大小与相位角δ密切相关，故称δ为“功角”或“功率角”。传输功率与功角δ的关系，称为“功角特性”或“功率特性”。(3)式中，无限大容量系统的母线电压U为常数。若假设转子回路无暂态过程，即励磁电流为常数，则也为常数。发电机发出的电磁功率仅是δ的函数。Part2电力系统稳定性的分类sindqEqxUEP功率极限Part2电力系统稳定性的分类频率稳定频率稳定指的是在导致系统发电量和负荷量出现明显不平衡现象的严重扰动发生后，系统维持频率的能力。频率失稳的现象为频率持续波动并导致切机和/或切负荷。Part2电力系统稳定性的分类电压稳定电压稳定指的是在给定初始运行条件下发生扰动后，电力系统维持其所有节点电压值的能力。电压失稳通常表现为部分节点电压逐渐下降或上升。（大部分电压失稳现象表现为电压的持续下降，但电压上升的失稳情况也是存在的并发生过）电压失稳可能导致的后果：（1）系统电压崩溃，大量失去负荷；（2）保护系统切除联络线或其他设备并导致连锁反应，部分发电机也可能在此过程中失去同步。Part2电力系统稳定性的分类注意：失稳现象常常不是纯粹的某一类别，系统一旦以某种形式失去稳定，常常会最终导致其他形式的失稳现象。必须全面考虑系统的稳定问题，对某种稳定问题的解决方案不应以牺牲另外形式的稳定性为代价。Part3电力系统不同稳定性类型的分析功角稳定性分类电力系统在发生功角失稳的动态过程中表现出不同的特征，导致在分析研究功角稳定性时将其分类并采取不同的分析方法和控制对策。2001年，我国电网运行与控制标准化技术委员会制定的DL755-2001《电力系统安全稳定导则》中，将功角稳定性分为下列三类：1）静态稳定：是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步（功角不断增大），自动恢复到初始运行状态的能力。2）暂态稳定：是指电力系统受到大扰动后,各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指保持第一或第二个振荡周期不失步的功角稳定。3）动态稳定：是指电力系统受到小的或大的扰动后，在自动调节和控制装置的作用下，保持较长过程的运行稳定性的能力。Part3电力系统不同稳定性类型的分析补充概念：功角一旦发生变化，就意味着发电机失步。非周期性失步：功角不断增大。非周期失步将造成系统电压、电流大幅振荡。周期性失步：功角在某个点震荡，最后稳定于某个值。小干扰：比如系统中负荷的小量变化；又如架空输电线因风吹摆动引起的线间距离（影响线路电抗）的微小变化等。大扰动：电力系统发生短路、断线或者切除大容量元件等。Part3电力系统不同稳定性类型的分析简单电力系统的静态稳定（定性分析）电力系统的静态问题实际上就是确定系统的某个运行稳态能否保持的问题。sindqEqxUEP机组稳定运行时，转子轴上的不平衡转矩有如下关系：0ETMMM-可近似认为:TTMPEEMP平衡点原动机的机械转矩是由发电厂动力部分的运行状态决定的，而发电机的电磁转矩则是由发电机及其连接的电力系统中的运行状态决定的。Part3电力系统不同稳定性类型的分析对a点进行分析：1）假设突然某个微小扰动，使功角增加△δ，则输出功率为a’所对应的值;2）此时，，转子减速，功角δ减小，运行点从a’向a移动；3）当运行点达到a点时，，但此时由于转子转速低于同步转速，功角δ继续减小，运行点从a向a’’移动；4）当运行点越过a点时，，转子加速，在达到同步转速之前，功角δ继续减小，运行点继续从a向a’’移动；5）当转子达到同步转速之后，由于此时，转子转速将超过同步转速，功角δ增大，即运行点转而从a’’向a移动。结论：如果无阻尼，运行点将在a’与a’’之间振荡；如果有阻尼，则在振荡之后，运行点最终稳定于a。Part3电力系统不同稳定性类型的分析对a点进行分析：1）假设突然某个微小扰动，使功角减小△δ，则输出功率为a’’所对应的值;2）此时，，转子加速，功角δ增大，运行点从a’’向a移动；3）当运行点达到a点时，，但此时由于转子转速高于同步转速，功角δ继续增大，运行点从a向a’移动；4）当运行点越过a点时，，转子减速，在达到同步转速之前，功角δ继续增大，运行点继续从a向a’移动；5）当转子达到同步转速之后，由于此时，转子转速将低于同步转速，功角δ减小，即运行点转而从a’向a移动。结论：如果无阻尼，运行点将在a’’与a’之间振荡；如果有阻尼，则在振荡之后，运行点最终稳定于a。Part3电力系统不同稳定性类型的分析对b点进行分析：1）假设突然某个微小扰动，使功角减少△δ，则输出功率为b’所对应的值;2）此时，，转子减速，功角δ减小，运行点从b’向a移动；3）当运行点达到a点时，，但此时由于转子转速低于同步转速，功角δ继续减小，运行点从a向a’’移动；4）当运行点越过a点时，，转子加速，在达到同步转速之前，功角δ继续减小，运行点继续从a向a’’移动；5）当转子达到同步转速之后，由于此时，转子转速将超过同步转速，功角加大，即运行点转而从a’’向a移动；结论：如果无阻尼，运行点将在a’与a’’之间振荡；如果有阻尼，则在振荡之后，运行点最终稳定于a。Part3电力系统不同稳定性类型的分析对b点进行分析：1）假设突然某个微小扰动，使功角增大△δ，则输出功率为b’’所对应的值;2）此时，，转子加速，功角δ增大，运行点从b’’向横轴移动；3）上述过程中，总成立，因此，功角δ继续增大，运行点无法回到b点，发电机非周期性失步。结论：发电机非周期性失步。Part3电力系统不同稳定性类型的分析受小扰动后的功角变化特性δ衰减振荡δ非周期性失步Part3电力系统不同稳定性类型的分析a、b两运行点的对比共同点：都是平衡点，且电磁功率相同。结论：发电机工作在功率曲线的上升部分时，系统是静态稳定的；而工作在功率曲线的下降部分时，系统不稳定。综上，简单电力系统静态稳定的判据为不同点：（1）a点功角小于90度，而b点功角大于90度；（2）a点功角增大，电磁功率也增大，功角减小，电磁功率也减小；b点正相反，功角增大，电磁功率减小，功角减小，电磁功率增大。换言之，在a点，两个变量与的符号相同，即，或改写成微分的形式；在b点，两个变量与的符号相反，即。Part3电力系统不同稳定性类型的分析简单电力系统静态稳定性实用判据cos)sin(dqdqExUExUEddP整步系数整步系数表征发电机维持同步运行的能力，即静态稳定的程度。（整步系数越大，系统的静态稳定程度越高）所对应的运行点的功率称为静态稳定极限，即保持静态稳定时发电机所能输送的最大功率。功率极限dqMxUEPPart3电