电力系统稳定性

12020/1/30第七章电力系统稳定性电气工程及其自动化专业电气工程学院刘宏勋讲述电力系统稳定性的基本概念、基本分析方法及基本的提高电力系统稳定性的方法.“814”大停电的启示2003年8月14日北美发生了震惊世界的大停电，随后相继又发生了澳大利亚、伦敦、瑞典、丹麦、意大利大停电，接着在2004年7月12日希腊首都雅典、11月18日西班牙首都马德里市中心发生大停电，2005年1月8日瑞典南部飓风袭击引起的大停电、5月25日上午11时10分莫斯科发生俄罗斯历史上规模最大的停电事故。大范围的停电事故，给该地区工业生产、商业活动及交通运输等经济方面造成巨大损失，并严重影响了人们社会生活。大停电事故受到各国政府首脑和整个社会的高度关注。“814”大停电历时29小时、损失负荷6180万千瓦,影及5千万人口,损失达300亿美元；意大利数小时的大面积停电，仅直接经济损失就达数亿欧元；莫斯科大停电直接经济损失至少10亿美元，200万人停水断电，两万人被困在地铁，间接损失无法估计。★为什么会发生大停电事故？★如何有效防止发生大停电？“814”事故的最终调查报告已经公布，以上是从中节录的部分图片，事故的直接原因已比较清楚。但更深层次的原因仍值得分析，从中接收教训：（1）电网整体结构不合理：美国电网建设缺乏总体规划，高低压电磁环网运行；区域电网间信息交换较少，调度员无法监视跨区域电力系统系统全貌。（2）继电保护定值不协调：美国继电保护距离三段定值不能区分线路短时过负荷，定值缺乏统一协调；保护装置的振荡闭锁功能不完善，当线路出现严重过载或系统发生振荡时会误跳闸，引发连锁反应。（3）安稳控制装置的配置不完善：如过负荷控制、失步解列、低频低压解列、低压切负荷等配置不足或根本就没有，不能及时有效制止电网事故的扩大。（4）调度过分依靠计算机系统，一旦计算机系统异常，造成信息不全、不可靠，电网调度就无所作为，陷于瘫痪状态。（5）电网运行追求高经济效益，送电接近输送极限，安全稳定裕度很小。一旦线路跳闸引起潮流转移时，就往往引起线路的严重过载，再加上述原因，就容易发生一系列连锁反应，事故扩大。(6)按北美电力可靠性委员会（NERC）标准，“事故时互联电网不要解列，以获得相互支援”，致使电网各参与者在本次事故中未采取任何主动解列操作措施。对这项标准值得重新反思。总之，这次大停电是由多种原因、多个因素形成，值得分析和吸取教训。52020/1/30本章内容7.1电力系统稳定性概述7.2同步发电机组的机电模型7.3电力系统的静态稳定7.4电力系统的暂态稳定7.5提高电力系统稳定性的措施62020/1/30电力系统稳定性通常被定义为在正常运行状态下,系统保持稳定运行的可能性以及在受到扰动后,系统重新恢复到稳态运行的能力.7.1电力系统稳定性的概述72020/1/30电力系统是典型的大规模，非线性，时变动态系统。一般取发电机功角转速等为状态变量，网路节点电压U功率P和Q或节点注入电流I等非状态变量为运行变量y。电力系统稳定就是研究这样一个大规模非线性微分—代数方程组所描述的系统，在给定的平衡状态下，受到物理扰动后，系统能保持完整性并重新获得运行平衡点，及系统内所有运行发电机保持同步运行，系统中枢点电压保持在运行的范围内的能力。7.1电力系统稳定性的概述82020/1/30电力系统稳定性功角稳定频率稳定电压稳定静态稳定小扰动动态稳定大扰动动态稳定暂态稳定静态电压稳定大扰动电压稳定短期过程长期过程第一、二摇摆过程短期过程长期过程长期过程短期过程(暂态电压稳定)《计算规定》定义的电力系统稳定性分类9暂态稳定：主要指系统受到大扰动后第一、二摇摆的稳定性，用以确定系统暂态稳定极限和稳定措施，其物理特性是指与同步力矩相关的暂态稳定性。在计算分析中允许采用恒定模型。大扰动动态稳定：主要指系统受到大扰动后，在系统动态元件和控制装置的作用下，保持系统稳定性的能力，其物理特性是指与阻尼力矩相关的大扰动动态稳定性。主要用于分析系统暂态稳定后的动态稳定性。在计算分析中，必须考虑详细的动态元件和控制装置的模型，如：励磁系统及其附加控制（PSS）、原动机调速器、电力电子装置等。10频率稳定性：是指电力系统发生突然的有功功率扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内，不发生频率崩溃的能力。主要用于研究系统的旋转备用容量和低频减载配置的有效性和合理性，以及机网协调问题。静态电压稳定：是指系统受到小扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压崩溃的能力。主要用以定义系统正常运行和事故后运行方式下的电压静稳定储备情况。11大扰动电压稳定：包括暂态电压稳定、动态电压稳定和中长期电压稳定，是指电力系统受到大扰动后，系统不发生电压崩溃的能力。暂态电压稳定主要用于分析快速的崩溃问题，中长期电压稳定主要用于分析系统在响应较慢的动态元件和控制装置的作用下的电压稳定性，如：有载调压变压器（ULTC）、发电机定子和转子过流和低励限制、可操作并联电容器、电压和频率的二次控制、恒温负荷等。122020/1/30同步运行状态：所有并联运行的同步电机都有相同的电角速度。是电力系统正常运行的一个重要标志。在这种运行状态下，表征运行状态的参数具有接近于不变的数值，通常称为稳定运行状态。电力系统稳定性问题：系统在某一正常运行状态下受到扰动后能否恢复到原来的运行状态或过渡到新的稳定运行状态的问题。132020/1/30同步稳定性问题：电力系统在运行中受到微小的或大的扰动之后能否继续保持系统中同步电机间同步运行的问题。这种稳定性是根据功角的变化规律来判断的，因而又称功角稳定性。电压稳定性：电力系统在某些情况下会出现不可逆转的电压持续下降或电压长期滞留在安全运行所不能容许的低水平上而不能恢复。142020/1/30转矩平衡与稳定性：转子上转矩必须平衡，发电机才能稳定地与系统同步运行；但转矩平衡并不一定能稳定运行。静态稳定性:电力系统在受到小扰动后不发生非周期性失稳的功角稳定性，其物理特性是指与同步力矩相关的小扰动动态稳定性。运行中受到微小扰动后独立地恢复到它原来的运行状态的能力.暂态稳定性问题:电力系统在正常运行时受到一个大的扰动,能否从原来的运行状态不失去同步的过渡到新的运行状态,并在新的状态下稳定运行.152020/1/301、同步发电机的转子运动方程MdtdJdtdJJ22以机械量表示的转子运动方程eTMMMdtddtd7.2同步发电机机组的机电模型162020/1/30发电机功角：（1）表示发电机电势之间的相位差，即表征系统的电磁关系。（2）表征各发电机转子之间相对空间位置（位置角）发电机i的q轴发电机j的q轴把用机械量表示的转子运动方程用电气量来表示172020/1/30发电机i的q轴发电机j的q轴tttNdtddtddtd22Ndtddtddtd222222dtddtd机械量与电气量之间的关系182020/1/30把用机械量表示的转子运动方程用电气量来表示MdtdSJNBN222BNJSJT2MdtdTNJ22发电机组的惯性时间常数eTBBBNNBPPSPSMSMSMM/在机械角速度变化不大时PPPdtdTeTNJ22)(eTJNNPPTdtddtd19*惯性时间常数TJ的物理意义BNJSJT2NNNBNNJNSMMSJT/2N＝基准的惯性时间常数；为以发电机额定容量为＊MdtdJMdtdTJNdtMdTJN20dtMdTJN1TM0eM1MttJNdtdtMdT0010tTJNTJN=t表明：发电机空载时（Me*=0),原动机加额定转矩（MT*=1),转子从静止状态（Ω＊＝0）启动到转速为额定值（Ω＊＝1）所需的时间为额定惯性时间按常数。212020/1/30TJN=t表明：发电机空载时（Me*=0),原动机加额定转矩（MT*=1),转子从静止状态（Ω＊＝0）启动到转速为额定值（Ω＊＝1）所需的时间为额定惯性时间按常数。PPPdtdTeTNJ22222020/1/30二、电力系统的功率特性简单电力系统：发电机通过变压器、输电线路与无穷大容量母线相连，且不计元件电阻和导纳的电力系统。232020/1/301.隐极式发电机的功率特性TLdTLTddXXXXXXX2121dIIqIVqVIjXdqEIjXVEdq242020/1/30sindqVXVEP发电机送到系统的功率252020/1/30sindqEXVEPq功率极限:功率曲线上的最大值dqdqEdqEXVEXVEXVEPqmqm90sinsin262020/1/302.凸极式发电机的功率特性2sin2sin2qdqddqEqXXXXVXVEP272020/1/303.自动励磁调节器对功率特性的影响不调节励磁时Eq不变,随着发电机输出功率的增大,功角增大,发电机端电压要下降.GV282020/1/30自动励磁调节器:根据发电机端电压的变化来调节励磁电流的大小,从而调节Eq的大小，保持发电机端电压在正常值范围内。调节励磁时发电机功率特性的变化1－Ｅq0=100%；2－Ｅq=120%；3－Ｅq=140%；4－Ｅq=160%；5－Ｅq=180%；6－Ｅq=200%=常数结论:稳定区域扩大sindqEXUEPq292020/1/307.3电力系统静态稳定性静态稳定性：电力系统在某一运行方式下受到一个小扰动，系统恢复到原始运行状态的能力。小扰动：正常的负荷波动、系统操作、少量负荷的投切和系统接线的切换等。302020/1/30一、电力系统静态稳定性的基本概念1.简单电力系统静态稳定性分析sindqEXVEPq有两个功率平衡点a和b:•a为稳定平衡点312020/1/30b为不稳定平衡点322020/1/302.简单电力系统静态稳定的实用判据结论：工作在功率曲线的上升部分，系统是静态稳定的；而工作在下降部分，则不稳定。实用判据：0ddPe0eP332020/1/30整步功率系数：表明发电机维持同步运行的能力，即静态稳定的程度。cosdqeEqXVEddPS342020/1/303.静态稳定储备系数以有功功率表示的静态稳定储备系数%10000GGmPPPPK352020/1/30二、运动稳定性的基本概念和小干扰法的基本原理动力学系统运动的稳定性：由描述动力学系统的微分方程组的解来表征，反映为微分方程组解的稳定性。李雅普诺夫运动稳定性理论：某一运动系统受到一个非常微小并随即消失的力（小扰动）的作用，使某些相应的量X1、X2……产生偏移，经过一段时间，这些偏移量都小于某一预先指定的任意小的正数，则未受扰系统是稳定的，否则不稳定。如果未受扰系统是稳定的，并且：则称为受扰系统是渐近稳定的。电力系统静态稳定属于渐近稳定。0)(limtXit362020/1/30非线性系统的线性近似稳定性判断法设有一个不显含时间变量t的非线性系统,其运动方程为:Xe是系统的一个平衡状态,如果系统受扰动偏离平衡状态,记X=Xe+ΔX将其代入运动方程并展开成泰勒级数:R(ΔX)为ΔX的二阶及以上阶各项之和.令F(X)Xdtd)(|ΔXRΔXXF(X))F(XΔX)(XeXXeedddtdnnijadd][|AXF(X)eXX372020/1/30二、运动稳定性的基本概念和小扰动法原理矩阵A称为雅可比矩阵,其元素为:计及,展开式变为:忽略高阶项:这就是原非线性方程的线性近似(一次近似)方程,或呈线性化的小扰动方程.李雅普诺夫稳定性判断原则