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NorthChinaElectricPowerUniversityDepartmentofElectricalEngineeringBaoding2008.09-12电力系统稳定性分析目录一．概述二．复杂电力系统静态稳定分析四．电力系统低频振荡分析及解决方法三．复杂电力系统暂态稳定性分析五．电力系统电压稳定性分析及处理措施六．电力系统中、长期稳定性研究第六章电力系统中、长期稳定性研究一．概述二．严重扰动时的发电厂响应三．中长期动态响应的模拟第一节概述电力系统的中长期稳定性与电力系统对严重扰动的响应相关。这些严重扰动使系统的频率、电压、潮流产生较大及持续的偏移，以致引起系统一些较慢的动态过程的变化、保护和控制系统的动作等等，这些现象在一般的暂态稳定研究中是不模拟的。第六章电力系统中、长期稳定性研究本章简单介绍系统承受严重扰动时的响应，介绍模拟中长期动态过程时对模型的要求及分析技术。此外，还给出了增强电力系统应付严重扰动的能力的一些基本原则。第六章电力系统中、长期稳定性研究一、电力系统的中长期动态过程研究系统的中长期动态过程时，将电力系统的运行状况构想成图6-1所示的五种状态是很有帮助的。在正常状态下，系统所有运行变量都在额定范围内，没有过负荷的设备。系统运行于安全的方式下，能够承受偶然事故而不超出任何约束条件。第六章电力系统中、长期稳定性研究图6-1电力系统运行状态第六章电力系统中、长期稳定性研究对实际系统的调查表明，某些导致系统故障的事件存在如图6-2所示的方式。图6-2给出了由警戒状态向极端状态转移的一些事件。起始事件可能为一种自然原因的干扰、设备的一次误动或一些人为的因素。现代电力系统应按最可能发生的事故进行设计和操作，以确保安全运行。绝大多数情况下，电力系统能承受任何单一事故及许多多重事故。保护和控制系统的动作阻止了扰动传至电网的其他部分。第六章电力系统中、长期稳定性研究图6-2严重扰动时系统状态的转移第六章电力系统中、长期稳定性研究然而，偶而会有一种不经常发生的情况和事件的组合，造成互联系统的一部分完全解列并形成一个或多个电气上孤立的电网。起始事件通常为较正常设计远为严重的事故，例如由闪电、冰雹或通信设备的误动引起的几条输电线跳开。由起始事件引发的一些事件，使系统状况进一步恶化，从而造成不可控的连锁性停运。第六章电力系统中、长期稳定性研究在后续的状况中，可能存在频率的大范围波动(48-53Hz)和电压的大幅度变化(为扰动前的50％-120％)，使系统状况恶化至极端状态，结果使系统失去相当大部分负荷。在这些情况下，控制系统和保护系统的动作将支配系统的响应。但系统状况常常因保护和控制系统的协调不良而恶化。紧急控制的目的就是尽可能多地挽救系统以避免整体瓦解。第六章电力系统中、长期稳定性研究二、系统解列时孤岛的运行状况系统对孤岛运行状况的响应基本为一持续的频率动态过程。因此在确定系统动态特性时，速度控制及随后的原动机和能量供应系统的响应起着主要作用。同时还常常伴随着电压偏高或偏低的现象。第六章电力系统中、长期稳定性研究1．发电量不足的孤立电网在一个总发电出力小于总负荷的子电网中，频率将下降。如该电网的旋转备用充足，几秒钟内系统频率便可恢复到接近正常值。若是能快速增加的发电量不足，则频率可能降低到导致低频保护继电器动作切除火电机组，使情况更为严重。因此，通常采用低周减载方案，将子电网中的负荷减少，使现有发电量满足负荷需求。第六章电力系统中、长期稳定性研究因此，在一个发电量不足的孤立电网中，系统初始的暂态过程取决于发电厂旋转备用和低周减载的响应。几秒钟内便可到达频率的最低值。过了该点后，系统频率响应取决于原动机及其调速器的特性。第六章电力系统中、长期稳定性研究2．发电量过剩的孤立电网在一个发电量过剩的孤立电网中，频率将上升，调速系统的响应将降低汽轮机产生的机械功率。实际上发电厂经受了一次“部分甩负荷”。该孤立电网的性能及其维持稳定而不失负荷的能力取决于电厂承受部分甩负荷的能力。第六章电力系统中、长期稳定性研究3．无功功率平衡孤立电网的性能也受电网无功功率平衡的影响。无功出力和无功负荷的严重不平衡会导致电压偏高或偏低的情况。发电机过励／欠励限制器可能会动作。极端情况下，保护会导致发电机组跳闸。例如，孤立电网超高压线路和／或电缆轻载时，会使发电机吸收大量的无功功率，若不迅速调整，则发电机会因失磁保护而切机。第六章电力系统中、长期稳定性研究4．发电厂厂用电供电电压和频率的变化，特别是下降，会降低由感应电动机驱动的发电厂辅机性能。如循环水、冷凝水、加热器疏水及给水相关的泵。这些泵的性能下降可能导致冷凝器失去真空、汽轮机排汽温度增高以及冷凝水／给水流量不足。第六章电力系统中、长期稳定性研究许多核电厂有低电压和低频率继电器，当电压过低(典型值为额定值的70％)和频率过低(典型值为49.2Hz)时断开电厂。发电厂的电动机，通常在其起动和保护回路中应用电磁式接触器和继电器，当发生严重的或长时间的电压下降时，这些接触器和继电器将动作使电动机与电源断开。第六章电力系统中、长期稳定性研究5．系统恢复当孤立电网达到稳态时，运行人员将分步恢复互联系统。这涉及到调整每个孤立电网的发电和负荷，使这些孤立电网再同步及恢复系统扰动时切除的发电机组、负荷和其他设备。第六章电力系统中、长期稳定性研究火电机组的起动和重带负荷要受一些因素制约，故需数小时才能使机组带满负荷。如果火电机组可快速重带负荷，则电力的恢复能大大加快。电力公司经常采用的有以下实施方法：(1).在电厂与电网解列时熄火，并靠锅炉的余热维持约20分钟。(2).同(1)，但重新点燃锅炉，靠点火燃烧器维持锅炉运行。第六章电力系统中、长期稳定性研究(3).在极低负荷下应用特殊燃烧技术。(4).锅炉维持于满功率状态或降功率运行于最低负荷，过剩蒸汽排入大气并从给水储存中抽水，通常可维持数小时。(5).锅炉维持在最低负荷并将过剩蒸汽旁路至冷凝器。第六章电力系统中、长期稳定性研究三、电力系统的中期稳定性和长期稳定性长期稳定和中期稳定是有关电力系统稳定的文献中的一些新术语。引入这些术语是为了研究电力系统对大干扰动态响应的相关问题。长期稳定性分析时假定发电机间的同步功率振荡已得到阻尼平息，系统频率趋于均一。第六章电力系统中、长期稳定性研究研究重点为伴随系统扰动的较缓慢和较长持续时间的动态现象及其由此造成的有功和无功出力与负荷间的持续失衡过程。火电机组的锅炉、水电机组进水管和导水管等的动态过程、自动发电控制、发电厂和输电系统的保护及控制、变压器饱和以及负荷和网络的非额定效应均可能对此产生重要影响。第六章电力系统中、长期稳定性研究中期稳定性研究的是暂态响应和长期响应间的转换过程。研究中期稳定时，重点放在发电机间的同步功率振荡、某些缓慢现象的影响以及可能存在的大的电压和／或频率偏移。显然，中期稳定与长期稳定的区别是很小的。长期稳定不同于中期稳定之处，在于它假设系统频率是均一的，且快速动态不再值得注意了。第六章电力系统中、长期稳定性研究如果分析工具需要这些假设而使模拟更为方便的话，则上述这点是很有帮助的。但是借助于应用先进的稀疏技术和有效的隐式积分技术的现代软件，模拟带有快速动态模型的长时间动态过程正在成为不是太困难的事情。第六章电力系统中、长期稳定性研究就涉及的模型而言，中期和长期的时间区间没有很明确的区别。对于超过暂态变化的时段，仿真时对模型的选择应基于分析的现象和所用的系统表达形式，而不基于实际的仿真持续时间。例如，中期仿真中，忽略锅炉动态过程或蒸汽过程控制，对于有些扰动的仿真是可以接受的，因为扰动对这些动态过程的作用很小。第六章电力系统中、长期稳定性研究然而，有些较为严重的扰动可能会引起与一些变量如蒸汽压力相关的保护动作，对于这些扰动，忽略这些缓慢的动态过程，会对仿真结果产生巨大影响。经验表明，在长期稳定研究中，有必要描述发电机间振荡和与励磁系统相关的快速暂态过程。第六章电力系统中、长期稳定性研究根据固定的时间分区来区别中期稳定和长期稳定，是不能令人满意的，而根据模型的需要来区别，也同样不能令人满意。因此，在对严重的系统扰动有关的稳定问题分类时趋向于用中长期稳定性或直接用长期稳定性代表中期稳定和长期稳定的概念，而不刻意去区别中期稳定性和长期稳定性。第六章电力系统中、长期稳定性研究系统的中长期稳定性可描述为在遭受严重扰动后，系统能达到可接受的运行平衡状态的能力，这种扰动可能会也可能不会导致系统解列为一些子系统，而感兴趣的时间范围超过了暂态时段。因此除了包括快速动态过程外，还要包括系统自动控制和保护的缓慢动态过程。第六章电力系统中、长期稳定性研究长期仿真可包括一些超出正常设计的严重扰动，这些扰动导致了电力系统发生连锁性反应，并解列成一些孤立电网，每个孤立电网中的发电机仍保持同步。此时的稳定问题为是否每个孤立网能达到一个可以接受的运行平衡状态，并对供电的破坏最小。在极端情况下，系统和机组的保护会加剧不利的情况，并导致孤立电网整体或部分崩溃。第六章电力系统中、长期稳定性研究通常，中长期稳定性问题与不适当的设备响应、控制和保护设备的协调不良或有功功率／无功功率储备不足有关。由大的电压和频率变化起动的过程和装置的特征时间，其范围从大约几秒钟至几分钟，前者对应于如发电机控制和保护装置的响应，后者对应于诸如原动机供能系统和负载-电压调节器等装置的响应。第六章电力系统中、长期稳定性研究从分析的观点出发，中长期稳定程序已成为暂态稳定程序的扩展，并具有所需的根据主导暂态过程调整积分时间步长的能力。第六章电力系统中、长期稳定性研究中长期稳定性仿真的一个令人感兴趣的应用便是电压稳定性动态分析，其中需模拟变压器分接头变化、发电机过励保护和无功功率限制、恒温负荷的影响等。这种情况下，发电机间振荡显得不很重要，供能系统暂态也非关键。然而，若要忽略某些快速动态过程，则事先必须经谨慎推敲。第六章电力系统中、长期稳定性研究第二节严重扰动时的发电厂响应一、火电厂为使严重扰动时电力系统经受的冲击最小，并迅速恢复正常运行，电厂经受部分甩负荷而仍维持运行的能力是很关键的。IEEE工作小组提供了增强发电厂对部分甩负荷响应能力的一些指导原则。以下为这些导则的概要：第六章电力系统中、长期稳定性研究(1)全厂控制。为承受部分甩负荷，全厂控制必须迅速地将输入功率(燃料流量)降低到与输出电功率相适应水平。由于功率下降过程存在时滞，功率输入量必须短时低于功率输出量。确定输入功率降低量的理想信号源为实际功率输出。第六章电力系统中、长期稳定性研究(2)锅炉控制。若无汽机旁路系统，部分甩负荷对锅炉而言就像蒸汽流量的一个阶跃下降。正如上所述，燃料流量的迅速减少是重要的。对直流锅炉而言，为与燃料流量配合，须迅速降低给水流量。然而，直流锅炉通常具有有限的过热器／汽机旁路系统，以保护炉管和帮助压力控制。这种旁路能力可用于减缓燃料和给水流量的降低速率。第六章电力系统中、长期稳定性研究对汽包型锅炉，给水流量的降低应该延迟，因为汽包水位的立即响应是随着蒸汽流量变化及由此形成的汽包压力的上升而使水位下降。此外，在较低的功率水平上需要过量给水以获得高位存水量。对蒸汽流量大的变化，适当的水位控制非常重要。为增强部分甩负荷时水位控制能力，应考虑临时地增加高低水位跳闸极限间的范围，或延迟对高给水流量的跳闸。第六章电力系统中、长期稳定性研究对这两类锅炉，空气流量减少一般均需有一定的时延，因为过剩气流的冷却作用将补偿燃料流量响应的时滞。然而，正在运行的燃烧器空气流量必须根据燃料流量进行控制，以维持稳定燃烧。对由辅助汽轮机驱动的给水泵，中间截止阀的关闭将中断汽流，因而，必须为辅助汽轮机提供一个替代的汽源，或切换至由电动机驱动的给水泵。第六章电力系统中、长期稳定性研究(3)汽轮机-发电机控制。汽轮机过速控制将设计成：在甩全部负荷后的过速，限制在过速切机整定值以下1％左右。显然这将防止部分甩负荷时的过速跳闸。第六章电力系统中、长期稳定性研究当控制阀和中间截止阀关闭时，没有汽流通过汽轮机。如果流经再热器的