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电力系统稳定与控制清华大学电机工程系闵勇概述我国电力系统的现状稳定问题的提出和研究内容电力系统稳定的基本概念电力系统稳定研究的对象和方法稳定问题的提出和研究内容联网的必要性1831年法拉第发明电磁感应定律，电能成为二次能源，就地使用1885和1895年（NicholasTesla)发明了单相变压器和三相变压器1891年出现了三相交流输电，远距离输电成为可能，出现了由发电机、线路和负荷构成的最简单的电力系统由于实际运行中发现受端系统在缺乏电源支持的情况下非常薄弱，逐渐出现了多电源点的互联运行，从而形成了早期的互联电网联网的效益多个地区联网形成大型互联电网后：–有利于地区间电力的平衡和经济调度–有利于安排机组的检修和事故备用容量–有利于充分利用系统中廉价的水利资源–有利于实现负荷点的多路供电以提高供电可靠性–有利于提高系统的抗冲击能力–有利于提高系统的供电质量——由于互联系统在经济上的明显优点，电力系统互联的规模越来越大稳定问题的提出和研究内容我国电力系统发展历史1880年7月，上海，第一台12KW机组1949年，发电量43亿KWh，装机容量1848.6KW1999年，发电量12331.4亿KWh，装机容量2.98亿KW装机容量：96年超过1亿，95年超过2亿，96年开始世界第二，2000年超过3亿，07年过7亿，09年过8亿发电量：2007年3.256万亿千瓦时，世界第二位目前全国电网覆盖率：96.4%稳定问题的提出和研究内容全国装机容量2009年8.74亿千瓦USabout1100GWin2008全国发电量2009年36506亿千瓦时大区联网符合电网发展的一般规律，大范围进行资源优化配置，提高运行经济性、可靠性。–水火电互济–减少地区备用容量–错峰效应–事故情况下功率紧急支援等符合我国能源、负荷的实际分布情况–我国一次能源资源分布格局特点•煤炭资源：全国近80％的煤炭储量在华北和西北地区，东北、华东和中南地区储量很少。•水能资源：全国近80％的水能资源在西部，特别是西南地区，中、东部地区分布的很少。–我国各地区的电力需求状况•很不平衡，东部地区经济发达，电力负荷需求旺盛，中、西部经济落后，电力负荷需求相对要小。全国电力流向我国大区联网的指导方针西电东送–为了实现资源的优化配置，开发西部的水能、煤炭资源，满足东部地区电力需求。–形成北、中、南三大输电通道南北互供–北、中、南各大区域电网互联全国联网–取得周边联网效益反方意见我国大区联网的进程2001年5月–东北与华北电网联网2001年12月–福建与华东电网联网2002年4月–川渝与华中电网联网2003年9月19日到9月21日–华北－华中联网工程系统调试试验，实现了东北、华北、华中、川渝电网500KV交流互联。2010年全国电网示意图–三华同步电网（华中+川渝、华北、华东）、东北电网、南方电网、西北电网，同步电网之间以直流或直流背靠背相联。电压等级发展情况千伏1990195019601970198035~110千伏220千伏330千伏500千伏AC/DC2000750千伏20051000千伏电力系统稳定问题的提出–电网互联技术可以合理利用能源资源，具有显著的经济效益，因而得到了十分迅速的发展，但它同时也带来了一些新的问题。–随着电力网络互联程度的不但提高，系统越来越庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使电网的安全稳定问题越来越突出。–在现代大电网中，各区域、各部分互相联系、密切相关、在运行过程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全措施，一个局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大面积的系统瓦解。稳定问题的提出和研究内容电力系统稳定研究的内容基本问题——早期稳定研究的内容联网后发电机组是否仍能按如下额定功率顺利地送出功率，如果不能，应该如何确定发电机的最大允许输出功率?线路可以传送的功率是否仍然只受经济电流密度和最大允许电流(热稳定极限)限制，如果不是，应该如何确定线路允许的最大传送功率?线路出现短路或跳闸等事故时系统能否仍然正常运行，如果不能，应该引入什么样的保护装置和／或稳定控制装置?稳定问题的提出和研究内容NNNNIUPcos电力系统稳定研究的内容随着电网互联规模的增大，不断出现大量新的稳定问题：如何在网络结构比较薄弱的情况下防止由于某一设备或线路的故障产生连锁反应，导致全系统的稳定事故；如何防止长距离重负荷的联络线引起的低频振荡现象；如何防止由于大型互联系统频率维持能力逐渐减弱且可能的有功冲击加大可能引起的频率稳定问题；如何防止带负荷调压变压器和无功功率缺额可能引起的电压稳定问题。对电力系统稳定问题的研究发展至今，已形成为一个研究内容日新月异、研究方法多种多样、应用领域十分广阔的综合性研究领域稳定问题的提出和研究内容电力系统稳定性的定义发展历史随着电力工业的出现而出现–1920s：C.P.Steinmetz,“Powercontrolandstabilityofelectricgeneratingstations,”AIEETrans.,vol.XXXIX,PartII,pp.1215–1287,July1920.随着电力工业的不断发展而变化–内涵、外延及分类–分析方法和工具–控制理论和手段早期局限于功角稳定–Before1980s?近年来，系统规模越来越大，电压稳定、频率稳定及区域间振荡等问题引起越来越多的重视——稳定问题的概念需要进一步准确化1995年《中国电力百科全书》中关于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，回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.7,1982P.Kundur《电力系统稳定与控制》中关于稳定性的定义电力系统稳定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,19942001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: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》2004年CIGRE的稳定性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，2004讨论1CIGRE定义主要针对的是作为一个整体的互联电力系统–本定义不适合下列情况：•某些情况下当系统能够保持稳定时远方发电机组可能会失去同步•某些情况下特定负荷或负荷区的电动机也可能在不导致系统连锁性故障的情况下失去稳定讨论2电力系统稳定性是系统维持在平衡点（初始运行状态）周围运动的一种性质–实际电力系统不可能绝对的停留在某个状态（虽然理论分析中通常基于这种假设），各种扰动时刻不停地在发生，但系统对扰动的响应应趋向于回到平衡点•小扰动：如负荷扰动•大扰动：如短路故障、机组切除等对大扰动，系统的稳定性与扰动类型、地点以及持续时间等因素有关–不可能要求系统对所有大扰动维持稳定–大扰动下稳定平衡点具有一个有限的吸引域讨论3扰动下系统的响应可能包含很多设备的动作效果–短路故障时继电保护的动作将引起电压、电流、功率以及频率的变化–电压变化引起发电机和负荷节点处调压设备的动作–转速变化将引起调速系统的动作–电压和频率的变化引起负荷功率的变化在扰动下保护单一元件的设备可能引起系统结构的弱化，降低系统的稳定性讨论4系统稳定：达到新的平衡状态且系统的整体性不被破坏，即几乎所有发电机和负荷都通过一个临近的输电网保持互联–部分机组或负荷可能因隔离故障的操作而断开与系统的联系–互联系统在严重故障下可能被主动解列系统不稳定：将导致一个run-away或者run-down状态–转子相对角持续不断上升–或电压持续不断下降–连锁性的机组或线路跳闸、系统的重要部分停电讨论5稳定性定义的理论解释–系统变量持续保持有界要求平衡点是稳定的（Lyapunov意义下）),,(),,(,00000xxxttt时使得如果则称零解是稳定的，否则是不稳定的δ如果和t0无关，则为一致稳定的讨论5(续）–扰动后系统响应逐渐平息并回到平衡点要求平衡点是渐近的设U是Rn中包含原点的一个开区域，如果成立时，使得当),(),,,(,0,00000xxxx0t,tTtttTTU则称U是零解的一个吸引域，对应的零解是吸引的。等价于从U中出发的解当时间趋于无穷时趋近于0T如果和t0及x0无关，则为一致吸引的电力系统稳定性的分类为什么需要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、多变量的动力系统来看，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前述简单的稳定性定义不能采取通用的简单方法进行分析，需要根据具体的失稳现象采用适当的描述方式突出重点问题合适的分类工作是有效的分析解决电力系统稳定问题的基础分类所基于的基本准则可观察到的系统主要变量在失稳过程中中表现出来的性质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）为评价稳定性需要考虑的元件、过程及时间范围分类结果示意图转子角稳定（功角稳定）互联系统中同步发电机在扰动下维持同步的能力取决于系统中每一台发电机维持或恢复其电磁转矩与机械转矩的平衡关系的能力影响功角稳定问题的基本因素是同步发电机转子角变化时其电磁转矩的变化方式（功角关系），系统的稳定性取决于转子角的变化量能否产生足够的恢复转矩。转子角失稳的方式在转子角摇摆时同步机电磁转矩的变化包含两个分量–同步转矩分量：与转子角变化同相位–阻尼转矩分量：与转速变化同相位如果发电机的同步转矩分量不足将导致非周期失稳（或非振荡失稳）如果发电机的阻尼转矩分量不足将导致振荡失稳小扰动功角稳定小扰动功角稳定–考虑充分小扰动时的功角稳定问题–允许采用线性化的模型进行分析–关心的时间尺度为扰动后10到20秒从失稳方式划分：振荡失稳和非振荡失稳两种–实际电力系统中通常出现的都是阻尼转矩不够导致的振荡