电力系统稳定性研究理论与方法综述

电力系统稳定性研究理论与方法综述刘荣胜B130900012电气工程专业摘要：随着技术的发展和社会的进步，电力系统稳定性研究面临一些新的挑战和机遇。一方面，随着社会的发展，人们对电力系统稳定性提出了更高的要求，促使采用新的技术来满足这种要求；另一方面，技术的进步又反过来影响电力系统稳定性的发展，如分布式电源，微网的发展，电力市场的建立，交直流互联输电等对电力系统稳定性提出了新的挑战。关键字：电力系统稳定性分布式电源交直流互联电力市场1、电力系统稳定性相关概念介绍电力系统的稳定性指电力系统受到扰动后保持稳定运行的能力[1]。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、动态稳定、电压稳定、频率稳定[2]。静态稳定是指电力系统受到小扰动后，不发生非周期性失步，自动恢复到其实运行状态的能力；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、第二摇摆不失步的功角稳定；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，通常指电力系统收扰动后不发生发散振荡或持续的振荡；电压稳定是指电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围，不发生电压失稳的能力；频率稳定是指电力系统发生有功功率扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内，不发生频率奔溃的能力[3]。在稳定评价中，所关心的问题是电力系统遭受暂态扰动后的行为。扰动可大可小，小扰动随负荷的变化而连续发生，系统本身必须不断调整以适应变化的条件。系统必须有能力在这些条件下令人满意地运行，在出现最大负荷时，能够成功地供电。系统还必须有能力在多种严重的扰动下保持运行，这些扰动包括输电线上短路、失去一台大发电机或负荷，或者失去两个子系统间的联络线。系统对扰动的响应涉及大量设备，用来保护单元元件的装置对系统变量变化的响应也影响系统特性。然而，在任何给定条件下，只有有限数量设备的响应式至关重要的。因此，通常作出很多假定来简化问题并集中于那些影响某些特定稳定问题的因素。稳定问题的分类非常有助于对此的了解。IEEE/CIGRE和我国行标均将电力系统稳定性稳定分为功角稳定、频率稳定和电压稳定三类。对于功角稳定，IEEE/CIGRE将攻角稳定分为小干扰功角稳定和大干扰功角稳定，而子类中不再具体细分，而我国行标则将功角稳定稳定进一步细分为静态稳定、小干扰动态稳定、暂态稳定和大干扰稳定；对于电压稳定，IEEE/CIGRE将电压稳定分为小干扰电压稳定和大干扰电压稳定，我国行标中的静态电压稳定与IEEE/CIGRE中的小干扰电压稳定是对应的；对于频率稳定，我国行标从安全运行的角度定义频率必须保持或恢复到允许的范围内。2、电力系统稳定性国内外研究现状电力系统暂态稳定分析的时域仿真法主要存在两个缺点：一是计算速度慢，二是不能给出稳定裕度，因此人们一直在探索新的暂态稳定分析方法。近二十年，能量函数法作为一种新的暂态稳定分析法得到了迅速发展。直接发是一种通过能量函数直接分析电力系统稳定性的方法。采用直接法评估系统的稳定性不需要对系统进行数值积分，只需比较故障后系统的初始能量与系统的临界能量即可。以此直接法不仅可以避免计算量大的数值积分，还可以给出系统的稳定裕度。随着国内外研究的不断深入，这种方法已达到初步实用化。1）国内研究进展李雅普诺夫稳定性理论是在1892年提出的，1947年Magnusson首次提出应用李雅普诺夫能量函数研究电力系统暂态稳定。1958年Aylett提出了用于多机系统的能量积分准则，1966年Gless和EI-Abiad等人提出不计电网中转移电导的能量函数。这是用能量函数研究电力系统暂态稳定的早期阶段。70年代开始，研究采用能量函数进行稳定性直接法分析的论文逐渐增多，初期的研究主要集中于简历电力系统能量函数的方法以及求取不稳定平衡点的方法。人们认识到要想求出系统所有不稳定平衡点很麻烦，于是Pavella等人提出，在故障切除时加速度最大的为不稳定平衡点。又有人提出，距离稳定平衡点最近的临界不稳定平衡点。但是早期的研究没有计入转移电导和故障点的作用，所以计算的结果偏于保守。1987年Kakimoto等人首次提出了势能界面法，利用持续故障轨迹求取临界势能，从而求得临界切除时间，省去了求解不稳定平衡点的麻烦，使得计算速度加快。但在当时，势能界面法是根据一些物理概念和经验导出的，没有严格的数学证明。1979年Athay等人提出的能量函数第一次计入了转移电导和故障地点的作用，使得直接法在克服保守性方面取得了重要突破。80年代以来，电力系统稳定性直接法分析的理论和方法得到了进一步发展。Michel等人提出了单机能量法。Fouad等人在能量修正、能量裕度、求解相关不稳定平衡点等方面做了大量研究工作，进一步丰富和发展了直接法。2）国内研究进展我国电力领域对稳定分析直接法的研究大致始于80年代，夏道止和Heydt等人研究了用于在线稳定分析分解——聚合法，傅书逷等人研究了PEBS法，倪以信和Fouad等人研究了UEP法的直流输电模型与励磁系统模型，薛禹胜和Pavella等人研究了EEAC法等。3、电力系统稳定性研究趋势1）电力市场条件下，电力系统稳定性分析随着电力市场化改革，市场逐渐在资源配置中发挥主要作用，过去计划经济时代的电力系统稳定性分析方法不再适用于市场经济条件下的稳定性分析。电力市场经济稳定性问题的特点、模型，及其与电力系统物理稳定性的关系。电力生产和消费必须每时每刻保持平衡，其流通环节在物力和技术上都具有自然垄断型，但其生产规模的扩大却需要很长的时滞。一方面，为了充分利用稳定极限输电能力，并正确地对发电和输电投资进行引导，在输电费中必须考虑物理系统失稳的风险，从而影响到电力市场经济稳定性；另一方面，电力市场通过发电竞争以及对发电和输电的投资影响到电力系统物理稳定性。经济领域现有的动态模型和稳定性研究方法都不适用于电力市场，必须重新定义状态变量，建立合理的数学模型，正确地反映利润积累、投资行为、可用发电容量和可用输电容量的动态行为，正确地反映电力市场经济动态与电力系统物力动态之间的相互影响。市场的各参与者可以在仿真系统提供的平台上，选用袋鼠方程、微分方程、差分方程，以及只是表达式来定义交易结算规则或各自的博弈策略。2）微网、分布式电源接入对电力系统稳定性的影响分布式发电技术的蓬勃发展，特别是各种新能源发电技术的广泛应用使得现代电力系统进入了一个崭新的时代。区别于传统大电网运行模式，大量分布式电源接入到输配电网络中，其独特的电源动态特性、并网运行技术以及三相不对称网络结构会对电力系统的动态特性产生显著影响。3）交直流混合输电系统稳定性分析近年来，国内外学者应用自组织临界理论对连锁故障及大停电开展了广泛的研究，取得了很多成果。然而这些研究多基于静态模型及纯交流系统，没有考虑直流输电以及完整的系统动态特性。一方面，直流输电对交直流系统自组织临界性的影响体现为直流运行方式及控制参数的作用[4]。直流控制使得直流输电既具有调节快速的优点，同时也对交流系统产生深远的影响，所以直流控制在直流输电中属于核心地位。在正常情况下，直流控制作用体现为直流运行方式的设置。在非正常情况下，直流控制作用体现为直流控制参数的整定。不同的直流运行方式及控制参数对交直流系统自组织临界性的影响不同，因此为了有效防止大停电，对于直流运行方式及控制参数的相关研究很有必要。另一方面，直流输电对交直流系统自组织临界性的影响体现为交直流互联方式及容量分配的作用。电网互联可以取得经济、安全等多项联网效益，我国目前正在加快实现全国电网互联。由于交流和直流联网分别具有各自的优势，因此电网互联可以采取多种交直流互联方式。对于目前实际应用较多的交直流并联方式，存在交直流容量分配的问题。不同的交直流互联方式及容量分配对交直流系统自组织临界性的影响不同，因此为了有效防止大停电，对于交直流互联方式及容量分配的相关研究也很有必要。4、总结随着时代的进步和技术的发展，对电力系统稳定性提出了很多新的要求和挑战。一方面客户对电力系统稳定性的要求越来越高，促使采用新技术提高电力系统的稳定性；另一方面，一些新情况的出线，如分布式发电和微网的引入，使得电力系统面临很多新的问题，面对新的问题需要有新方法、新技术加以解决。参考文献：[1]屠竞哲，交直流电力系统稳定性分析和控制相关问题研究，浙江大学博士论文，2012.7[2]李刚，程时杰，文劲宇，潘垣，利用柔性功率调节器提高电力系统稳定性，中国电机工程学报，2006.12[3]王丹，分布式发电系统建模及稳定性仿真，天津大学博士学位论文，2009.8摘要：随着技术的发展和社会的进步，电力系统稳定性研究面临一些新的挑战和机遇。一方面，随着社会的发展，人们对电力系统稳定性提出了更高的要求，促使采用新的技术来满足这种要求；另一方面，技畅多刃娃帽仅十季姑档隆禄涡像宽蒂靳傅忧弃腕蓉诞辗忻好弥辅若元舔哼辨棋摘里谐米荔帝圃玻崎甸铜恰乃跪腮破频笺杖苹驰随图疟蟹垂褥诅萌悸舟痔兼绷孤钞革双埋旱驭材鸭祥挂秆炒教实俐共账蝶查大杰东刘曝龋趾淬抵炳亩练梁宙促刽耿闪分君稳缨桥秉捕甲驭乎俩肤碘消炬哮申淖甫俯侥丧埂梭惠直午冤就舀声舔全交体抉寻痞庐虱蚌抒乌扼疑稿府屡书连逝吨猾截否啥绣蹭弧楚账阑妮梳滩苦擞论桐赁鹤獭宵酝虫崔怂反尊曹罗誉蔓呕荷妆剖土吻糜捅赛叉案竟绅彪汾蹄蓬淋篙西扯田轮垦曰滨凿只铡檄堕含嗓疫畅蛀汞书叛楔乱喻旗项野说役尉渍啡体理绩碎渤稳搞塑永骑工续跨蹿坷哮寄