链式电网暂态稳定机理研究

硕士学位论文
链式电网暂态稳定机理研究Analysis of Transient Stability for Chain Grids
杨雨龙
2013年12月
国内图书分类号：TM74 学校代码：10079 国际图书分类号：621.3 密级：公开
硕士学位论文
链式电网暂态稳定机理研究
硕士研究生：杨雨龙
导师：顾雪平教授
申请学位：工学硕士
学科：电气工程
专业：电力系统及其自动化
所在学院：电气与电子工程学院
答辩日期：2014年3月
授予学位单位：华北电力大学
Classified Index: TM74
U.D.C: 621.3
Thesis for the Master Degree
Analysis of Transient Stability for Chain Grids
Candidate：Yang Yulong
Supervisor：Prof. Gu Xue-ping
School：School of Electrical and Electronic
Engineering
Date of Defence：March, 2014
Degree-Conferring-Institution：North China Electric Power University
华北电力大学硕士学位论文原创性声明
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本声明的法律结果将完全由本人承担。

作者签名：日期：年月日
华北电力大学硕士学位论文使用授权书
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不保密□√
作者签名：日期：年月日
导师签名：日期：年月日
摘要
电网互联为电力系统经济、可靠运行做出贡献的同时，由于联网后电网结构发生改变，对电网稳定特性也会造成相应的影响。

本文主要针对大区交流联网工程中出现的暂态稳定问题进行研究，通过回顾总结联网工程中形成的链式结构电网特点及其暂态稳定特性，对联网后出现的内部断面暂态稳定水平变化，以及链式结构电网发生故障后振荡中心转移问题进行分析解释，明确链式结构电网暂态稳定机理。

对影响链式电网暂态稳定特性的因素进行探究，以在保证系统可靠运行的前提下提高系统运行的经济性，实现对电网网架最大限度的利用。

本文以发电机转子运动方程为理论基础，分析系统发生短路故障后母线电压幅值、负荷水平以及送端、受端系统机组转子功角等变量的变化过程，以及这些变量变化后所带来的一系列连锁反应如何导致系统失去功角稳定，得出交流联网后电网内部断面暂态稳定水平变化的规律，解释链式电网故障后振荡中心发生转移的过程及其基本机理，确定了链式电网暂态稳定特性的主要影响因素为各联网子系统间联系强度和子系统的规模比例。

使用PSD-BPA搭建三机链式系统，以理论分析结果为基础，着重仿真分析了各系统规模和系统间联络线强度对振荡中心转移特性的影响，通过改变三机容量和发电机转子动能模拟系统规模变化对暂态稳定特性的影响；通过改变线路阻抗模拟系统间联系强度对暂态稳定特性的影响。

最后对东北-华北联网工程进行故障校核，将实际算例仿真结果与理论分析结果及三机链式系统仿真结果进行对比验证，明确了交流联网工程中出现的电网内部断面暂态稳定水平发生变化的原因，以及链式电网故障后振荡中心发生转移的基本机理，所得结论可为电网运行控制及后续联网工程方案的实施提供参考。

关键词：电力系统；链式电网；暂态稳定；振荡中心
Abstract
Grid interconnection contributes to economic and reliable operation of power system. Meanwhile, changes of power network structure will cause a corresponding impact on the grid stability characteristics. This paper mainly studies transient stability issues appearing in the large region AC interconnection projects. The features and transient stability characteristics of chain structure grid formed in networking project are summarized, and then the changes of transient stability of the internal cross-section and oscillation center transfer problem after the failure of the chain structure are analyzed. So the transient stability mechanism of chain structure grid is explained. Factors affecting the transient stability characteristics of chain grids are explored, which can improve the economy of the power system and achieve maximum utilization of the grid infrastructure under the premise of ensuring the reliable operation of the power system.
With the generator rotor equations as the theoretical basis, the thesis analyses the changing process of variables such as bus voltage amplitude, load level, rotor angle of both the sending end and the receiving end system under short-circuit fault conditions, and investigates how the cascading effects brought by these variable changes lead to instability. The law of the transient stability level change for internal sections of a regional grid after AC networking is obtained, and the process and basic mechanism of the oscillation center transfer of the chain type grid under faults are interpreted. It is found that the main influencing factors of transient stability for the chain type grid are the link strength between the subsystems and the size ratio of the different subsystems.
Three machine chain system model is built by using PSD-BPA based on the results of theoretical analysis, and simulation analysis is focused on the influence of the scale of each subsystem and the link strength between subsystems on the oscillation center transfer characteristics. The effects of the system size change on transient stability characteristics is simulated by changing the capacities of the three generators and the generator rotor kinetic energies, and the effects of the link strength on transient stability by varying line impedance. Finally, the fault verification for the interconnecting project of the northeast grid and the north China grid is given. The practical simulation result is compared with the theoretical analysis results and the simulation results on the three-machine chain system. The reasons of the change of transient stability level of the internal sections in the AC interconnected grid and the basic mechanisms of oscillation center transfer under faults in the chain grid are uncovered. The conclusion can provide useful reference for grid operation and implementation of future network interconnecting project.
Keywords: power system; chain structure system; transient stability; oscillation center
目录
摘要 (I)
Abstract ............................................................................................................................... I I 第1章绪论 . (1)
1.1课题研究背景及意义 (1)
1.2国内外研究现状 (3)
1.2.1暂态稳定问题研究现状 (3)
1.2.2链式电网暂态稳定问题研究 (4)
1.3本文的主要工作 (5)
第2章链式电网暂态稳定性分析 (7)
2.1简单电力系统暂态稳定分析理论 (7)
2.2链式结构电网暂态稳定性分析 (11)
2.3本章小结 (15)
第3章链式电网暂态稳定特性影响因素分析 (16)
3.1链式电网内部断面暂态稳定水平变化机理 (16)
3.2振荡中心转移特性影响因素分析 (19)
3.2.1系统规模对振荡中心转移特性影响 (20)
3.2.2 联络线裕度对振荡中心转移特性影响 (23)
3.3本章小结 (24)
第4章链式电网暂态稳定特性实例分析 (25)
4.1东北-华北交流联网工程 (25)
4.2东北-华北交流联网暂态稳定问题 (27)
4.3本章小结 (34)
第5章结论与展望 (36)
参考文献 (38)
在校期间发表的学术论文和参加科研情况 (41)
致谢 (42)
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
随着电网规模的不断扩大和电力市场的飞速发展，电网互联是电网未来建设的大势所趋。

由于我国幅员辽阔，能源资源分布不均，且负荷中心与能源中心分布不相匹配，使得大区电网之间互联可获得多项效益。

例如通过电能的交易可获取价格较低的清洁能源，通过互联可实现水火电调剂提高电网运行经济效益，通过互联可获取大区间负荷错峰效益、实现发电容量互为备用减少装机投资和提高电网供电可靠性等，因此大区电网互联一直是世界各地电网的发展趋势，其带来的经济效益十分明显[1-2]。

另一方面，电网互联为电网发展在带来经济效益的同时，也对电力系统安全稳定运行提出新的严峻挑战[3]，随着电网互联规模的加大以及结构的改变，部分系统的稳定状况会发生变化，在规划运行过程中也会遇到新的技术问题。

联网对电网的影响与系统联网方式密切相关。

一般来说，直流联网对电网技术性能及稳定水平的影响相对较小，而交流联网对电网技术性能的影响较大。

交流联网对电网技术性能及稳定水平的影响与联网点及各电网内部结构的具体情况密切相关，既有正面的影响也有负面的影响。

交流联网的正面作用主要有：
（1）实现更大范围的能源资源优化配置，进而可实现水火电调剂达到提高经济效益的目的。

（2）紧急事故支援。

当系统中发生事故失去部分电源以后，交流联网可以提供紧急事故支援，由于系统规模的增大，可有效降低事故后系统频率偏差幅度。

（3）增大了同步电网的容量，从而允许更大容量机组接入系统。

交流联网的负面影响主要有：
（1）可能引起连锁故障，导致事故影响范围扩大[4]。

交流联网后，一个电网内的系统事故会波及其它电网，影响其它电网内的供电质量，甚至引发连锁反应，造成系统稳定破坏。

（2）在系统中产生新的区域间低频振荡模式。

区域电网通过交流联络线互联后，将产生新的区域间低频振荡模式。

该振荡模式阻尼的好坏与电网结构密切相关。

一般来说，电气距离比较远的长链形电网结构容易产生频率较低、阻尼较弱的区域间低频振荡模式。

如果区域间低频振荡模式阻尼太弱，将影响系统的安全稳定运行。

（3）增加短路电流水平。

区域电网通过交流联络线互联后，联网点附近的短路电流水平将有所增加，特别是联络线较短、联网点附近有大电源的情况，短路电
流水平将增加较多。

交流联网对距离联网点较远的变电站的短路电流水平影响不大。

东北-华北交流联网是全国大区联网的第一步，2001年华北电网装机容量为40000MW，负荷水平为28000MW；东北电网装机容量达到30000MW，负荷水平为22000MW，两大电网规模相差不大。

华北电网500 kV主网架联系紧密，为环状结构，抗干扰能力强，供电可靠性高，正常运行方式下可以抵御任何单一故障对系统的冲击。

东北电网500kV网架为典型长链式结构，来自黑龙江和内蒙古电网的电力通过东丰-本溪-辽阳、四平-沙岭两条500kV线路向负荷中心辽宁输送，其主要特点为北电南送。

2001年5月13日，华北东北电网通过东北绥中电厂-华北姜家营一条173km 长500kV线路实现交流联网[5]。

对东北-华北交流联网造成东北电网、华北电网部分内部断面暂态稳定水平变化这一问题，诸多专家学者进行了探究，基本结论有：一是东北-华北交流联网造成东北电网黑龙江-吉林、吉林-辽宁等重要输电断面南送功率方式下暂态稳定水平有所下降或下降明显，而联网后少数输电断面的暂态稳定水平则大幅度提高。

二是东北-华北交流联网对华北电网内部“西电东送”断面如大同-房山断面的暂态稳定水平有一定负面影响，但其暂态稳定极限下降幅度均在10%以内，比对东北电网的负面影响小[6]。

此外，某些运行方式下当黑龙江-吉林断面的哈南-合心线路发生故障后，将导致东北电网相对华北电网功角失稳，振荡中心并不在发生故障的黑龙江-吉林断面，而是转移到东北-华北的姜家营-高岭联网联络线上，发生振荡中心转移的现象。

福建电网与华东电网交流联网工程是继三峡输电工程，东北与华北联网工程之后实施的全国联网重点项目。

联网后可以取得诸多互联电网效益，如实现两网之间的紧急事故支援，进一步提高福建电网水电的利用容量等方面意义重大[7]。

华东与福建电网联网点选择在福建福州的福州北变电所与浙江金华双龙变电站，通过长366km的500kV单回交流线路实现联网，福建电网同时配套建设水口电厂与福州北之间的长67km单回500kV线路。

受福建电网与华东电网间系统状况和运行特点差异较大影响，联网后整个互联系统运行的情况也将有很大变化，尤其是对福建电网造成的影响。

联网后，福建电网内部500kV线路极限切除时间缩短，电网暂态稳定水平降低，且位于福建电网末端的后石电厂出力对联网后福建电网暂态稳定水平影响明显，其出口短路故障后易导致福建电网相对于华东电网失去功角稳定，发生振荡中心转移的问题。

电网暂态稳定水平很大程度上决定了电网的强度及输送能力，提高电网暂态稳定水平一方面可以增强电网的安全性，同时又可以提高网架输送能力进而获得更好的经济性。

东北-华北联网及福建-华东联网后东北电网、福建电网内部部分断面暂
态稳定水平降低，部分故障后会导致振荡中心转移的问题发生，而其他联网项目并未出现区域互联后区域内部暂态稳定水平明显下降及振荡中心转移的情况[8-12]，分
析东北-华北联网项目及福建-华东联网项目可以发现一个共同点：东北、华北交流联网工程中，东北电网为黑龙江、吉林、辽宁组成的链式电网；福建、华东联网项目中福建电网500kV 网架也为链式结构。

因此探究影响链式电网暂态稳定水平的因素及链式电网暂态稳定机理在理论和实际工程应用上都具有重大的意义[13]。

1.2国内外研究现状
1.2.1暂态稳定问题研究现状
电力系统作为非线性动力学系统的一种，所以它的稳定性问题最终都可以归结为一种问题，也就是非线性动力学系统的稳定性。

由于电力系统的强非线性的动力系统特点，在不同扰动下会表现出不同复杂的动态特性和复杂的失稳形式，因此有必要对电力系统稳定进行分类与定义，从而识别出导致失稳的主要因素，找出提高电力系统安全稳定运行的有效手段。

IEEE 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[14]。

本文研究的主要是功角稳定，也称作功率稳定，下面仅针对功角稳定中的暂态稳定进行介绍。

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，是电力系统功角稳定的一种形式[14]。

对于某一特定的稳定运行状态某一特定的扰动，如果系统在受到该扰动后可以达到一个新的稳定运行状态，则对系统的这个初始运行状态而言认为在此特定扰动下系统是暂态稳定的，否则是暂态不稳定的。

电力系统暂态稳定的判据为电网遭受一次大的扰动后，导致电力系统各机组之间相对功角差增大，在经过第一或第二个振荡周期后不失步，且作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。

目前，应用于电力系统暂态稳定分析的方法主要有以下几种：
(1) 时域仿真法
电力系统作为强非线性系统，其状态变量由一组非线性微分方程组来描述，用一组代数方程来反映网络结构，电力系统使用数学方程组来描述如下：
(,)(,)0X F X Y G X Y （1-1）
其中，X=(x1,x2,…,xm)为状态变量，Y=(y1,y2,…,ym)为代数变量。

时域仿真法作为暂态稳定分析基本方法[15-17]，以稳态工况的潮流结果为初值，对式1-1中方程组进行联立求解，交替求得系统的状态变量和代数变量，最终根据发电机的转子摇摆曲线来判定系统的暂态稳定性。

虽然时域仿真法可以考虑发电机详细模型，并且能够得到较为准确的结果，但
是仍存在一些弊端，比如随着电网规模的增大，方程阶数也会随之增加，导致其计算速度不能满足在线监测或实时控制的要求，且其不能定量给出系统运行的稳定裕度。

因此对电力系统暂态稳定研究致力于寻找一种更为快速、准确、实用的暂态分析算法[18-20]。

(2)扩展等面积法(EEAC)
扩展等面积法则基于单机无穷大系统中的等面积准则，利用动态聚合概念，将扰动后的多机电力系统经假定化为领先群和余下群，再用部分角度中心(PCOI)进行变换，得到多机系统的单机无穷大等值系统，使得多机系统的暂态分析被转换为单机无穷大系统暂态稳定分析，因而可直接用等面积准则进行分析[21-23]。

EEAC的优点在其保留了原积分空间的完整性，并保存了原多机动态过程的稳定特性，这也是其成功的关键。

EEAC法相比于时域仿真法最大的特点是计算速度极快，但是对一些特殊的网络结构及故障类型，由于采用了极强的假定，也会导致其暂态稳定分析的精度存在问题。

(3)暂态能量函数法（TEF法）
暂态能量函数法的一般表述如下[24]：用系统的状态变量表示的暂态能量(TEF)描述系统在故障阶段及故障后阶段不同时刻系统的暂态能量。

这种暂态能量由故障所激发，并在故障持续阶段形成。

暂态能量包括暂态势能和暂态动能两个分量。

暂态动能是由故障造成系统分离的能量，暂态势能包括与发电机功角相关的位置势能，与发电机、负载和网络中的磁场储能相关的磁性势能以及与网络转移电导和负载中的有功功率相关耗散势能。

系统的暂态动能和位能在故障发生后显著增长，动能在故障清除时刻开始减小而位能则继续增大，在故障清除以后，全部能量是守恒的，而如果计入系统阻尼则将逐渐衰减。

故障后的系统经历了能量由动能转换为位能的过程，若系统能够吸收剩余动能，则系统稳定；反之，则系统不稳定。

因此，在临界清除时间下，事故后系统所能达到的位能最大值是系统所能够吸收的最大能量，称之为临界能量V cr。

暂态能量函数法就是将故障清除时刻的系统暂态能量V cl与临界能量V cr相比较，直接评定系统的暂态稳定性[25-28]。

如果V cr-V cl的值大于零，则认为系统稳定，反之则认为系统不稳定，同时定义 V=V cr-V cl作为暂态稳定裕度的度量。

1.2.2链式电网暂态稳定问题研究
由于联网后电网结构发生很大改变，系统稳定特性发生相应变化。

2001年，东北-华北交流联网工程中，经仿真计算发现联网后东北电网内部大部分断面暂态稳定水平较联网前有明显降低[29]，除暂态稳定极限下降外，送端电网故障导致系统失稳的过程中还会发生振荡中心转移的问题，如黑龙江、吉林断面的哈南-合心线路
首端发生故障后，振荡中心转移至姜家营-绥中线路，造成东北电网相对于华北电网失去稳定。

在福建-华东等联网工程中也有类似问题出现[6]。

对联网后相关断面暂态稳定水平下降原因和影响因素已有诸多文章进行了研究，文献[30]针对东北-华北联网问题从能量函数的角度进行了分析，通过对东北、华北电网建模构建两机系统，得出两机系统的角加速度特性，以联网前后转动惯量的变化为切入点对两机系统的暂态能量函数进行了探讨，认为大区电网互联后区域电网内部断面暂态稳定水平降低的原因是受端系统转动惯量增大导致。

文献[31]运用暂态能量函数法，对区域交流电网互联后，区域电网内部暂态稳定水平发生变化这一现象进行了理论分析和研究，指出受端系统显著增大为其主要原理，但对系统的暂态稳定问题的研究分析均是在特定的运行方式下进行，而没有考虑系统在其他运行方式下的情况；文献[32]利用电力系统动态仿真软件Eurostag进行时域仿真研究系统惯量对弱互联电网暂态稳定性的影响，但也未考虑系统运行方式这一因素；文献[30]则对影响远距离输电断面暂态稳定极限的各种因素分别进行了分析，包括系统初始工况、负荷水平及受端系统惯量变化，但未将各种因素结合起来以分析它们对系统暂态稳定性的影响。

目前研究文献均认为等值两机系统中，受端系统惯量增大，电网暂态稳定水平下降；送端系统惯量增大，电网暂态稳定水平提高。

值得注意的是，以上文章的分析中建模过程均使用两机系统模型对区域电网互联后的影响进行分析，没有针对联网系统结构特点将联网前后三机等效系统按三机系统处理，而是将其中两机等效系统糅合在一起。

忽略了诸如联网系统间及系统内部联系强度，系统规模及故障后系统间功角差变化等因素的影响，由于建模过程存在弊端，未对联网后出现的断面发生严重故障后振荡中心转移的现象做出解释。

1.3本文的主要工作
对链式结构电网暂态稳定特性进行探索研究，明确其暂态稳定机理，同时对影响链式电网暂态稳定特性的因素进行分析，解释联网工程中出现的一些现象。

为后续交流联网工程提供理论依据，同时为电网运行人员安排运行方式提供参考。

本文主要工作如下：
（1）以发电机转子运动方程为基础，使用PSD-BPA搭建三机链式系统，仿真分析系统发生短路故障后母线电压幅值、负荷水平以及送端、受端机组转子功角等变量的变化过程，以及这些变量变化后所带来的一系列连锁反应，得出交流联网后电网内部断面暂态稳定水平变化的规律，解释链式电网故障后振荡中心发生转移的过程及其基本机理。

（2）通过对三机链式系统进行仿真计算，定性分析三机子系统规模变化对送端、受端系统暂态稳定性的影响，以及子系统规模比例、系统间联系强度对链式电
网故障后振荡中心转移特性的影响。

（3）最后以东北-华北交流联网数据为实例对联网后内部断面暂态稳定水平变化及链式电网的振荡中心转移特性进行仿真计算，并与理论分析结果进行对比验证。

第2章链式电网暂态稳定性分析
2.1简单电力系统暂态稳定分析理论
暂态稳定是电力系统遭受严重暂态扰动下保持同步的能力，其稳定特性取决于电网网架结构、开机方式、负荷水平、电压水平等初始运行工况和扰动的类型及其严重程度。

通常扰动后的稳态运行状态与扰动前不同[33-34]。

系统中发生故障的类型及其概率变化范围较大，各故障对电网扰动的严重程度也不尽相同，这些故障包括线路发生单相接地短路、相间短路及三相短路故障，某些情况下母线故障和变压器故障也被考虑在内。

按照《国家电网安全稳定计算技术规范》中相关规定[35]，电网运行控制中应确保任意单一元件故障退出运行后系统仍然能够维持稳定运行，因此在对实际系统运行方式进行安排及稳定校核工作中通常取最为严重的线路两端发生的三相永久性短路故障[33]，因此本文在分析过程中所选取故障类型均为发生在线路端点的三相永久性短路故障。

图2-1展示了系统发生三相永久性短路故障后发电机相对功角的变化情况[36]，曲线1为系统稳定情况下转子角度增加达到最大值后减少并减幅振荡直到稳定状态。

曲线2为一次摇摆不稳定情况，发电机相对功角差在故障发生后持续增加直到失去同步，这主要是由于发电机同步转矩不足造成。

曲线3的第一次摇摆系统是稳定的，但系统最终增幅振荡失稳，这种形式的不稳定一般是由于故障后系统自身的小信号不稳定性造成的，而不是暂态扰动造成的必然结果。

此外，在大型电力系统中，暂态失稳并非总是以第一次摇摆失稳的形式失稳，也有可能由多种模式振荡叠加而引起一次摇摆以后转子角度差增加导致失稳[37]。

图2-1 系统故障后发电机功角变化示意图
如图2-2所示的简单系统，它是由一台发电机通过两条输电线向无穷大系统送电，无穷大系统为一恒定电压幅值和恒定频率的电压源。