电力系统稳定问题(1)

欧洲
通常用来表示暂态稳定，即大扰动功角稳定
因此，CIGRE和IEEE建议不再使用该词
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3.2 电压稳定
给定初始运行条件下发生扰动后电力系统维持其所有 节点电压值的能力。
取决于电力系统维持或恢复负荷需求和负荷供给之间 平衡关系的能力。 电压失稳通常表现为部分节点电压逐渐下降或上升。 可能导致的后果
转子相对角持续不断上升 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
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关于稳定的分类
分类的目的
便于理解系统失稳的机理
便于识别系统失稳的原因
便于选择合适的分析模型、方法和工具 便于发展正确的应对手段
注意点
失稳现象常常不是纯粹的某一类别，系统一旦以某种 形式失去稳定，常常会导致其他形式的失稳现象 必须全面考虑系统的稳定问题，对某种稳定问题的解 决方案不应以牺牲其他形式的稳定性为代价
换流变压器的分接头调节动作也可能引起电压 失稳，但失稳过程会慢得多
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3.2.1小扰动电压稳定
指微小扰动（如负荷增加）下系统维持电压的 能力 在适当的假设条件下，可以采用线性化模型计 算系统的灵敏度信息从而判断影响稳定性的因 素
由于线性化模型不能考虑如分接头调节之类的 离散控制的影响，常常将线性化分析和非线性 分析结合起来使用
安全性分析即确定系统对预期发生的扰动的鲁棒性
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功角失稳的方式
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
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3.1.1小扰动功角稳定（静态稳定）
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4. 稳定性与可靠性、安全性之间的关系
可靠性
系统在较长运行周期中工作正常的概率 表示在相当长的时间内几乎不中断地为用户提供足够电力供 应的能力
安全性
电力系统在意外事件下不中断用户电力供应的能力的风险度 安全性与系统对意外事件的鲁棒性有关，并取决于系统的运 行条件及意外事件的发生概率
实际电力系统不可能绝对的停留在某个状 态，各种扰动时刻不停地发生，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
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讨论
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
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讨论
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
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3.1.2 大扰动功角稳定（暂态稳定）
大扰动功角稳定
考虑严重扰动（如短路故障） 发电机转子角大幅变化，须采用非线性的功角关系 系统是否失稳不仅取决于初始运行状态，还取决于扰 动的严重程度
时间尺度
通常是扰动后3~5s
对具有明显区间振荡模式的大型电力系统可将时间尺 度延长到扰动后10~20s
失稳的原因可能是无法长期维持负荷平衡、扰动后的平衡点 不稳定或者扰动后的平衡点的吸引域太小等
很多情况下可以采用静态分析的灵敏度概念
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功角稳定和电压稳定的区别
区别主要在于二者由不同量的不平衡引起，并 且失稳现象在不同量上表现得更明显 一种错误的观点
功角稳定和电压稳定的差别是由于有功相角和 无功电压之间的弱耦合关系
损失部分负荷 保护系统切除联络线或其它设备并导致连锁反应，部 分发电机也可能在此过程中失去同步
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3.2 电压稳定
导致电压失稳的主要原因通常是负荷特性，如 电动机的滑差特性、配电网的电压调节装臵、 带分接头调节的变压器等，其试图恢复负荷的 努力常常会增加高压网无功供应的负荷并进一 步加大电压降。
发电机组的转速由作用在转子上的转矩决定
机械转矩：由原动机提供，推动发电机旋转，与发电 机旋转方向一致
电磁转矩：阻碍发电机旋转，与发电机旋转方向相反
转矩平衡 转速恒定
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3.1 功角稳定（转子角稳定）
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 特 性），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。
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3.3 频率稳定
在频率偏移过程中起作用的设备和调节过程的时间尺 度可以是几分之一秒，如低频减载、发电机控制系统 和保护系统，也可以是数分钟，如原动机功率调节系 统和负荷电压调节系统 因此频率稳定过程既可能是短期现象，也可能是长期 现象 频率偏移过程中电压也可能会明显变化，特别是在减 载装臵动作的孤立系统中。电压变化的百分比甚至可 能大于频率变化的百分比，并进一步加剧发电量和负 荷的不平衡
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讨论
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事故的操作而 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
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讨论
系统不稳定：将导致系统出现解列或崩溃状态
实际上功角稳定和电压稳定都一样不仅受扰动 前有功潮流的影响，也受扰动前无功潮流的影 响
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3.3 频率稳定
在导致系统发电量和负荷量出现明显不平衡现 象的严重扰动发生后，系统维持频率的能力 取决于在损失最小负荷的前提下系统维持或恢 复发电量和负荷量之间的平衡关系的能力 频率失稳的现象是频率持续波动并导致切机和 /或切负荷
电力系统稳定问题
史真惠
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主要内容
1. 电力系统稳定问题的提出 2. 电力系统稳定性的定义 3. 电力系统稳定问题的分类 4. 稳定性与可靠性、安全性之间的关系
5. 近几年发生的大停电事故
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1. 稳定问题的提出
随着电力工业的出现而出现 随着电力工业的不断发展而变化
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3.2.2大扰动电压稳定
指大扰动（如系统故障、切机、断线等）下系统 维持电压的能力
影响这一过程的因素包括系统和负荷特性、各种 连续控制和离散控制的效果以及保护系统的动作 情况
确定大扰动下的电压稳定性要求对系统在扰动后 足够长时间的响应进行分析，并考虑电动机、变 压器分接头、发电机励磁限制等因素的影响 时间尺度可能从几秒到几十分钟
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3. 稳定问题的分类
静态稳定
功角稳定
暂态稳定 电力系统 稳定性 频率稳定 静态电压稳定 电压稳定 暂态电压稳定
短期 短期 长期 短期 长期
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3.1 功角稳定（转子角稳定）
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。
——从时间尺度来看，小扰动功角稳定和暂态稳定 问题都应归类为短期稳定
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对动态稳定概念的处理
动态稳定（ Dynamic Stability ）也是一类功角稳 定问题，但各地区对其含义有不同的理解
北美
动态稳定指考虑发电机自动控制系统（特别是励磁 控制系统）时的小扰动稳定
相对的，经典静态稳定则特指不考虑发电机自动控 制系统时的小扰动稳定
单电源系统 互联系统
有利于地区间电力平衡和经济调度
有利于安排机组检修和事故备用容量 有利于充分利用水力资源 有利于提高供电可靠性 有利于提高系统的抗冲击能力，提高供电质量
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1. 稳定问题的提出
截至2013年，我国总发电机装机容量已达12.5亿kW， 年发电量52451亿kW· h，居世界首位 南方电网建成“八交七直”共 15条 500kV及以上的西 电东送大通道，最大输电能力超过3000万kW 早期局限于功角稳定 系统规模越来越大，电压稳定、频率稳定及区域间震 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
输电网络中的电抗限制了功率传输和电压支撑 的能力，其导致的电压降落在电压失稳过程中 也起重要作用。
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3.2 电压稳定
大部分电压失稳现象表现为电压的持续下降， 但电压上升的失稳情况也是存在并发生过的 HVDC也可能引起电压稳定问题
控制系统调节不当可能导致交流侧无功供应不 足，所引起的电压失稳过程通常是快速的（秒 级甚至更快）
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2. 电力系统稳定性的定义
当电力系统在某一正常运行状态下受到某 种扰动后，凭借系统本身固有的能力和控 制设备的作用，恢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。
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讨论
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
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电压稳定的时间尺度分析
短期电压稳定：时间尺度为数秒
包括电动机、HVDC换流器等元件 需要对适当的系统微分方程求解，类似功角稳定的分析方法 不建议使用“暂态电压稳定”一词
长期电压稳定：数分钟或数十分钟
考虑分接头调节、温度调节负荷以及发电机励磁限制等慢变 元件
考虑的扰动可能是负荷的缓慢增长
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Hale Waihona Puke Baidu
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扰动程度的影响
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大扰动功角稳定
失稳方式
通常是由于缺乏足够的同步转矩而产生的非振荡失稳， 即所谓的第一摆失稳
大型电力系统中也存在其他失稳方式
¤第一摆稳定后由于一个慢的区间振荡模式和一个局部振 荡模式的叠加可能导致大的转子角偏移
¤第一摆稳定后由于系统的非线性特性对某一振荡模式的 影响也可能导致失稳
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10~20s
从失稳方式划分：振荡失稳和非振荡失稳
实际电力系统中通常出现的是阻尼转矩不够导致的振 荡失稳现象
由于调压器的调节作用，实际电力系统通常不会出现 非振荡失稳，除非采用的是励磁电压为常数的模型
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小扰动功角稳定
从失稳区域划分
局部失稳
¤一台或几台机组相对系统其它部分的增幅振荡（局部震 荡模式） ¤影响因素：失稳机组与系统的接入方式、调压系统以及 机组出力
¤ 全局失稳：
¤一个地区的所有机组相对另一个地区的机组的振荡（区 间振荡模式）
¤影响因素十分复杂，负荷特性会产生重要的影响
稳定性
扰动后系统整体性的维持能力
取决于系统的运行条件和扰动的性质
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4. 稳定性与可靠性、安全性之间的关系
可靠性是系统设计和运行的总体目标
为保证可靠性，系统绝大部分时间必须是安全的 为保证安全性，系统必须是稳定的，同时必须对其它不能归类为稳定 问题的偶然事件是安全的，如设备损坏、杆塔倒塌或者人为破坏等
也可从后果来区分安全性和稳定性
两个具有相同稳定裕度的系统，如果一个系统失稳的后果比另一个差 ，则前者的安全性相对较差
安全性和稳定性是时变的，可通过对特定运行方式的研究进行 判断
可靠性是一段时间内的平均性能，只能通过对一段时间内系统 性能的整体考虑进行判断
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电力系统安全性分析方法
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3.3 频率稳定
严重扰动下系统的频率、电压、潮流等都会大幅变化，因此 分析时需要考虑一些常规的暂态稳定和电压稳定中不会考虑 的过程、控制和保护手段，如锅炉、低频减载等 大型互联系统中严重故障常常会导致系统解列，此时稳定研 究的目的是确定是否可以在最小负荷损失的前提下达到每个 解列区域的平衡状态 频率稳定的分析常常针对系统或解列区域的平均频率进行 引起频率稳定问题的原因包括：不适当的设备特性、不正确 的控制和保护整定或不充足的发电备用 孤立系统中出现导致切机或者切负荷的扰动时常常需要关注 其频率稳定问题