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1、清华大学电机系 闵勇,电力系统稳定问题 的概念、分类及分析方法,清华大学电机工程及应用电子技术系 闵 勇2004.9,清华大学电机系 闵勇,内容提要,电力系统稳定性的定义电力系统稳定问题的分类稳定性与可靠性、安全性之间的关系稳定问题的理论基础,清华大学电机系 闵勇,电力系统稳定性的定义,电力系统稳定性的定义,清华大学电机系 闵勇,发展历史,随着电力工业的出现而出现 1920s：C. P. Steinmetz, “Power control and stability of electric generating stations,”AIEE Trans., vol. XXXIX, Part I
2、I, pp. 12151287, July 1920. 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 Before 1980s ? 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,清华大学电机系 闵勇,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： IEEE Task Force Report, Proposed Terms & Definitio
3、ns of Power System Stability IEEE Trans. On PAS, Vol.PAS-101, No.7, 1982,清华大学电机系 闵勇,P.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。 Power System Stability and Control中译本, 2002Power system stability may be broadly defined as that property of a power syst
4、em that enables it to remain in a state of operating equilibrium under normal operating conditions and to regain an acceptable state of equilibrium after being subjected to a disturbance Power System Stability and Control, 1994,清华大学电机系 闵勇,2001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
5、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,清华大学电机系 闵勇,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。Power system stability is the ability of an electric power system, for a given initial operating condition, to regain a state
6、 of operating equilibrium after being subjected to a physical disturbance, with most system variables bounded so that practically the entire system remains intact. IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions，2004,清华大学电机系 闵勇,讨论1,CIGRE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
7、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,清华大学电机系 闵勇,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,清华大学电机系 闵勇,讨论3,扰动下系统的响应可能包含很多设备
8、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,清华大学电机系 闵勇,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
9、线路跳闸、系统的重要部分停电,清华大学电机系 闵勇,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）,如果,则称零解是稳定的，否则是不稳定的 如果和t0无关，则为一致稳定的,清华大学电机系 闵勇,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,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,清华大学电机系 闵勇,电力系统稳定性的分类,电力系统稳定性的分类,清华大学电机系 闵勇,为什么需要分类,稳定性在本质上
10、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,清华大学电机系 闵勇,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,清华大学电机系 闵勇,分类结果示意图,清华大学电
11、机系 闵勇,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。,清华大学电机系 闵勇,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,清华大学电机系 闵勇,小扰动功角稳定,小扰动功
12、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失稳的现象 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,清华大学电机系 闵勇,小扰动功角稳定（续）,从失稳区域划分 局部失稳： 一台或几台机组相对系统的其他部分的振荡（局部振荡模式）逐渐增幅 影响因素包括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
13、产生重要的影响,清华大学电机系 闵勇,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，而且取决于扰动的严重程度 失稳方式 通常是由于缺乏足够的同步力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,清华大学电机系 闵勇,大扰动功角稳定,时间尺度 通常是扰动后3到5秒 对具有明显的区间振荡模式的大型电力系统可将时间尺
14、度延长到扰动后10到20秒 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,清华大学电机系 闵勇,对动态稳定概念的处理,动态稳定（Dynamic stability）也指一类功角稳定问题，但对其含义不同的地区有不同的理解 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 相比之下，经典的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 欧洲 通常用来表示暂态稳定，即大扰动功角稳定 译自前苏联的文献也常采用这种说法因此CIGRE和IEEE建议不再使用该词,清华大学电机系 闵勇,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
15、决于电力系统维持或恢复负荷需求和负荷供给之间的平衡关系的能力 电压失稳通常表现为部分节点电压逐渐(progressive)下降或上升 可能导致的后果 损失部分负荷 保护系统切除联络线或其他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,清华大学电机系 闵勇,电压稳定（续）,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置、带分接头调节的变压器等，其试图恢复负荷的努力常常增加了高压网无功供应的负担并进一步加大了电压降 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的过程中也起重要作用,清华大学电机系 闵勇,电压稳定（续）,大部分电
16、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的并发生过 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） 换流变的分接头调节动作也可能引起电压失稳，但失稳过程会慢的多,清华大学电机系 闵勇,小扰动电压稳定,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组合起来使用,清华大学电机系 闵勇,大扰动电压稳定,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,
