電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析和控制(EEAC)的基本理論和FASTEST軟件的背景知識

電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析和控制的基本理論和FASTEST軟件的背景知識

國電自動化研究院穩(wěn)定技術(shù)研究所2003-8-101隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)日益擴大，電網(wǎng)最高運行電壓增高，投入運行的發(fā)電機組容量增大，所涉及的技術(shù)內(nèi)容極為廣泛，逐步形成了若干類別的專業(yè)。

專業(yè)：電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析和控制。2003-8-1022003-8-103一、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念電力系統(tǒng)中，在50Hz基頻下，幾乎所有的變量都可以如下表示：

2003-8-104對于電力系統(tǒng)說來，安全和穩(wěn)定都是電力系統(tǒng)正常運行所不可缺少的最基本條件。安全和穩(wěn)定是兩個不同的基本概念。所謂安全，是指運行中的所有電力設(shè)備必須在不超過它們允許的電流、電壓和頻率的幅值和時間限額內(nèi)運行。不安全的后果，可能導(dǎo)致電力設(shè)備的損壞；所謂穩(wěn)定，是指電力系統(tǒng)可以連續(xù)向負(fù)荷正常供電的狀態(tài)。2003-8-105電力系統(tǒng)穩(wěn)定可以概括地定義為這樣一種特性：即能夠運行于正常條件下的平衡狀態(tài)，在遭受干擾后能夠恢復(fù)到可以容許的平衡狀態(tài)。2003-8-106根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行模式的不同，電力系統(tǒng)不穩(wěn)定可以通過不同的方式表現(xiàn)出來。傳統(tǒng)和狹義概念上，穩(wěn)定是—個維持同步運行的問題。由于電力系統(tǒng)依靠交流同步電機發(fā)電，因而良好的系統(tǒng)運行的必要條件是所有同步電機保持同期，俗稱“同步”。也就是通常所謂的功角穩(wěn)定問題。2003-8-107同步電機由兩個基本部分組成，既磁場和電樞。通常磁場在轉(zhuǎn)子上而電樞在定子上。磁場繞組用直流勵磁。當(dāng)轉(zhuǎn)子由原動機(汽輪機或水輪機)拖動時，勵磁繞組的旋轉(zhuǎn)磁場將在定子的三相電樞繞組上感應(yīng)出交變電壓。電機定子電氣量的頻率與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速同步，故稱“同步電機”。當(dāng)2臺或多臺同步電機互聯(lián)運行時，所有電機的定子電壓、電流必須具有相同的頻率，每臺電機轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速必須與此頻率同步。因此，所有互聯(lián)運行同步電機的轉(zhuǎn)子必須同步。2003-8-108同步電機構(gòu)造原理圖2003-8-109互聯(lián)在一起的同步電機運行在某種程度上可類比于多輛小汽車?yán)@環(huán)形跑道急馳，汽車之間用彈性鏈或橡皮帶連接。當(dāng)所有小汽車一齊跑時，橡皮帶保持不變形。而如果外力加于其中一輛小汽車使它暫時加速，則連接它與其他小汽車的橡皮帶將被拉伸，從而使加快的小汽車變慢，其他小汽車加快。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的結(jié)果使所有小汽車重新以相同速度行駛。如果其中一條橡皮帶的拉伸超過其強度，則橡皮帶將被拉斷，造成一輛或多輛小汽車與其他小汽車分離行駛。2003-8-1010當(dāng)一臺同步電機與系統(tǒng)的其他部分失步時，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度將高于或低于系統(tǒng)頻率。電機的功率輸出、電流、電壓產(chǎn)生很大的波動，從而使保護系統(tǒng)動作把不穩(wěn)定的電機從系統(tǒng)中隔離開來。失去同步可以發(fā)生在單臺電機對其余系統(tǒng)或者在幾群電機之間。對機群之間關(guān)系的情況，若將它們之間解列，則每群電機內(nèi)部可保持同步。2003-8-1011暫態(tài)功角穩(wěn)定性是衡量電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平的一個重要指標(biāo)，是制約電網(wǎng)運行與發(fā)展的一個重要因素。一般來說，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析是對電力系統(tǒng)在某一擾動和一定時段內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)的研究。

2003-8-1012在電力系統(tǒng)運行中，常見的擾動有輸電線路、大型聯(lián)絡(luò)變壓器、變電所高壓母線等輸變電設(shè)備的故障(如發(fā)生突發(fā)性短路或突然跳閘退出運行等)以及大型發(fā)電機組突然跳閘、失磁等等。2003-8-1013這種擾動的直接效應(yīng)是使系統(tǒng)內(nèi)各發(fā)電機組機電能量平衡的運行狀態(tài)受到破壞、或表現(xiàn)為機械能過剩、或表現(xiàn)為電能的過剩，致使一些發(fā)電機組相對另一些發(fā)電機組發(fā)生加速或減速搖擺，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致某些發(fā)電機組失去同步運行．即失去暫態(tài)功角穩(wěn)定性。2003-8-1014轉(zhuǎn)子角對暫態(tài)擾動的響應(yīng)2003-8-1015上圖示出同步電機在穩(wěn)定和不穩(wěn)定情況下的行為。它給出一種穩(wěn)定情況和兩種不穩(wěn)定情況下的轉(zhuǎn)子角的響應(yīng)。在穩(wěn)定情況下(情況1)，轉(zhuǎn)子角度增加到一最大值后減少并減幅振蕩直到穩(wěn)定狀態(tài)。情況2下轉(zhuǎn)子角度持續(xù)增加直到失去同步。這種失穩(wěn)形式稱為暫態(tài)功角失穩(wěn)。情況3時振蕩逐漸增大最終使系統(tǒng)不穩(wěn)定。這種形式的穩(wěn)定問題稱之為動態(tài)穩(wěn)定或小擾動穩(wěn)定、低頻振蕩。2003-8-1016并列運行的發(fā)電機間在小干擾下發(fā)生的頻率為0.2—2.5Hz范圍內(nèi)的持續(xù)振蕩現(xiàn)象叫低頻振蕩。低頻振蕩產(chǎn)生的原因是由于電力系統(tǒng)的負(fù)阻尼效應(yīng)，常表現(xiàn)在弱聯(lián)系、遠(yuǎn)距離、重負(fù)荷輸電線路上，在采用快速、高放大倍數(shù)勵磁系統(tǒng)的條件下更容易發(fā)生。2003-8-1017

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小的或大的擾動后，系統(tǒng)電壓能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍，不發(fā)生電壓崩潰的能力。2003-8-1018電壓失穩(wěn)即為失去電壓穩(wěn)定，其后果是電壓持續(xù)下降(或上升)。2003-8-1019

電壓崩潰的典型情況當(dāng)一個電力系統(tǒng)在發(fā)生故障以后，無功需求量的突然增加，可能導(dǎo)致電壓崩潰，引起系統(tǒng)的一部分或整個系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重瓦解。電壓崩潰的典型情況可能如下：a.系統(tǒng)經(jīng)歷非正常運行條件，負(fù)荷中心附近的大型發(fā)電機組退出運行。其結(jié)果使一些高壓線路嚴(yán)重重載，無功電源處于最低水平。2003-8-1020b.突發(fā)事件使重負(fù)荷線路跳閘，而導(dǎo)致剩下的相鄰線路增加額外負(fù)載；這將增大線路的無功損耗(當(dāng)線路負(fù)荷高于自然功率時，線路吸收的無功會快速增加)，因此引起對系統(tǒng)的很大的無功需求。c.臨近的負(fù)荷中心的電壓顯著降低，發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)器將通過增加勵磁，恢復(fù)端電壓。d.負(fù)荷中心電壓水平的降低會反映到配電系統(tǒng)，有載調(diào)壓變壓器將力圖恢復(fù)配網(wǎng)電壓及負(fù)荷到事故前水平。每次分接頭調(diào)整導(dǎo)致無功需求的進一步增加。2003-8-1021e.每次分接頭調(diào)整都造成系統(tǒng)的發(fā)電機的無功輸出增加,逐漸地這些發(fā)電機可能—·個接一個地達到其極限無功容量，直至系統(tǒng)中只有少數(shù)的幾臺發(fā)電機具有自動勵磁控制。電壓的降低也大大降低了低壓并聯(lián)補償裝置的有效性，最終電動機可能堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致無功需求的大幅增加及發(fā)電機過勵或過流保護動作而被切除。這個過程將最終導(dǎo)致電壓崩潰或雪崩，可能導(dǎo)致發(fā)電機組失步及大面積停電。2003-8-1022影響電壓穩(wěn)定性的多種系統(tǒng)元件和控制裝置2003-8-1023電壓失穩(wěn)和電壓崩潰的動態(tài)過程歷時從小于1s到數(shù)十分鐘，系統(tǒng)特性和擾動類型將決定系統(tǒng)發(fā)生現(xiàn)象的性質(zhì)。可以將電壓穩(wěn)定根據(jù)歷時長短劃分為暫態(tài)和長期兩種。2003-8-1024電力系統(tǒng)頻率反映了系統(tǒng)中有功功率的供需平衡情況。電力系統(tǒng)有功功率突然不平衡時，頻率將發(fā)生變化。功率不足時頻率將下降，反之，功率過剩則頻率將上升。2003-8-1025

頻率崩潰電力系統(tǒng)的負(fù)荷大于發(fā)電功率時，頻率將下降。一般情況下，由于負(fù)荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)和發(fā)電機的調(diào)節(jié)效應(yīng)，在頻率下降到某一值時，將重新達到一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。但如果功率缺額非常大時，則可能建立不了新的平衡狀態(tài)，而頻率一直下降，直至損失全部負(fù)荷，這就是所謂“頻率崩潰”。

2003-8-1026電力系統(tǒng)低頻運行是非常危險的：1)引起汽輪機葉片斷裂。2)使發(fā)電機出力降低。3)使發(fā)電機機端電壓下降。4)對廠用電安全運行產(chǎn)生影響。5)對用戶帶來危害。2003-8-1027實際上，發(fā)生頻率崩潰事故往往是由于大量切除發(fā)電機組引起的。例如，頻率降低時發(fā)電機低頻保護跳閘或系統(tǒng)解列，以致引起連鎖的頻率降低。2003-8-1028

全局安全域D&A

頻率安全域D&A

電壓安全域D&A

功角穩(wěn)定域D電力系統(tǒng)參數(shù)空間中的安全域全局安全域

功角穩(wěn)定域頻率安全域電壓安全域2003-8-1029電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念因此，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性至少應(yīng)包括以下三個方面：暫態(tài)功角穩(wěn)定性暫態(tài)電壓安全性暫態(tài)頻率安全性只有上述三個方面的安全性都得到滿足的電力系統(tǒng)，才可以認(rèn)為是安全的。

2003-8-1030二.電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)和控制策略2003-8-1031電力系統(tǒng)運行狀態(tài)2003-8-1032電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)．從邏輯上一般可劃分成五種典型狀態(tài)，即正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急狀態(tài)、嚴(yán)重事故狀態(tài)和事故后恢復(fù)狀態(tài)．分別協(xié)調(diào)地配備好面向狀態(tài)的控制策略和控制措施，適時地根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)進行有效控制，以利于運行和防止事故擴大。2003-8-1033(1)正常狀態(tài)。電力系統(tǒng)的全部元件正常運行或計劃檢修方式下．所有約束條件均得到滿足，系統(tǒng)可以承受常見單一故障擾動，正常供電，不失穩(wěn)。(2)警戒狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)中個別元件停運或負(fù)荷變化，系統(tǒng)強度被削弱，系統(tǒng)的運行不再能承受常見單一故障擾動時，系統(tǒng)進入警戒狀態(tài)。此時的電力系統(tǒng)是很脆弱的，應(yīng)盡快調(diào)整運行方式，以恢復(fù)到正常狀態(tài)。從警戒狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)的控制稱之為預(yù)防控制。2003-8-1034(3)緊急狀態(tài)。處于警戒狀態(tài)下的電力系統(tǒng)受到—個常見單一故障擾動后，就可能發(fā)生多處過負(fù)荷或電壓越限，甚至有發(fā)生功角失穩(wěn)的危險，電力系統(tǒng)因此進入緊急狀態(tài)。此時應(yīng)盡快施行緊急控制，如切機、切負(fù)荷等，以將系統(tǒng)恢復(fù)到警戒狀態(tài)。

2003-8-1035緊急控制要解決的問題防止系統(tǒng)穩(wěn)定破壞；制止系統(tǒng)失步運行；限制系統(tǒng)頻率過低；限制系統(tǒng)頻率過高；限制系統(tǒng)電壓過低；限制系統(tǒng)電壓過高；限制設(shè)備過負(fù)荷。2003-8-1036(4)嚴(yán)重事故狀態(tài)。如果處于警戒狀態(tài)下的電力系統(tǒng)受到一個不常見的嚴(yán)重故障擾，或處于緊急狀態(tài)下的電力系統(tǒng)采取緊急控制措施后不奏效時，可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩失穩(wěn)或局部地區(qū)解列，系統(tǒng)進入失穩(wěn)狀態(tài)。此時必須采取預(yù)定的措施．如系統(tǒng)計劃解列，低頻或低壓自動切負(fù)荷，防止事故擴大，或造成電網(wǎng)崩潰和大面積停電。這是防止電力系統(tǒng)大面積停電的最后一道防線。2003-8-1037(5)事故后的恢復(fù)狀態(tài)。事故后的恢復(fù)狀態(tài)指在事故后，電力系統(tǒng)恢復(fù)供電和并列過程中出現(xiàn)的一系列狀態(tài)和控制。相應(yīng)的控制稱之為恢復(fù)控制。全停后的系統(tǒng)恢復(fù)．在大電力系統(tǒng)中，是一件十分復(fù)雜而又耗費時間的事情。2003-8-1038三.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算分析2003-8-1039電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算分析的目的是通過詳細(xì)的仿真計算和分析研究，確定系統(tǒng)穩(wěn)定問題的主要特征和穩(wěn)定水平，提出提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平的措施和保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的策略。2003-8-1040計算內(nèi)容包括：靜態(tài)安全分析、靜態(tài)穩(wěn)定計算、暫態(tài)穩(wěn)定計算、動態(tài)穩(wěn)定計算、電壓穩(wěn)定計算、頻率穩(wěn)定計算以及再同步計算。2003-8-1041靜態(tài)安全分析電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析指應(yīng)用潮流計算的方法，根據(jù)N-1原則，逐個無故障斷開線路、變壓器等單一元件，檢查其他元件是否因此過負(fù)荷和電網(wǎng)電壓水平是否符合要求，用以檢驗電網(wǎng)結(jié)構(gòu)強度和運行方式是否滿足安全運行的要求。2003-8-1042靜態(tài)穩(wěn)定計算分析靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小擾動后，不發(fā)生非周期性失步，自動恢復(fù)到起始運行狀態(tài)的能力。2003-8-1043暫態(tài)穩(wěn)定計算分析暫態(tài)穩(wěn)定計算分析的目的是在規(guī)定的運行方式和故障形態(tài)下，對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進行校驗，研究保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定的控制策略，并對繼電保護和自動裝置以及各種安全穩(wěn)定措施提出相應(yīng)的要求。2003-8-1044動態(tài)穩(wěn)定計算分析動態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小的或大的擾動后，在自動調(diào)節(jié)和控制裝置的作用下，保持較長過程的運行穩(wěn)定性的能力，通常指電力系統(tǒng)受擾動后不發(fā)生發(fā)散振蕩或持續(xù)的振蕩，是電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定的另一種形式。2003-8-1045動態(tài)穩(wěn)定計算分析的目的是在規(guī)定的運行方式和故障形態(tài)(包括小擾動和大擾動)下，對系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性進行校驗，確定系統(tǒng)中是否存在負(fù)阻尼或弱阻尼振蕩模式，并對系統(tǒng)中敏感斷面的潮流控制、提高系統(tǒng)阻尼特性的措施、并網(wǎng)機組勵磁及其附加控制系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的配置和參數(shù)優(yōu)化以及各種安全穩(wěn)定措施提出相應(yīng)的要求。2003-8-1046電壓穩(wěn)定計算分析電壓穩(wěn)定計算分析的目的是在規(guī)定的運行方式和故障形態(tài)下，對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性進行校驗，并對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制策略、低電壓減負(fù)荷方案、無功補償配置以及各種安全穩(wěn)定措施提出相應(yīng)的要求。2003-8-1047頻率穩(wěn)定計算分析頻率穩(wěn)定計算目的是，當(dāng)系統(tǒng)的全部或解列后的局部出現(xiàn)較大的有功功率擾動造成系統(tǒng)頻率大范圍波動時，對系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性進行計算分析，并對系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定控制對策、低頻減負(fù)荷方案、機網(wǎng)協(xié)調(diào)策略以及各種安全穩(wěn)定措施提出相應(yīng)的要求。2003-8-1048目前我國已形成東北一華北一山東一華中一川渝交流互聯(lián)電網(wǎng)、華中一華東直流互聯(lián)電網(wǎng)，華中一西北背靠背直流互聯(lián)電網(wǎng)，以及華中一南方直流互聯(lián)電網(wǎng)。面對大規(guī)模的全國互聯(lián)電網(wǎng)，我國電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題更加復(fù)雜，如大區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)的動態(tài)特性、大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)的運行控制、受端系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性、交直流系統(tǒng)的相互影響，以及電網(wǎng)安全穩(wěn)定措施等問題日益突出，使我國電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行面臨新的挑戰(zhàn)，也對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算分析提出了新的要求。2003-8-1049四.《電力系統(tǒng)安全