区域电力网稳定性分析研究学位论文.doc

不用打印，用网络教育学院提供的封面学位论文区域电力网稳定性分析研究申请人：李肇婵学科（专业）：电力系统及其自动化指导教师：陈国联教授2011年03月iii 网络教育学院毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书专业班级电力0903层次专升本姓名李肇婵学号09017446010008一、毕业设计（论文）题目 区域电力网稳定性分析研究 二、毕业设计（论文）工作自 2010 年12月22日起至2011年03月21日止三、毕业设计（论文）基本要求： 1.对电力系统稳定性的定义及其分类进行简介，并指出提高电力系统稳定性的措施。 2介绍潮流计算方法，还在psasp环境下对区域电力网的潮流进行计算。 3. 讨论电力系统小干扰稳定的原理，提出小干扰稳定的条件、判据等。提出提高小干扰稳定性的措施，并针对一些特殊的措施在psasp环境下进行仿真验证 4. 对电压稳定的概念进行讨论，同时分析无功补偿和电压稳定、节点的负荷稳定和电压稳定的判据理论。 指导教师： 网络教育学院毕业设计(论文)考核评议书指导教师评语：论文对电力系统的稳定性，包括小干扰稳定、暂态稳定、电压稳定进行了讨论，对部分传统的提高电力系统稳定性的措施在psasp的环境下进行了验证，包括发电机励磁附加稳定控制、汽轮机快关汽门、切除发电机、电气制动、切除负荷、柔性交流输电系统控制(facts)、快速切除故障及自动重合闸装置等，还对区域电网进行了潮流计算和短路计算。表明作者电力系统的稳定性理论有了充分的理解与掌握。论文观点正确，写作认真，达到了本科生毕业设计的基本要求，同意进行答辩。建议成绩： 优 指导教师签名： 2011年2月22日答辩小组意见：负责人签名 年 月 日答辩小组成员 毕业设计（论文）答辩委员会意见： 负责人签名： 年 月 日目 录论文题目：区域电力网稳定性分析研究学科（专业）：电力系统及其自动化申请人：李肇婵指导教师：陈国联 摘 要随着电力系统规模不断地扩大，高电压、远距离输电和大区域电网相联是现代电网的重要特征。作为整体和局部的关系，区域电网尤其是220kv的区域电网的稳定性问题非常重要。一旦地区电力网稳定性遭到破坏，将会带来巨大的损失。同时，由于区域电网与负荷联系更加紧密，如果区域电网的稳定性不合格，不能保证用户端电能水平的合格，将直接影响到工业企业的生产和人民的生活。因此本论文将对区域电力网的稳定性进行分析研究。在电力系统中，稳定性问题一般分成转子角稳定（即是功角稳定）和电压稳定两个方面。转子角稳定是指电力系统中互联的同步电机保持同步的能力，分为小扰动稳定和暂态稳定问题。在定性分析功角稳定过程中，发电机功率特性曲线和等面积法则具有重要意义。电压稳定性是指正常运行情况下或遭受干扰后电力系统维持所有母线电压在可以接受的稳态值的能力。电压稳定性问题和无功补偿和负荷稳定方面的关系都是非常密切的。功角稳定和电压稳定虽然是稳定问题的两个方面，但是它们之间常存在千丝万缕的联系。本文主要研究电力系统的稳定性，包括小干扰稳定、暂态稳定、电压稳定的问题。同时对部分传统的提高电力系统稳定性的措施在psasp的环境下进行验证，包括发电机励磁附加稳定控制 、汽轮机快关汽门、切除发电机 、电气制动 、切除负荷 、柔性交流输电系统控制(facts)、快速切除故障及自动重合闸装置等。此外，本文还对区域电网进行了潮流计算和短路计算。关键词：区域电网，小干扰稳定，暂态稳定，电压稳定目 录1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 电力系统稳定性的定义和分类21.3 提高电力系统稳定性的措施31.4 本文主要工作介绍62 区域电网的潮流计算和短路计算72.1 潮流计算的概述72.1.1 潮流计算的定义和基本思路72.1.2 潮流计算的意义72.2 地区电网潮流计算的特点72.3 电网潮流计算的计算机算法82.3.1 潮流计算的节点功率方程82.3.2 潮流计算的节点分类92.3.3 电网潮流计算的方法92.4 区域电网的短路计算102.4.1 短路计算概述102.4.2 三相系统短路的类型102.5 区域电网实例潮流计算和短路计算（在psasp的环境下）112.5.1 实例电网的数据112.5.2 在psasp环境下潮流计算132.5.3 在psasp环境下的短路计算142.6 潮流计算和短路计算总结153 区域电力网的小干扰稳定研究173.1 小干扰稳定分析的基本概念173.2 小干扰稳定分析的基本原理173.2.1 小干扰稳定的转矩能量分析173.2.2 电力系统的小干扰稳定性分析193.3 3.3区域电力网小干扰稳定分析213.3.1 3.3.1提高电力网小干扰稳定性的措施213.3.2 在psasp中小干扰试验（有无自动调节励磁装置的对比）223.4 区域小干扰稳定性总结244 第四章 区域电力网暂态稳定研究254.1 电力系统暂态稳定的概念254.2 电力系统暂态稳定的分析方法254.2.1 等面积法则254.2.2 暂态稳定的数值计算方法274.2.3 区域电力网暂态稳定分析方法284.3 提高区域电力网暂态稳定的措施294.3.1 快速切除故障294.3.2 切除发电机和负荷324.3.3 减小线路的电抗值344.3.4 总结365 电压稳定性简要研究375.1 电压稳定性的概念及认识375.1.1 电压稳定性的概念375.1.2 电压安全、电压失稳和电压崩溃375.1.3 电压稳定性与功角稳定性的关系385.2 电力系统电压稳定分析方法简介385.2.1 静态电压稳定分析方法简介385.2.2 动态电压稳定分析方法395.3 无功补偿与电力系统电压稳定性395.3.1 无功功率对电力系统电压稳定性的影响395.3.2 无功补偿的主要手段405.4 电压稳定和负荷稳定405.4.1 电压稳定和负荷稳定关系概述405.4.2 负荷稳定特性分析415.4.3 负荷节点电压稳定特性分析435.5 总结456 结论与展望47参 考 文 献49致 谢516 结论与展望1 绪论1.1 课题研究的背景和意义改革开放30年以来，我国电力工业得到了迅速的发展，装机容量已从1978年的5712万千瓦发展到2008年79253万千瓦，居世界第2位。电力系统的规模也从小型电力系统发展为省(市)、地区级电力系统，进而发展为省级电网互联的大区电力系统，近几年来又形成了大区电网相联的互联电力系统、1。随着电网向全国联网方向的发展，并且规模的不断扩大，作为整体和局部的关系，地区电网的稳定性问题日显重要。一般说来，当电网容量较小，电压等级较低的情况下，稳定问题并不突出。地区电网作为省级电网的下一级系统，一般具有电压等级较低，接入地区电网的电厂容量较小，输电距离短等特点，因此地区电网在网络结构上并不具备稳定矛盾突出的特征。但是，对于某些大型地区电网，由于接入系统的电厂一容量较大，局部负荷重要程度高，一旦发生稳定破坏事故，后果也将十分严重，甚至波及整个系统，导致系统稳定破坏，造成大面积停电。地区电网与负荷联系更加紧密，如果地区电网的电压质量较差，不能保证用户端电压水平的合格，将直接影响到工业企业的生产和人民的生活。地区电网无功的合理优化能保证全网的安全电压水平，即把各电压母线控制在合格范围内，同时还能减少有功网损，提高了地区电网安全稳定水平和运行可靠性。同时，确保地区电力系统稳定是维护大电网安全运行的关键，一旦地区电力网稳定性遭到破坏，很有可能引发大电网的稳定性问题和其他的一系列连锁灾难，甚至是整个电网崩溃。这样，必定会造成巨大的经济损失和灾难性后果。对此，世界各国都不乏惨痛教训的例子。例如，美国东部时间2003年8月14日下午4时10分左右，美国东北部的纽约市、底特律市和克利夫兰市以及加拿大的多伦多、渥太华等地迎来了北美历史上最严重的大停电，美国和加拿大的100多座电厂，其中包括22座核电站自动保护性关闭，结果造成停电区域进一步扩大，最终酿成了北美大陆有史以来最为严重的停电事故，使5000万人的工作和生活受到了严重的影响。基于以上原因，开展地区电力网稳定性方面的课题研究具有十分重要的意义。1.2 电力系统稳定性的定义和分类电力系统稳定可以概括地定义为这样的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，在遭受干扰后能够恢复到可以容许的平衡状态2。一直以来，电力系统稳定性有多种的定义和分类方法。在本论文中，采用两种分类方法，第一：将电力系统的稳定问题分成转子角稳定（即是功角稳定）和电压稳定两个方面的问题【2】；第二：根据扰动的大小，电力系统的稳定问题还可以分成小干扰稳定（即是静态稳定）的问题和暂态稳定的问题。这两种分类方法是根据不同的角度进行的。本课题则是在第一种分类方式的前提下，结合第二类进行探讨研究的。对于第一种分类法：电力系统功角稳定性破坏从根本上是由于发电机输入、输出功率不平衡造成的。在正常的稳态运行情况下，电力系统中各发电机组输出的电磁转矩和原动机输入的机械转矩平衡，因此所有发电机转子速度保持恒定。但在大的扰动发生后，由于系统的结构或参数发生了较大的变化，系统的潮流及各发电机的输出功率发生了较大的变化，从而破坏了原动机和发电机之间的功率平衡，在发电机转轴上产生不平衡转矩，导致转子转速变化。这样，不同发电机转子之间将产生相对运动，而转子之间相对角度的变化又反过来影响各发电机的输出功率，从而使各个发电机的功率、转速和转子之间的相对角度继续发生变化。这样循环下去可能使系统中的发电机相对角度超越稳定极限造成失稳。这就形成了一个以各发电机转子机械运动和电磁功率变化为主体的机电暂态过程【3】。由于功角失稳的着眼点在于发电机功角能否保持在允许的范围之内，所以功角稳定性也被称为发电机稳定性。单机无穷大母线模型可以模拟一个纯粹的功角稳定性问题。电力系统正常运行的一个必要条件是各台发电机的转子保持同步速，表现为各发电机的功角保持定值。功角失稳使得部分机组的转子与系统其它机组失去同步，造成稳定运行的破坏，严重时会导致系统解列。电压稳定性，是指正常运行情况下或遭受干扰后电力系统维持所有母线电压在可以接受的稳态值的能力3。运行着的电力系统在遭受干扰后的几秒或几分钟内，系统中一些母线电压可能经历大幅度、持续性的降低，从而使得系统的完整性遭到破坏，功率不能正常地传给用户。这种情况称为系统电压不稳定4。电压不稳定最严重的后果是导致电压崩溃。电压崩溃是指系统发生一系列事故后导致一些母线电压持续降低，而功角稳定性有可能并没有破坏的迹象，从而很难预先察觉。电压崩溃会导致大量负荷的丢失，严重时会造成系统解列。近年来发生的几起电力系统大停电事故就是电压崩溃的例子。电压崩溃事故是电力系统中发生的灾难性事故，每每造成巨额直接经济损失以及长期大面积停电，成为世界各国致力于杜绝的最严重事故之一。通常认为电压稳定破坏是同负荷特性相关联的，从而电压稳定性有时也称为负荷稳定性。从这种认识出发，无功平衡能否维持就成了电压稳定的关键。举个例子说明：当负荷大幅度上涨后,系统的无功补偿能力严重不足,调度在全网电压下降过程中未能果断切除部分负荷；当系统无功功率供应不足时,如果继续保持负荷侧的电压水平,势必造成上一级电网电压下降,严重时会拖垮高压电网电压,发展为电压崩溃5。功角稳定和电压稳定虽然是稳定问题的两个方面。但是它们之间常存在千丝万缕的联系。在受到小扰动的情况下,很难判断系统在什么条件下发生电压失稳,在什么条件下发生功角失稳。这两种稳定问题在电力系统中可能同时存在,只是在一定的条件下,功角稳定问题更严重些;而在另外的条件下,则是电压稳定问题比较突出。提高电力系统的稳定性，应综合考虑两者所产生的影响【5】。对于第二种分类法：静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力;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，通常指保持第一或第二个振荡周期不失步的功角稳定6;1.3 提高电力系统稳定性的措施电力系统稳定破坏的主要原因是由于系统内有功功率或无功功率的平衡状态受到不可恢复的破坏。维持电网稳定的控制措施就是针对这个机理而进行的7。控制有功功率的稳定措施如切除发电机、切除负荷、气/水门、电阻动态制动(电气制动)、备用电源自动投入、超导储能等，这些措施用于平衡输电线路两端功率，抑制系统过渡过程中的功率振荡;控制无功功率的稳定措施主要有发电机励磁附加稳定控制(如电力系统稳定器、线性最优励磁控制器、非线性励磁控制器等)、输电系统中的静止无功调节设备等，这些措施通常用于提高同步功率和抑制系统振荡及维持电压稳定等。另外还有快速切除故障元件、正确选用重合闸方式和重合闸时间、串连电容补偿、高压直流输电线路的功率快速调制、快速投切并联电抗器以及一些新型的facts设备等，在以上这些措施不能挽救系统时，采用有控制的系统解列。目前发电机励磁附加稳定控制、切除发电机、切除负荷、汽气轮机快速关气门、电气制动、系统解列都是较为广泛采用的稳定措施。下面分别对这些稳定措施简单介绍:1) 发电机励磁附加稳定控制。由电力系统极限的简单表达式 式中：为发电机的空载电动势，为受端系统的电压，为等效电抗。可知，减少发电机的电抗，可以提高电力系统功率极限和传输能力，再由发电机的相对加速度可知，增大，可以减少加速度，从而减少发电机受扰动后转子相对动能的变化量，有利于提高暂态稳定性。但是，减少发电机电抗 和增加发电机的惯性常数，需要增加材料消耗，增大电机尺寸和重量，这不是经济合理的办法。而通过改善发电机励磁调节系统的特性来改善发电机的特性，对提高电力系统功率极限和扩大稳定运行范围则有良好的作用，而且经济性好。因此，现代电力系统的发电机都装有自动励磁调节装置。2) 汽轮机快关汽门。电力系统受到很大的扰动后，发电机因轴上出现不平衡功率使发电机产生剧烈相对运动，破坏系统稳定运行。如果原动机的调节很灵敏，使原动机的功率变化跟上发电机的电磁功率变化，则轴上的不平衡功率便可以大大减少，从而防止暂态稳定破坏。为了减少故障后发电机组的输入功率，以消除其与输出功率间的不平衡，对于中间再热式汽轮机组可以采用汽轮发电机快速调剂汽门与发电机功角变化情况，交替关、开快速汽门，以缩短振荡时间提高暂态稳定8。3) 切除发电机。切机作为提高电力系统暂态稳定性的控制措施已经有多年的研究历史并得到了实际的应用。当电力系统在短路故障或输电线路断开后，为不使发电机加速而失去稳定性，可以迅速切除部分送端发电机组，采用切机措施时还应考虑全系统的功率供需平衡问题。在送、受端系统的容量可比时，还应考虑受端系统有充分的备用出力，以满足负荷的需要，或者考虑在受端系统切除部分负荷的措施。目前，一般应用固定逻辑，通过查阅表或在线估算等方法来决定切机控制规律，包括是否需要切机以及切哪几台机。4) 电气制动。由于水电厂调节阀门及水流的惯性较大，所以许多大型水电厂都把电气制动(或者称为动态电阻制动)作为一种提高暂态稳定性的重要措施。如果应用适当的控制电阻以及控制其投入和切除的时间，可以消除发电机在暂态过程中的功率不平衡问题。制动电阻投入越早，提高稳定性效果越好，而当发电机在第一振荡周期达到最大角度时，应使制动电阻切除，太长的电气制动会使发电机回摆后在减速方向失去稳定。以往用高压开关进行投切的电气制动装置，由于受到开关固有的惯性、机械摩擦、灭弧时间等一系列因素的限制，不能准确、及时、灵活地投切制动电阻，从而限制了制动的作用。随着电力电子技术的发展，把晶闸管用于控制电气制动，可以准确地控制制动电阻的投切时间，甚至用简单的相控方法就可以精确地控制制动功率，而且投切的次数不受限制。随着计算机技术和远动技术的发展，不仅在送端发电机处发生短路时可以采用微机检测控制的电气制动，而且在受端的微机对发生故障后的系统状态进行检测、综合分析后，也可以通过远动装置来控制送端电气制动的投切，以保持暂态稳定。5) 切除负荷9。电力系统的负荷是经常变化的，为确保功率传输质量，有必要依靠系统频率对负荷进行控制.而且，电力系统在损失一定的电源后也往往需要切除部分负荷装置来保持系统的稳定性，目前系统中切除负荷时间的整定原则是，当系统损失一定量的电源后立即启动切负荷装置，考虑到通道的传输时间以及装置的延时以及装置的延时等因素，切负荷的时间约为0.4s。有时，系统虽然是暂态稳定的，某些联络线上的功率在后续摇摆中却超过了限制，这时也需要切一定量的负荷以减小系统的后续摇摆，提高系统的动态稳定性。6) 柔性交流输电系统控制(facts)10。facts用于描述基于大功率电力电子器件的控制器。依靠这样的控制器，可以补偿系统的无功、提高电网的功率传输能力，并使系统潮流更加可控，使直流影响交流功率传输的3个主要参数(电压、相角、阻抗)按系统的需要迅速调整。facts 设备涵盖了静止无功补偿(svc)、可控硅控制的串联补偿器(tcsc )、新型静止无功发生器(asvg或者statcom )、可控硅制动电阻(tcbr)、可控硅控制的移相器(tcps)、统一潮流控制器(upfc)以及高压直流输电(hvdc)等。7) 快速切除故障的继电保护装置及自动重合闸装置.继电保护装置能否快速切除故障，对提高电力系统起到决定性的作用。因为故障切除时间越短，故障期间所积累起来的冲击能量越小，故障后的系统也容易趋于稳定。对于瞬间短路故障，采用自动重合闸装置对暂态稳定和事故后的静态稳定，都有很好的作用。由等面积定则理论可知，采用自动重合闸可以增加减速面积，即可以吸收更多的冲击动能，因而有利于系统的稳定8)电力系统的失步解列装置。电力系统长期运行实践证实，不管对系统稳定性要求如何严格，措施如何完善，总可能因一些事先不可预料的偶然因素叠加，产生稳定破坏事故，如果处理不好，其后果是电力系统的长期大规模停电。通常，将失步解列控制作为稳定控制的后备，是减轻失步造成的后果和防止系统大面积停电的重要措施。1.4 本文主要工作介绍本论文结合地区电网自身的特点，分析和总结了地区电网安全稳定计算分析的方法以及提高地区电网安全稳定水平的一般措施。第一：潮流计算分析，利用潮流计算的结果来分析电网中的弱点，从而改善电网结构，尽量减少可能引发稳定性问题的隐患。第二：分析转子角稳定的问题，分别从小干扰稳定和暂态稳定两个角度进行分析研究。第三：研究电压稳定问题，尝试从负荷无功的角度来探讨。同时，在分析研究的过程中，具体探讨提高电力系统稳定的措施和原理，并通过计算实例分析证明采取的措施是有效的，是可以提高电力系统稳定性。53 2 区域电网的潮流计算和短路计算2.1 潮流计算的概述2.1.1 潮流计算的定义和基本思路潮流计算是根据给定的电网结构，参数和发电机，负荷等元件的运行条件，确定电力系统各部分稳定运行状态参数（电压有效值v,电压的相角 ,注入的有功功率p，注入的无功功率q）的计算，是电力系统分析中的一项最基本的分析计算。潮流计算的基本思路是:作出地区电网的等值电路，用节点电压法或回路电流法形成一组方程式组，求解这组方程式。潮流计算中，表征各节点运行状态的参数是该点电压向量及复功率，即v, ,p，q,一般给出两个运行参数为已知，求解另外两个量。2.1.2 潮流计算的意义电力系统潮流计算是进行电力系统稳态运行分析的一项基本计算，用以确定系统的稳态运行情况。在电力系统暂态运行分析中，也要利用潮流计算来提供系统初始运行状态的有关数据。潮流计算又是电力系统安全分析的基础，在进行预想事故的静态安全评定和动态安全评定时，首先由潮流计算提供初始运行状态。对每一种预想事故进行元件(如支路，发电机)开断模拟的分析时，为加快计算速度，也常应用潮流计算的某些中间结果。对可能引起不安全的预想事故并按其对系统导致后果的严重程度排序后，也需要进行精确的潮流计算来复核。2.2 地区电网潮流计算的特点做区域电网潮流计算时，要考虑地区电网的特点11:1.与主网相比，地区电网作为省级电网的下一级系统，一般都是从最高一级变电站引出的呈辐射状的网络，电压等级在220kv或110kv 及以下，网架结构比较复杂，在网络运行方式改变时可能短暂出现环网结构或双电源运行情况。2.地区电网属于高、中压配电网络，分支比较多，线径较主网细，因此，较大。在某些时候，线路的充电电容忽略。3.网络的pq节点多，pv节点较少等等。4.从电网安全运行的角度来看，所关心的不是功率不平衡所导致的稳定问题，而是线路过载和电压越限的问题，前者出现的问题需要借助其他方法来解决。2.3 电网潮流计算的计算机算法2.3.1 潮流计算的节点功率方程在实际的电力系统的潮流计算中，已知的运行参数往往是节点的负荷和发电机的功率，而不是它们的电流，因此，在网络方程的基础上，将节点注入功率作为一只量，建立起潮流计算用的节点功率方程，再求出个节点的电压，并进而求出整个系统的潮流分布12。对于每个节点，设节点上发电机的发出功率为，（其中为发电机的发出有功功率，为发电机发出的无功功率；）负荷吸收的功率为，（其中为流出节点的有功功率，为流出节点的无功功率；）则节点的净注入功率为： （2.1）同时有节点导纳矩阵可以得出： ， i=1，2，3n （2.2）联合（2.1）和（2.2）式，并分开实部和虚部后，得 ， i=1，2，n （2.3） ， i=1，2，n （2.4）式（2.3）就是当电压用机坐标形式表示的功率平衡方程式，简称功率方程式，对于具有n个节点的系统来说，它包含2n个实数方程。由式（2.3）可见，节点的注入功率方程和节点电压相量之间呈非线性关系，而为要求得各个节点的电压相量， 需要联立求解这组非线性方程。2.3.2 潮流计算的节点分类在潮流计算中，给定的量应该是负荷的吸收功率，发电机的发出功率或者发电机的电压。这样，根据给定量种类的不同，可以将节点分为以下三类【13】：（1）pq节点。给定节点注入的有功功率p和注入的无功功率q。这类节点对应于实际系统中的纯负荷节点（如变电所母线）、有功和无功给定的发电机节点（包括节点上带有负荷的）、以及联络节点（注入的有功和无功都等于0）。这类节点在系统中占绝多数，他们的节点电压有效值和相位未知。（2）pv节点。给定节点的注入有功功率p和电压的有效值u。待求量是注入的无功功率q和电压的相位。这类节点通常为发电机节点，其有功出力给定，并有较大的无功容量调节能力。他们靠自动电压调节器，将母线的电压调节在有效的给定的值上。有时将装有无功补偿的变电所母线也处理为pv节点。（3）平衡节点。在潮流计算中，必须设定一个平衡节点，其电压的有效值给定，电压的相位为0。即系统中其他节点的相位都以它为参考，其注入的有功功率和无功功率为待求量。实际上，由于由于所有的pq节点和pv节点的注入的有功功率都是已知的，而网络的有功功率的损耗是未知的。因此平衡节点注入的有功功率必须平衡全系统的注入有功功率和有功功率损耗，而不能直接给定，这就是称它为平衡节点的原因。在潮流计算中，原则上可以取任何发电机节点为平衡节点，而通常取容量大出线较多的的发电机为平衡节点，以便当有功功率损耗估计出入较大的时候，对它注入的有功功率产生的影响较小。2.3.3 电网潮流计算的方法潮流计算的算法主要有上个世纪60年代提出的牛顿拉夫逊法和70年代提出的p-q分解法,。近30年来，潮流问题算法的研究仍非常活跃，但是大多数研究是围绕着改进牛顿拉夫逊法和p-q分解法进行的。此外，随着人工智能理论的发展，遗传算法、人工神经网络、模糊算法也逐渐引入潮流计算。但是，到目前为止这些新模型和算法还不能取代牛顿法和p-q分解法的地位。由于电力系统的不断扩大和对计算速度要求的不断提高，计算机的并行技术也引起一些研究人员的兴趣。对潮流计算的要求可以归纳为下面三点【14 ：（1）计算方法的可靠性或收敛性；（2）占用内存少，计算速度快；（3）计算的方便性和灵活性。2.4 区域电网的短路计算2.4.1 短路计算概述电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的。发生短路时，系统从一种状态剧变变为另一种状态，并随之产生复杂的暂态现象。产生短路的原因很多，主要是如下几个方面：（1）元件损失，例如绝缘材料的自然老化，设计、安装和维护不良带来的缺陷造成的短路等。（2）气象条件恶化，例如打雷、大风等原因。（3）违规操作。（4）其他原因，例如挖沟损伤电缆等。2.4.2 三相系统短路的类型在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单向接地短路。三相短路也称为对称短路，系统各相与正常运行一样仍处于对称状态。其他类型的都是不对称短路。电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路时占绝大多数的，两相短路较少，三相短路最少。虽然三相短路最少发生，但情况严重，应给予足够的重视。况且，从短路计算方法看，一切不对称短路计算，在采用对称分量法后，都是归结成对称短路的计算的。同时，三相短路的后果最严重，故经常作为电力网设计的依据。2.5 区域电网实例潮流计算和短路计算（在psasp的环境下）2.5.1 实例电网的数据在psasp环境下搭建的实例电网如下：图2.1实例电网电网的数据如下：表2.1发电机及等值系统的参数：名称总容量（mva）每台机额定容量（mva）额定电压ue（kv）额定功率因素正序电抗 负序电抗 最大最小w厂292.29235.29235.292*3015110.850.830.350.250.5080.362r厂310232.54*77.513.80.840.30.435s系统476300404.61150.850.50.61n系统428240363.8150.850.50.61表2.2输电线路的参数 线路编号i侧母线j侧母线线路长(km)正（负）序电抗标幺值零序电抗标幺值1e-220kvd-220kv1700.0860.2592d-220kvc-220kv1850.0940.2823e-220kvc-220kv300.0150.0464a-220kvb-220kv600.0300.0925b-220kvc-220kv2500.1270.3816b-220kvc-220kv2300.1170.351 注：计算时线路单位长度的电抗为：x1=x2=0.41 ，x03x1，线路阻抗角 。表2.3变压器参数变电站名称变压器容量(mva)变压器类型变比短路电压(%)绕组电抗标幺值i-iii-iiiii-iiixixiixiiia变20双绕组220/3510.50.315表2.3变压器参数（续）b变b-140双绕组220/15120.03b-260双绕组220/11120.12c变3120三绕组200/115/351710.560.0540.031d变490双绕组220/11120.08e变2120三绕组220/115/351710.560.0540.03102.5.2 在psasp环境下潮流计算以100mva为基准容量，各母线的平均额定电压为基准电压，选择s-115kv母线为平衡节点，其他节点均为pq节点。计算的具体环境如下（图2.2）：图2.2 区域电网的潮流计算环境计算出的结果如下：从结果表可以看出来，d-220kv和b-220kv变电站分别为送端变电站，输出容量给系统，a-220kv、c-220kv、e-220kv变电站均为受端变电站，接受从系统传来的输入功率。对于以上实验得出的潮流计算结果，主要通过分析各个节点的电压幅值和线路的潮流量。既要确保系统各个母线节点的电压幅值不要过低或者过高，也要确保每个线路传输的容量不会过高。在这个过程中，通过无功补偿和改变线路的参数（如使用facts设备）都可以实现潮流的优化。最终都可以获得满意的潮流结果。2.5.3 在psasp环境下的短路计算假设在在psasp环境的仿真中，假设在母线b-220kv与母线c-220kv中间的一回线路中的0%处发生金属性三相短路故障。实验结果如下：通过对电网的三相短路计算，可以对电网的设计结构进行检查，以便发现电网的薄弱环节，可以及时进行维护。2.6 潮流计算和短路计算总结潮流计算式电力系统稳定分析的基础，所以在对区域电力网进行稳定性分析之前，有必要对电网进行潮流计算。此外，对区域电力网进行潮流计算也有其他重要意义，具体表现在以下方面：(1)在电网规划阶段,通过潮流计算,合理规划电源容量及接入点,合理规划网架,选择无功补偿方案,满足规划水平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求。(2)在编制年运行方式时,在预计负荷增长及新设备投运基础上,选择典型方式进行潮流计算,发现电网中薄弱环节,供调度员日常调度控制参考,并对规划、基建部门提出改进网架结构,加快基建进度的建议。(3)正常检修及特殊运行方式下的潮流计算,用于日运行方式的编制,指导发电厂开机方式,有功、无功调整方案及负荷调整方案,满足线路、变压器热稳定要求及电压质量要求。(4)预想事故、设备退出运行对静态安全的影响分析及作出预想的运行方式调整方案。电网的短路计算有以下的意义：（1） 选择有足够机械强度和热稳定度的电气设备。（2） 为了合理配置各种继电保护和自动装置并正确整定器参数。（3） 在设计和选择发电厂的电力系统的主接线时，为了比较各种不同方案的接线图，确定是否采取限流措施等。（4） 进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响。正是由于第四个原因，在我们进行稳定分析之前，有必要先做短路计算。3 区域电力网的小干扰稳定研究根据前面的分类方法，我们将电力系统转子角稳定性问题（功角稳定）分为小干扰稳定和暂态稳定两种。本章内容将主要介绍小干扰稳定的基本概念和与小干扰稳定的分析相关的基本原理。同时提出在小干扰情况下提高区域电网稳定性的措施，并在psasp环境下进行试验仿真。3.1 小干扰稳定分析的基本概念电力系统小干扰稳定是指电力系统在给定的运行条件下，经受了小干扰后，能恢复到受扰动前或接近的可接受的运行状态的能力。这里所谓的小干扰指干扰强度足够小的干扰，可以使系统受到干扰后的运行状态和干扰前运行状态相当接近，可以不考虑干扰的具体形式和干扰源的具体位置，通过对系统线性化模型的研究来判断系统维持当前运行点的能力。这类干扰主要对应负荷和电源出力的细微起伏，系统中设备参数因为不可预测的情况所产生的细微波动等。由于电力系统中小干扰无时无处不在，确保系统运行方式的小干扰稳定性是系统运行方式能够实现的最基本的条件之一。 3.2 小干扰稳定分析的基本原理3.2.1 小干扰稳定的转矩能量分析在稳态条件下，每台发电机的输入机械转矩和输出的电磁转矩平衡，转速保持不变。如果系统受到干扰，平衡将遭到破坏，发电机的转子要旋转体的运动定律加速或者减速。若一台发电机一下子比其他发电机转得快，则它的转子角位置相对于其他转得慢的发电机将会超前。按照前面介绍过的功率特性公式进行分析，将要增大。如果是在稳定条件下，产生的功角差将按功率特性关系将那些转得慢的发电机的部分符合转移给转得快的发电机。从而有助于减少转速差和功角差。反之，如果一台发电机的转速由于冲击负荷或者其他原因而减少，在稳定条件下，也可以按照通过和其他发电机之间的能量转移而恢复到平衡状态。若超过某一极限，角度差的增加伴随传输功率的减少，从而进一步增大角度差而导致系统不平衡。对于电力系统，扰动后的同步电机电力转矩的变化可以分解为以下两个分量： （3.1）式中：是与转子角扰动量同相的转矩变化分量，称为同步转矩分量；为同步转矩系数。是与转速偏差同相的转矩变化分量，称为阻尼转矩分量；为阻尼转矩系数。这样，小干扰稳定可能产生两种形式的不稳定：（1）由于缺乏足够的同步转矩而使转子角度持续地增加。（2）由于缺乏足够的阻尼转矩而造成转子角振幅的振荡。系统对小干扰的响应特性取决于初试运行条件、输电系统的强弱和所用发电机的励磁控制等因素【2】。对于一台发电机接入大系统的情况，若无自动电压调节器（即励磁电压保持不变）时，其失稳经常是由于缺少足够的同步转矩。它造成非振荡模式的失稳如图3.1所示。若装有连续作用的电压调节器，小扰动问题就是要保证系统有足够的振荡阻尼，通常的失稳方式是增幅振荡，如图3.2所示。图3.1有无电压控制的对比图3.2有无励磁控制的对比3.2.2 电力系统的小干扰稳定性分析采用小干扰法分析如图3.3 所示的电力系统时首先要列出描述系统运动的微分方程组如下：图3.3 简单电力系统这是一组非线性的状态方程将它们线性化得出近似的线性微分方程组写成矩阵形式如下： （3.2）对于线性系统，其微分方程的特征方程的根，即其状态方程系数矩阵的特征值，决定暂态过程的变化规律。对于非线性系统，经过线性化后，状态变量偏移量的状态方程也是线性的。可以用其系数矩阵的特征值来判断系统在初始运行方式下能否稳定。如果所有的特征值都为负实数和具有负实部的复数，则系统是稳定的。若改变系统的运行方式或参数，使得特征值中出现一个零根或实部为零的一对虚根，则系统处于稳定的边界。只要特征值中出现一个正实数或一对具有正实部的复数，则系统是不稳定的。对于式(3.2)这样的二阶微分方程组其特征值很容易求得即从下面的特征方程： 很明显当 小于零时，为一个正实根和一个负实根即和有随时间不断单调增加的趋势，发电机相对于无穷大系统非周期性地失去同步故系统是不稳定的。当大于零时， 为一对虚根从理论上讲和将不断地作等幅振荡。振荡频率： 或者 （3.3）一般为5 -10s；通常为0.5 -1 ，则f为1hz 左右，故称为低频振荡。若系统中存在着正的阻尼因素，则和作衰减振荡即系统受到小干扰后，经过衰减的振荡最后恢复同步。 做出以下简单电力系统的功率特性图：图3.4简单电力系统的功率特性图 在最高点的左边部分0，系统受到小扰动后，能够恢复到稳定状态。在最高点的右边部分0，系统将失去稳定。3.3 3.3区域电力网小干扰稳定分析3.3.1 3.3.1提高电力网小干扰稳定性的措施在小干扰情况下，提高电力系统的稳定性（静态稳定）措施有：（1）减少系统各元件的感抗。减少各元件的感抗，也就是提高线路的最大传输功率。在功率特性图中：相当于提高的值，这样就提高了电力系统的稳定域度。其中： （2）采用自动调节励磁装置。有自动电压调节器（即励磁电压保持不变）时，就不会由于缺少足够的同步转矩而造成非振荡模式的失稳如。若电力系统调节器，就可以有足够的振荡阻尼，不会导致增幅振荡。（3）采用按频率减负荷装置。（4）增大电力系统的有功功率和无功功率的备用容量。3.3.2 在psasp中小干扰试验（有无自动调节励磁装置的对比）在psasp中建立如第二章所示的区域电力网，在以下几个母线设置冲击负荷，作为系统的小干扰。n-35kv母线上所加的干扰：f-35kv母线上所加的干扰：s-115kv母线上所加的干扰：在电网的发电机装设有自动调节励磁装置的情况下，遭受小干扰后的结果如下图3.5所示，电网的发电机无配备自动调节励磁装置的情况下，遭受小干扰后的结果如图3.6所示。图3.5和图3.6分别展示出三条曲线，分别表示电网受到小干扰后最大功角差、最低频率、最低电压的情况。首先对比观察两种情况下最大功角曲线，图3.5的最大功角差曲线的振荡幅度较小，图3.6的最大功角曲线振荡较大。其次看最低频率曲线，图3.5和3.6的最低值相似，但是图3.5中的曲线更快恢复到原先的额定值。所以，通过该试验结果表明，自动励磁调节器和pss可以很好地减小最大功角差，同时抑制其低频振荡。使区域电力网在小干扰情况下更好地恢复到稳定状态。图 3.5 配备有自动调节励磁装置的小干扰波形图3.6 无配备有自动调节励磁装置的小干扰波形3.4 区域小干扰稳定性总结在一个区域电网中，由于负荷的突然变化或者冲击负荷的影响，小干扰问题是很常见的问题。所以控制好小干扰问题，不让小干扰问题发展成为系统不稳定的问题，是十分关键的。提高系统的小干扰稳定性的措施关键在提高系统的功率极限和系统的负阻尼系数。自动励磁调节器可以提高功率极限和稳定运行范围，但是由于调节器的某些环节会产生负阻尼作用，当发电机的输出功率增大到一定程度，调机器的负阻尼就会完全抵消并超过系统固定有得正阻尼，是系统等效阻尼为负值，这时系统将将自发振荡而失去稳定，使励磁调节器的调节功能受到限制。所以要配备电力系统自动调节器（pss），增加系统的正阻尼减少振荡，让系统的静态稳定性能更好。4 第四章 区域电力网暂态稳定研究暂态稳定作为电力系统功角稳定的一个重要分支，在电力系统分析中有着重要的意义。本章将对电力网暂态稳定性进行研究，分别介绍电力系统的暂态稳定的概念、分析方法以及提高电力系统暂态稳定的措施，同时在psasp的环境下对区域电力网的稳定性进行研究分析。4.1 电力系统暂态稳定的概念电力系统暂态稳定是研究电力系统受到大的扰动(如大负荷的投入或切除及电力系统的短路故障)后，经过一个暂态过程能否达到新的稳定运行状态或恢复到原来的运行状态的能力。系统受到大扰动后，将使系统结构和参数发生变化，系统潮流和发电机的输出功率也随之发生变化，从而破坏了原动机和发电机之间的功率平衡，使发电机开始加速或减速.扰动后，各发电机输出功率的变化并不相同，使它们的转速变化也不相同，这样，各发电机转子之间将因为转速不同产生相对运动，其结果是转子之间的相对角度发生变化，而相对角度的改变又将影响到电力系统中电流、电压及发电机输出电磁功率的变化。所以，由大扰动引起的电力系统暂态过程是一个有电磁暂态过程和发电机组转子机械运动暂态过程交织在一起的复杂过程。暂态稳定的判据是电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角相对增大，在经过第一或第二个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中枢点电压逐渐恢复。4.2 电力系统暂态稳定的分析方法4.2.1 等面积法则 以如下的简单单机无穷大系统作为分析对象。图4.1 简单单机无穷大系统假定在图示线路上上发生金属性三相短路故障，如图4.2功率特性曲线所示：图4.2功率特性曲线分析图发生故障前，发电机向系统送出的有功功率为。以无穷大系统母线电压为基准(所谓无穷大系统，是指具有无限大惯性，内阻抗为零的一个假想系统。它的内电动势的绝对值及相位角都相对于额定转速固定不变，母线电压和无穷大系统的内电动势完全一样)。在发生三相短路期间，电力网的网络结构立即发生变化，发电机送出有功功率减小，而输入到发电机组的机械功率来不及变化，于是功率过剩，使发电机组转子加速，发电机的内电动势角也相对于无穷大系统电压而不断增大。到故障切除时，转子角已增至，送电恢复，但此时的送电功率大于机械输入功率，于是转子开始减速。到时，面积b恰等于面积a。面积a代表了发电机转轴系统获得的加速能量，而面积b则表示了制动能量，因而到，发电机组转速恢复到额定转速，但对应的p值仍然大于，发电机组转子将继续制动减速，功角回摆。若故障切除时间增大，与也将随之增大，至到与对称的一点(180-)时，是暂态稳定的极限情况，对应于此时的，为临界切除角，相应的故障切除时间则称为临界切除时间。如果切除时间更迟，在跨过(180-)那一点后，发电机组在