（电力系统及其自动化专业论文）宝钢配电网独立运行的稳定性分析.pdf

控制系统工具缀、鲁棒控制工具筵簿。利用它稍霹以筵化一定的王髂量，墓露虽程 比传统工具更方便，慝直观，具有相当的应用前景。 本论文宠成懿工 睾量比较大，涉及典礼系绕熬多个方覆，麸理论分聿厅劐仿真 计算，从实际系统的研究到新工具的尝试应用，宪整的将电力系统稳定分析的理 论焉予实鼗当中，取得了不小的成渠。 关键词暂态稳定，静态稳定，镶备系数，小扰动稳定，m a t l a b ，b p a s t a b i l i t ya n a l y s i s0 fb a 0g a n g p o w e rs y s t e md u m n ga u t o c e p h a l y p o w e rs y s t e ms t a b i l i t yi sak e yf a c t o rt ot h en a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h es t a b i l i t yp r o b l e m so fb a o g a n gp o w e rs y s t e m ，w h i c h p r o v i d e st h ew h o l em a n u f a c t u r i n ga r e aw i t hp o w e r b e c a u s eb a og a n gi si m p o r t a n t f o rc h i n a , t h e s t a b i l i t yp r o b l e m so f t h es y s t e m a l eo f g r e a t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，p o w e rs y s t e ms t a b i l i t ym e a n si t sc a p a c i t a n c et om a i n t a i n s t a b l es t a t eo ft h eg e n e r a t o r si n c l u d e d i tm a i n l yc o n s i s t so ft r a n s i e n ts t a t es t a b i l i t y , s t e a d ys t a t es t a b i l i t ya n dd y a d i c s t a t es t a b i l i t y a n dt h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h e t r a n s i e n ta n d s t e a d ys t a t es t a b i h t yp r o b l e m so f b a og a n gp o w e rs y s t e m t h ew o r ko fi r a n s i e n ts t a t es t a b i l i t yi n c l u d e sf r e q u e n c ya n dv o l t a g es t a b i l i t y a n a l y s i so f b a o g a n gp o w e rs y s t e m w h e n s e p a r a t e df r o ms h a n g h a ip o w e rs y s t e ma n d f a u l ta n a l y s i sd u r i n ga u t o c e p h a l y t h ew o r ka r ed o n eb yb p aw h i c hi saf r e q u e n t l y u s e ds o f t w a r ei np o w e r s y s t e m t h ew o r ko fs t e a d ys t a t es t a b i l i t yi n c l u d e st h ep o w e rt r a n s p o r t a t i o nl i m i t sa n d s t o r a g ec o e f f i c i e n tc o m p u t a t i o n t h es m a l ls i g n a ls t a b i l i t ya n a l y s i si sa ni m p o r t a n tp a r to ft h i st h e s i s ni n c l u d e s e i g e n v a l u e sc o m p u t a t i o n , s w i n gm o d e a n a l y s i s ，t i m ed o m a i na n a l y s i so f d i s t u r b a n c e m o d e la n dr o b u s ta n a l y s i so f b a o g a n gs y s t e m t h ec r e a t i v i t yi nt h i st h e s i sl i e si nt h e a p p l i c a t i o no f t h es o f t w a r em a t l a bi n t ot h es m a l ls i g n a ls t a b i l i t ya n a l y s i s a sm a t l a b h a sag r e a ta d v a n t a g eo v e rt h et r a d i t i o n a lm e t h o d so nc o m p u t a t i o n ，a n a l y s i sa n d p l o t t i n g a n di t a l s op r o v i d e ss o m eu s e f u lt o o l b o x e s ，w h i c hc a r lr e d u c em u c hw o r k a n dm a k et h ec o m p u t a t i o nm u c he a s i e r o nt h ew h o l e ，i ti sac o n c r e t et h e s i sw i t hag r e a tv a r i e t yo f s t a b i l i t ya n a l y s i sf r o m s i m u l a t i o nt of o r m u l a g e n e r a l i z a t i o n s k e yw o r d st r a n s i e n t s t e a d ys t a b i l i t y , s t e a d y s t a t e s t a b i l i t y , s t o r a g e c o e f f i c i e n t , s m a l ls i g n a ls t a b i l i t y , b p a m a t l a b 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人寒重声羁：耩呈交豹学位论文，憝本人在导灏麴指导下， 独立送行褥究王俸所淑褥髓残暴。豫文孛悉经注缓弓| 耀酶内容外， 本论文不毽含经俺箕毪个入或集体己经发表或撰写过懿作晶成果。 - 对本文的研究做出重要贡献静个入帮集体，均己在文中良鹤确方式 标疆。本人完全意识蓟本声明的法律结果e l j 本入承担。 学位论文作者签名：莎折墨 日期：扩必年1 月刭日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱，在业解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 荔r 肇 指导教师签名卿l 喇 日期：渺年1 月叫日日期： 一卫年，月吖日 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1电力系统稳定的意义 电力工业是国民经济的支柱产业，同时又是其它产业能够安全稳定发展的保 证。因此保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性是电力工业，乃至国民经 济能否稳定快速发展的关键。 稳定性是一般系统的基本问题，不能保证稳定的系统是谈不上其他品质的。 虽然对稳定性还没有统一的定义，但所有的定义都是与系统对扰动的响应有关， 即反映系统的输入、初始条件或参数的小变化不会引起系统行为大变化的性质。 电力系统安全稳定性就是指它在受扰后保持各发电机之间同步运行的能力，在扰 动消除后保证母线电压不会长期低于给定值的能力，以及在移向新平衡状态期间 确保所有元件都运行在相应的许可值内的能力。 电力系统稳定问题的出现始于上世纪初，随着电力系统不断扩大，传输功率 的距离越来越长，由于发电机间的联系比较松散，就出现了输送功率的稳定极限 问题。特别在故障情况下( 短路) ，有可能使发电机失去同步。自1 9 6 0 年以来， 国际上出现过多次大面积停电事故。例如，1 9 7 7 年7 月，美国纽约市的电力系 统由于雷击、保护不正确动作、调度中心掌握实时信息不足等原因，造成事故的 连锁发展和扩大，致使全系统瓦解。事故前后延续2 5 小时，影响9 0 0 万居民的 供电，直接和间接损失高达3 5 亿美圆。1 9 7 8 年，法国发生切除3 0 0 0 万k w 负 荷长达3 0 分钟以上的事故“1 。事实上，人类每一次在某一学科领域内的大发展 都是以付出惨痛代价为前提的，电力系统稳定分析也不例外。即便是理论和实际 应用发展相对成熟的今天，重大事故的发生仍在所难免。例如1 9 9 6 年7 月，美 国西部w s c c 电力系统一回3 4 5 k v 输电线因对树放电而断开，同时继电保护装 置误动作切除了平行回线，相继过负荷导致电压不稳定和振荡，太平洋联络线跳 开后系统瓦解为5 个孤立系统，爱达荷州全部停电，使2 0 0 万用户在酷热下停电 长达3 5 小时。同年8 月，该系统又发生类似事故，损失惨重，美国总统将其 提到“危及美国国家安全”的高度，可见问题的严重性。因此，电力系统安全稳 定供电对于社会文明和国民经济至关重要，对它的研究应该是深入而又持久的。 事实上，电力系统失去稳定的原因在于运行中不断收到内部和外界的干扰， 小的如负荷波动，大的如电力元件发生短路故障等，使电气上连接在一起的各同 步发电机的机械输入转矩与电磁转矩失去平衡，出现各发电机转子不同程度的加 上海交透大学碗士学位论文 速和减速，以及各发电机转子相对功角( 6 i i = 6 ，6 ，) 的变化。在扰动后，相对功角 或以周期振荡的形式变化，或以单调形式变化。如果凭借电力系统本身固有的能 力和控制设备的作用，这种变化是随时间衰减的，最后回复到原始运行方式下的 正常值，或是达到一个新的稳态值，则认为在这种运行方式下电力系统是稳定的。 反之，如果这种变化是随时间增大的，以至最后使发电机间失去同步，则认为电 力系统是不稳定的。 1 2电力系统稳定性分析的发展 电力系统稳定一般按系统承受干扰的大小分为静态稳定和暂态稳定两大类。 小干扰一般指正常的负荷波动：大干扰则指电力系统中元件的短路或突然断开 等。小干扰对系统行为特性的影响一般与干扰的大小和地点无关，在原始运行状 态的周围，可以使系统线性化，其研究结果不是确定电力系统运行参数对原始稳 态运行值的偏移量，而是确定运行参数变化的性质，得出稳定不稳定的结论。大 干扰时，电力系统的运行参数将发生很大的偏移和振荡，所以必须考虑电力系统 的非线性特性，从电力系统的机电暂态过程来判断系统稳定性。 电力系统安全稳定导则中对电力系统稳定作了如下规定： 1 电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期的失步， 自动恢复到起始运行状态的能力。 2 电力系统暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步 运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指第一或是第二振荡 周期不失步。 3 电力系统动态稳定是指电力系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振 荡而失步。 其中静态稳定包括小干扰下不发生非周期性失步和自发振荡失步两种情况。 电力系统稳定性能是与系统结构( 故障前和故障后) 、运行方式、调节装置的 参数和干扰的大小、地点及干扰延续的时间相关联的。电力系统稳定与否只能是 对于某一特定电力系统在特定的初始条件下和干扰而言的，而不能笼统的说某个 系统是稳定的，或者是不稳定的。 频率和电压是衡量电能质量的重要指标，电力系统稳定性遭到破坏之后，也 会出现由于电压和频率变化而引起的电力系统稳定性问题。 电力系统频率不稳定现象一般出现在有功电源开断或负荷突然增大时，由于 电源和负荷间有功功率的严重不平衡，会引起电力系统频率突然大幅度下降，危 及电力系统的正常运行。例如，频率变化时，电动机的转速和输出功率随之改变， 4 上海交通大学硕士学位论文 因而严重的影响到产品的质量。汽轮发动机在额定频率下运行的效率最高，频率 偏低或偏高对叶片都有不良的影响。电厂用的许多机械设备如给水泵、循环水泵 等在频率降低时都要减少出力，降低效率，因而影响发电设备的正常工作，使整 个发电厂的有功出力减少，从而导致系统频率的进一步降低，如此循环即产生所 谓频率崩溃现象，导致全系统瓦解，从而造成巨大损失。因此有必要采取措施控 制电力系统的频率在一定范围内波动。例如，我国一般规定不允许偏离额定频率 o 1 0 2 h z 。文献【3 】以东北电网为例，分析了电网频率与各类负荷的关系， 频率变化对各类负荷的影响。文献【4 】提出了一种判断和分析频率稳定的快速 算法，可以快速判断系统是否会出现频率崩溃。 电力系统受到大扰动冲击后频率、电压的稳定性分析和控制关系到电力系统 的安全运行。系统在出现严重的有功或无功功率的缺额情况下，调速器自动调压 器等正常时的调节手段已发挥不了多大作用。国内外普遍采用了自动低频减载装 置，有些还采用了低压减载装置等紧急控制措施，在频率或电压降低到安全的临 界值以下时切除部分负荷，使频率或电压回升到临界值以上。这些措施对防止事 故的扩大，保障系统的安全发挥了重要作用。文献【5 】从电压稳定的概念出发， 定性的分析了低电压减载对电力系统电压稳定和暂态电压稳定的作用和机理。文 献【6 】则提出了一种自适应型低频减载装置的方案，它依据频率和频率的变化 率，动态的确定减负荷装置的动作情况。文献【7 】则对电网频率变化率的特性 d f d t 进行了分析，论证了利用d f d t 解决频率紧急控制装置过切的可行性。 电压不稳定现象，一般出现在电源远离负荷中心或输电系统带重负荷的情 况。当无功电源( 发电机、调相机、电容器、高压输电线) 突然切除或是电力系统 无功电源不足，负荷( 特别是无功负荷) 慢慢增加到一定程度时，有可能使电压大 幅度下降，以至发生所谓的电压崩溃现象。各种用电设备都是按照额定电压来设 计制造的，这些设备在额定电压下运行将能取得最佳的效果。电压过大的偏离额 定值将对用户产生不良影响。电力系统中常见的用电设备是异步电动机，若电动 机所拖动的机械负荷的阻力矩不变，电压降低时，电动机的转差增大，定子电流 也随之增大，影响电动机的使用寿命。当端电压太低时，电动机可能由于转矩太 小而失速甚至停转。电压偏移过大，除了影响用户的正常工作外，对电力系统本 身也有不利的影响。电压降低会使网络中的功率损耗和能量损耗加大，还可能危 机电力系统安全稳定运行。文献【8 】较为全面的阐述了电力系统电压稳定性的 基本理论与方法。文献 9 1 详细研究了电力系统电压稳定与电压崩溃及负荷稳 定的关系。文献【l o 】对电压稳定与负荷动态的关系进行了分析，强调了负荷动 态在电压稳定问题中的重要作用，提出了建立恰当的负荷模型是电压稳定分析的 关键。文献【1 1 】则讨论了利用状态空间法判断系统电压崩溃的问题。 随着电力系统自动调节装置诸如a v r ，g o v ，p s s ，o e c 等的不断介入， 上海交通大学硕士学位论文 对提高电力系统的稳定性能发挥了积极作用，其中尤以对p s s 的研究发展最为 深入。文献【1 2 1 阐述了装设p s s 对提高系统稳定性的影响。文献【1 3 1 则提 出了用遗传算法设计模糊p s s 的方法。文献【1 4 1 对多机系统多运行方式下p s s 的参数优化提出了线性规划逼进非线性规划的方法。 小扰动稳定是电力系统稳定性分析中不可缺少的部分。小扰动的干扰强度足 够小，以至于系统受到扰动后的运行状态和干扰前运行状态相当接近，可以不考 虑扰动的具体形式和扰动源的具体位置，可以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。由于电力系统中小扰动无时无处不在，确保系统 运行方式下的小扰动稳定是系统运行方式得以实现的基本条件之一。由于近年来 大系统之间低频弱阻尼振荡和低频增幅振荡现象时有显现，对系统的小扰动分析 就越显得重要。文献【1 5 】分析了小扰动电压稳定性问题。文献【1 6 】则利用小 扰动模型来分析暂态稳定性问题。文献【1 7 1 提出了小扰动分析中特征根计算的 新方法。文献【1 8 】则对特征根计算提出了一种面向对象的软件实现方法。文献 【1 9 】提出了利用u p f c 来提高小扰动稳定的方法。 电力系统稳定性分析的重要依据是电力系统的数学模型，为了得到可靠的分 析结果，要求模型应十分准确，但对于一个实际系统而言，建立一个比较准确的 模型是比较困难的。当我们进行小扰动稳定性分析时，往往将系统作为线性定常 系统来处理。事实上，电力系统是一个具有高度非线性的系统，系统的运行点、 和其中各元件的参数都是不确定的。因此，从系统稳定性分析的角度来看，把模 型表述的过于“准确”将大大增加其复杂程度，这不仅增加了系统分析所需要的 计算量，而且往往给深刻揭示系统的稳定性机能造成困难。电力系统鲁棒稳定性 分析因此孕育而生，它在常规稳定性分析的基础上加上一个保证系统稳定性所允 许的模型不确定域，将使所得到的结果更具有可信性“1 。将控制理论与鲁棒分 析综合应用于电力系统大大提高了稳定性分析结果的可靠性。文献1 2 1 】提出了 基于鲁棒分析的p s s 设计。文献1 2 2 11 2 3 】则将鲁棒控制应用到了电力系统励 磁控制器的设计上。 随着各种稳定理论的发展及计算机技术不断应用到电力系统分析当中，各种 帮助人们进行稳定分析的软件也应运而生。从早期基于f o r t r a n 等低级语言的 软件到今天利用v i s u a lc + + 等高级语言开发的各种面向对象的软件包，如v s a p 、 s s s p 、p s a s p 、v i s t a 、n e t o m a c 、e m t p 、b p a 等，不仅是各种稳定理论在实际 系统中的应用，也确实为人们对实际系统进行仿真分析提供了极大的帮助，在提 高系统的安全稳定性，防止重大事故的发生等方面发挥出积极作用。当然，这些 软件各有优势，也各有不足，随着计算机技术不断发展与完善，一些新的软件如 m a t l a b 工具箱也可以应用到稳定性分析当中，可以利用其优于传统工具的地方更 好的为稳定分析服务。 i 海= 雯通丈举磷士学位论文 1 3课题来源及镁务 本课题来源于上海交通大学电力学院与上海宝钢集团合作的“宝钢配电网独 立运行的稳定靛硪究”顼甚。 宝钢配电两作为一个大澄供配电系统，其稳定运行是大型钢铁企监安全生产 靛重要基础。当宝钢电网2 2 0 k v 母线或主变发生故障时，宝钢电网将与上海电 网解列，形成两台或三台发电梳供给宝钢生产负荷的独立小系统。在解剜螽鼢幸搿 始阶段，有功翻无功均处于严重的不平衡状态。因此，在发电机调遮器、自动励 磁调节装置和低频减载装置的共溺作用下，裳钢毫网能否恢复到瑟鲍平餐点保持 独立稳定运行，对蛊钢的生产稳定及供电至关重要。宝钢每天的产值约1 亿元， 一旦发生停电事故将造残重大攫失。以“8 1 3 ”事故为例，出予母差保护误动作 使囊诵电闻与上海电网解剜，麓接损失运6 0 0 万元。_ l 掰：外，如采发生系统全停的 恶燃事数垮对裳钢的设冬安全釉稳定生产造成不可估量的损失。故在此背景下提 离了宝钢配电阏独立运行下的稳定性分析这一课题，其实际意义肄常羹大。 本课题的主要嗣标为研究与上海电网解列后宝钢电网的频率稳定、电压稳定 及独立运行下豹，l 、扰动稳定等润题。重点辑究该电网毂鼹个子系统褒鑫耪不同的 运行方式下解剜时，在现有的自动调节装置共闻作用下，宝镉电随频率稳定稻电 压稳定憋可能性以及必要采取的搓旌，使其在频率4 9 。5 5 0 5 h z ，电压+ 5 。一 1 0 u n 范酗内维持生产熊荷运转，最后提进保证宝钢电阙在各种运行方式和事 救状态下稳定运行的研究方寨和相应的对饿。具体研究内容主要包括： 1 暂态稳定性分析。其中主要涉及到宝钢壤刚在不网运褥方式下与上海电 网解列时系统的频率稳定、电压稳定和暂态过程中的负荷稳定侄问越；在配电阅 独支遴簿下的暂态稳定性分辑，包撼线路教障、辘枫故障等情况下的稳定性峨题。 2 静态稳定住分析。其中主要研究宝铜配电潮猿立运行潜系统倦输功率静 极限问题及静态稳定储鍪系数的求取。 3 ，j 、扰动稳定性分析。这部分工作是定摄分析秽定性推导相结合。主要涉 及系统特征值计算和振荡模式分析、扰动模型的时域分析及小扰渤的鲁襻稳定性 牲分柝等方瑟静工作。 根据上述的研究内容，本论文主簧宪成莳工作有： 1 对b p a ，e m t p 等系统仿真分析软件包及m a t l a b 工具箱进行调查研究。 2 对宝钢供配电系统的主要接线方式迸彳亍碜 究。 3 对宝钢电嘲备节点的负荷大小及特性、汽轮发电机缎的运行特性和负荷 特性、燃气轮机的运章亍特性、安装予发动机组上的调速器取自动励磁调节器驰静 彳 上海交通大学硕士学位论文 态和动态特性等进行研究，验证是否能够满足解列后的稳定要求。 4 利用b p a 软件对宝钢电网进行系统建模，包括初始的潮流程序及各种暂 态稳定分析时的暂态稳定程序的准备。 5 在各种不同的运行方式下使宝钢电网突然解列，对解列时的系统频率稳 定、电压稳定及暂态过程中的稳定性等进行数字仿真计算和分析。 6 对处于独立运行方式下的宝钢配电网发生线路故障、辅桃故障等方式进 行数字仿真计算和分析。 7 利用“多机系统化单机无穷大“”方法求取宝钢配电网独立运行下的静 态稳定储备系数并进行分析。 8 宝钢配电网独立运行下的小扰动分析。其中包括特征值分析、扰动模型 的时域分析和鲁棒稳定性分析三部分。分别利用面向对象的小干扰分析软件包及 m a t l a b 控制工具箱完成。本文尝试将m a t l a b 软件用于小扰动稳定性分析及鲁棒 稳定性分析，并且对几种方法进行了比较。 m a n a b 是一种工程上集计算、仿真和绘图为一体的工具，它具有模块化、可 重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点阳”。将该工具应用于电力系统 成为一个新的热点。文献 2 6 1 将m a t l a b 应用于次同步谐振的特征根分析。文 献【2 7 】将m a 廿a b 应用于统一潮流控制器的建模与分析。文献 2 8 1 则将m a t l a b 应用于电力系统暂态稳定性分析。本论文的创新之处在于将m a t l a b 工程控制工 具箱应用于电力系统小扰动稳定性分析的某些方面，比如特征值分析和鲁棒稳定 性分析。充分利用m a t l a b 数值计算及控制工具箱提供的方便，简化工作量，提 高效率。通过算例分析，将应用传统工具和应用m a 西工具箱的方法进行对比， 可以看出m a r l a b 的优越性。 1 4 小结 本章主要介绍了两个问题。首先阐述了电力系统稳定性分析对人类社会的重 要意义、其基本概念、研究内容及现今研究的热点问题等。其次介绍了课题的来 源和论文所完成的工作。本论文基于宝钢配电网独立运行的稳定性分析，从仿真 计算到理论推导，完整的从电力系统稳定性分析的各个方面( 包括暂态稳定和静 态稳定) 对它进行研究，课题涉及面广，工作量大且有相当难度。论文的创新点 从研究的工具着手，将m a n a b 工具箱与电力系统分析软件e m t p 和b p a 结合起 来应用于小扰动稳定性分析，不仅减少了工作量，而且使利用传统方法的计算过 程变得简单易行，该研究水平在国内尚属首次，具有较高的实际价值。 上海交通大4 e n i - 学位论文 第二章宝钢配电网独立运行稳定性分析的建模 2 1电力系统稳定分析的内容及工具 如绪论所述，根据承受的扰动大小电力系统稳定一般可以分成静态、暂态和 动态稳定三部分。其中比较重要的是静态和暂态稳定，它们同属于同步发电机功 角稳定的范畴。 静态稳定如果不考虑自发振荡，只考虑由于同步力矩不足引发的单调失步， 则这类问题称为静态非周期稳定问题：如果考虑由于系统阻尼不足引起的自发振 荡，则称为振荡稳定性问题。这两方面问题的物理描述不同，相应的分析方法和 工具也就不同了。1 。原则上讲，静态稳定都属于小扰动问题。为了方便起见， 我们将非周期性稳定问题称为静态稳定性问题，而振荡稳定性问题称为小扰动稳 定性问题， 电力系统暂态稳定 电力系统在某一运行方式下，受到外界大的干扰后，经过一个机电暂态过程， 能够恢复到原始稳定运行方式或达到一个新的稳态运行方式，则认为电力系统在 这一运行方式下是暂态稳定的。电力系统暂态稳定与干扰的形式有关，一般分为 三种：突然变化系统的结构特性，比如短路、无故障断线等；发电机出力的突然 变化，比如切机；负荷的突然变化，比如切除或投入一个大的负荷、冲击负荷的 扰动等。 在对电力系统进行暂态稳定分析时，尽可能的将复杂系统化为简单系统来处 理，例如将复杂系统化成等值的两机系统，进一步化成等值单机无穷大系统。这 样的化简当然会形成一定的误差，但在工程实践中是可以接受的。 暂态稳定分析通常采用的方法有时域仿真和直接法等方法。由于描述电力系 统受到大扰动后的机电暂态过程是一组非线性状态方程式，不能进行线性化，所 以一般采用数值积分方法( 如欧拉法、龙格一库塔法、隐式积分法) 的时域分析方 法。时域法的优点是不管电力系统多么复杂，其组成的元件模型多么详细，都能 够求解，并给出变量的时域解。在此基础上许多商业性程序相继问世，例如b p a ， v i s t a 程序等。因此时域法在相当长的时间内仍将是电力系统暂态稳定研究的 主要方法。李亚普诺夫直接法也是分析暂态稳定的重要方法。直接法基于现代微 上海交通大学硕士学垃论文 分动力系统理论，即用系统状态变量表示的暂态能量函数来描述系统在故障初始 阶段及故障后阶段不同时刻系统的暂态能量。通过在故障阶段的末了( 故障清除 时刻) 的系统暂态能量v 。l 与临界能量v 。相比较，直接评定系统暂态稳定性。 这两种方法各有所长，也各有不足。相比之下，时域仿真法在系统模型的精 确程度及提供的信息量方面优于直接法。只是在某些特殊运用方式下例如实时应 用方面，直接法可能展现其特有的功能。而且基于时域法的开发软件也日益完善， 例如b p a ，e m t p 。本文中系统暂态稳定分析采用的分析工具即是b p a 和e m t p 。 b p a 稳定程序是用于分析电力系统在稳态下受到各种扰动时的系统动态行 为的有力工具。程序采用的基本解法是：所有微分方程线性化后用梯形积分法求 解；网络方程可用导纳阵三角分解后迭代求解，也可用牛顿法求解网络方程。稳 定程序分成求解和输出两部分，求解部分生成两个求解文件，以保存求解过程中 所有母线的输出信息和复故障计算信息。输出部分利用求解文件，潮流库文件以 及稳定输出文件进行输出。这种结构允许用户运行求解部分并保存求解文件，然 后不用重新求解而能够任意地有选择地进行输出。稳定程序包含发电机模型、励 磁系统模型、电力系统稳定器模型、调速器和原动机综合及单独模型、负荷模型、 静补及其控制装置、各种稳定措施及其控制回路、继电保护自动装置模型等等。 e m t p 是一个高级暂态分析程序，用于对电磁暂态的仿真和谐波分析，能满 足电能质量、防雷保护、铁磁谐振、电力电子等领域的研究分析，可以模拟各 种对称及不对称故障、各种复故障、发电机失磁故障等，其辅助支持程序还可 以进行变压器阻抗矩阵、磁饱和、磁滞回线、氧化锌避雷器、线路参数等计算。 其主要模型有各种e m t p 支路模型、各种开关模型、各种e m t p 电源元件模型、 各种动态同步发电机模型、e m t p 潮流计算、数据打印输出和图形输出等。 2 1 2电力系统静态稳定及储备系数 电力系统静态稳定是研究系统在某一运行方式下受到微小干扰时的稳定性 问题。通常假定发电机的电磁暂态过程和励磁调节系统的影响以发电机某一电抗 后的内电势保持恒定来近似模拟，并且忽略原动机调速器的作用。对于简单电力 系统，通过分析可以得到稳定的各种实用判据，比如罢 o ，箕 o 等。 静态稳定储备系数是用以衡量系统传输功率稳定裕度的一项重要指标。一般 用下式来表示系统稳定性的储备度： 铲警x 1 0 。 ( 2 _ 1 ) 其中k 是稳定储备系数，p 。是根据给定系统运行方式及稳定校验条件所确定 1 0 上海交通大学硕士学位论文 的极限输送功率，p 。是正常传输功率。 电力系统的稳定储备系数不仅用以表示给定的电力系统正常运行方式下是 稳定的，而且还可以用以了解这种正常运行方式距稳定极限的裕度，表示电力系 统承受运行方式或参数恶化的能力。根据稳定储备系数的大小，可以校正运行方 式，确定提高稳定措施和进行各种调节的方向。合理的稳定储备系数应建立在总 结分析电力系统设计和运行经验以及技术经济论证的基础上，同时应采用统计的 方法估计电力系统个别环节中稳定性破坏的可能性及其后果。储备系数取得太 大，则将不能很有效的利用电力系统中的：殳备。相反，如果储备系数取得太小， 则将在系统参数或运行方式发生一定变化时不能保证系统的安全运行。目前还不 能在经济上论证电力系统设计和运行中最合理的稳定储备系数。我国电力系统 安全稳定导则规定，电力系统在正常运行方式和正常检修运行方式下，上述静 态稳定储备系数k 1 5 2 0 ；在事故后的运行方式和特殊的运行方式下， k 。1 0 。 静态稳定储备系数的计算方法多种多样，常见的是以稳定域的形式加以描述 的。对于多台发电机的电力系统，其静态稳定性是各台发电机功率的函数，而不 能简单的用某一台发电机功率来确定电力系统的静态稳定性及其极限功率。然而 这种方法无论是方程推导、稳定极限值的计算或是功角特性的图形化都比较麻 烦，无法直观的加以理解。本文则是采用了将多机系统化成单机无穷大系统的方 法来求解储备系统的，其推导过程简单而又直观。具体参见2 4 节。 2 i 3电力系统动态稳定 电力系统动态稳定是指系统受到大的或小的干扰后，在自动装置的控制装置 的作用下，保持长过程运行稳定性能力。对于这种较长时间的稳定性研究，需要 根据不同的情况，考虑各种电力系统调节和控制元件动态特性并进行模拟，例如 励磁调节装置，频率和功率调节装置，有时候还要考虑锅炉、继电保护等的调节 和控制元件。由于本课题不涉及动态稳定的问题，这里就仅仅简要介绍一下。 2 2宝钢配电网的特点 宝钢电网属于上海电网的一部分，其接线图如图2 1 所示。宝钢配电网4 台 机组装机容量为1 4 1 2 m v a ，由一三两期组成。一期两台3 5 0 m w 的机组，三期 3 5 0 m w 及1 5 0 m w 各一台，大部分功率供给宝钢的负荷。在正常运行方式下， i 海交通大学碗学位论文 零2 一l 。宝钢配电融璃爨 鞭9 2 i + c h a r t o f t h e b a n g a n g p o w e r g r i d 1 2 上海交通大学硬举垃趋文 从石漏翻受入部分功搴，芽由毅宝钢( x b ) 送出部分功率。整个系绞是全电缆供电。 本课题主要研究的是宝钢电网与上海电网解列时的情况，此时宝钢电网与上海电 瓣貔交换功率为p 一0 ，o = 0 。塞镪迄网最大戆特轰在于它靛受蘅，荬中耦当 部分是冲击负荷，冲击负荷对系统的影响随电力系统容量的增大，因其在负荷总 容量中静徐壤减少焉减，、，沈螽宝镅电潮与上海网稻遣接的辩候；健在互联系统 中与主系统电气联系薄弱的局部系统，比如宝钢电网独立运行情况下，运行中由 冲击负衙带来的频率和电逶波动的影响不容忽视。 2 3宝锻凝毫鼷錾态矜辑憋建模 2 3 i 发毫毫莲建横 电力系统蟹态稳定计算孛采鬟憋冠步电凝数学模型，篷援转子运动方撰、电 流电压方程以及电磁暂态过程方程三部分。其中转子运动方程描述转子运动的机 强彗态过程；邀流电援方程蕊反映缓天测缮蜃，溺步电祝宅势与梳鞴电歪瞧流的 关系；电磁暂恣过程方程式描写同步电机次暂态电势的变化规律。 同步电税转子运动方程斌为： f ：坦d t = 删( 2 - - 2 ) _ds；a国(2-3) a t 同步电机电流电压方程式为： e ；= u q + i q r 。斗i d 弱( 2 - - 4 ) 0 = u a + i a r o i q x q ( 2 - - 5 ) 并可以德剿彗态魄势与空载电势夔关系： e q = e ：+ 力r d 一爿二) ( 2 6 ) 对于某些比较精确的计算，需进一步考虑阻尼绕组对暂态过程的影响，即模 l 薹1 月步电枧鲍次餐态瞧磁过程。诗及阻慰绕鳃懿馋月戆，提威翳毫筌平餐方程式 如下： e q uq 寺iq r ，斗ld x d e ：一u d 斗i a r 。+ ；q x ； ( 2 7 ) ( 2 8 ) 上海交通大学硕士学位论文 随着电力系统的发展，象宝钢投入运行的新型励磁调节装置的出现，按电 势e ：恒定进行稳定计算已不能满足一些情况下系统分析的要求。对此，所使用 的同步电机的双轴( d 、q ) 模型必须考虑e ：的变化，还要计及阻尼绕组的作用， 引出次暂态电势e ：、e ：，并考虑它们的变化对暂态过程的影响。e ：，e ：、e ： 的变化过程与转子绕组的暂态和次暂态电磁过程有密切关系，而描述e ：，e ：、 e ：电势变化规律的微分方程式实际上是同步电机定子电磁暂态过程方程式的一 种表达形式。 2 3 2励磁调节器建模 我国电力系统中的同步电机主要采用了三种励磁调节器：电磁型的带电压校 正器的复式励磁装置和相位复式装置，电子型的可控硅励磁调节器。 图2 2 e b 型励厢系统模型 f i 9 2 2 m o d e lo f e bt y p e e x c i t a t i o ns y s t e m 通过对宝钢所提供的a b b 公司的励磁模型进行比较和对照，根据其惯性环 节的反馈点解开所形成的模型，我们决定采用b p a 程序所支持的无刷旋转交流式 励磁系统( e b 型) 来模拟实际的励磁系统，模型如图2 - 2 所示：其中t 。为滤波器 时间常数，k 为调压器增益，t ，t ，为调压器放大器时间常数，k f 为调压器稳定 回路增益，t p 为调压器稳定回路时间常数，k e 是与自励有关的励磁常数，t e 是励 磁机时间常数。 2 3 _ 3原动机建模 在电力系统稳定计算中，对原动机特性的模拟一般采取比较简化的方法。其 1 4 上海交通大学碗士学位论文 中水轮机的动态特性，通常用一种简化的公式来模拟；而汽轮机动态特性的模拟， 则只考虑蒸汽容积的影响。其中蒸汽容积的影响体现了在汽轮机的暂态过程中蒸 汽在管道和再热器中的惯性。 当汽轮机调节汽门的开度变化时，由于汽门与喷雾之间存在一定的蒸汽容 积，该容积内的蒸汽压力不可能立即发生交化，因而输入汽轮机的功率也不能立 即随之改变，而有一定的时滞。这一蒸汽容积的影响，在数学上可以用一阶惯性 环节来模拟。其传递函数表达的公式是： p t = “7 c h p + 1 1 0 2 - - 9 、 其中t 。为蒸汽容积时间常数，u 为汽门开度。 图2 3 、原动机模型 f i 9 2 3 m o d e lo f 蹦m e m o v e r 对宝钢系统汽轮机的原动机采用串联组合、单再热器模型，如图2 3 所示。 其中f 。，f 。艮分别表示高压缸、中压缸、低压缸的功率比率，且艮+ f 。，+ 艮 = 1 ；t 。为蒸汽容积时间常数，为再热器时间常数，t 。为交叉管时间常数。 2 3 4调速器建模 这里我们使用汽轮机调速器的经典模型，如图2 - 4 。其中p 。为原动机最大 功率输出，r ，。为原动机最小功率输出，r 为调差系数，t 。为控制时间，t 2 一般为 零，t 3 为伺服机时间常数。 图2 4 原动机模型 f i 9 2 - 4 m o d e l o f p r i m em o v e r 1 5 上海交通天学硬士举垃论文 2 4 宝钢配电阏静态稳定的建模与分析 2 4 1相对加速壤方程的推导 两帮l 系戮鞠瑶攥万程缎蠲f ： 篮；争哦喝 沪1 0 ) 吖：等吨( 2 - 1 1 ) 萁中p m l ，p m 2 为发电机1 ，2 的机械输入功率；p e l ，p e 2 为发电机1 ，2 的电磁 羧遗功率。著薅提斡糨对转子舞爝5 = 5 l 蔼2 表承，嚣么峦上鼹式褥猫： 粤=粤一孕=学一孚(2-12dtd td t ， 。s2 磁，m ， 耀m l ，( m l + m 2 ) 豢隧上式懿嚣避褥到如下懿甥对热速度方程： 影。窘= 一磊 ( 2 q 3 ) 其中： m 。= m t m ： m l 十m 0 磊= 泓：名；一m ，& ：溉+ 鸩) 岛= ：b ，一m 。尼：) 。+ m ：) 如图2 - 5 所示，豳网络篱纯消去所有的实际节点，只傈螫发电机内电势节点， 从而形成只有内电势节点( i ：) 和的节点导纳阵： y = 瞪 圈2 5 两机系统等俊电路 f i 9 2 5 e q u i v a l e n t c i r c u i to f t w og e n e r a t o r ss y s t e m 1 6 ( 2 1 4 ) 飞-z攀。 上海交通大学碗士学位论文 发电机的电磁功翠表达式为： 民= 血阢，；】= r 扣，2 巧f 外f - 1 ，2 ( 2 - 1 5 ) 其中e f = e ，么瓯，匕= g + 归g = 巧么九，g = 巧c o s 庐口，b f2 巧s i n o 。 因, y c 发f g 机的电磁功率可导出如下： b 。= e ? g 。+ e 。e 2 i ：c o s ( 6 i ：一p 。- 6 ：) ) ( 2 1 6 ) 兄：= e ：g ：+ e e ：匕，c o s ( # ：。一p ：一匹) ) 由于y , z = y 虬，由。产中：。，8 = 5 l 一6 2 ，因此由式2 - 1 3 ，2 - 1 6 可得： d 一丝2 兰1 2 垫! 二! 竺! 兰2 2 堡2 2 。 高：阻兰嚣：m 。邮编) 】 ( 2 1 ) 墨垦生区2 翌! 垒二亟；) 二丝! ! 丝堕亟2 西 。 m 1 + m 2 对于式2 - 1 7 进行层层简化得到( 具体推导过程参见附录a ) ： 兄= 鹾+ 匕s i n ( 6 一y ) ( 2 1 8 ) 其中层= 竽皆，= 巫气铲， y c 留。l m m , ，- 啦m 2 嘲：j q 。 将式2 - 1 8 代入式2 - 1 3 得到： m 。窘= 一慨+ 匕咖p y ) ) ( 2 - - 1 9 ) 式2 - 1 9 即为两机系统的相对加速度方程经转化后的等效单机一无穷大功率母线 系统的方程形式。 2 4 1宝钢电网独立运行时静态稳定系数的计算 1 参数归算 对计算中用到的所有数据进行归算，其中包括：发电机的运算电抗x a ，x ： 和系统中各台发电机的转动惯量m ；线路电抗；发电机主变的电抗和各l l o k v 母线负荷侧主变及变压器的电抗值：各母线挂接的负荷值( 平均负荷) ，对于负荷 i 海交通大学碗士学位论文 在计算过程中以恒功率模型折算成阻抗形式。由于所要计算的是宝钢系统独立运 行时的情况，即通过宝板1 4 1 0 线路将宝钢的一期和三期联起来，因此不计及 2 2 0 k v 及1 1 0 k v 以下电压等级的部分。标么值为s s = 1 0 0 m v a ，u b = 1 1 0 k v ，负 荷折算时z + ：生_ - 。 p 一，0 2 网络化简 经过发电机、变压器、线路的阻抗值计算以及负荷的阻抗等值，可以得到如 图2 - 6 的原始网络图。 j o 0 4 4 2 2 彤 # 1 上 # 2 却3 5 1 7 2 + j 2 4 3 6 6 1 中当i 宝钢 轧板 0 0 0 1 6 + j o 0 0 0 5 1 1 0 0 0 0 3 0 + o 0 0 0 9 9 10 0 0 0 2 6 + j 0 轧钢0 3 2 0 0 9 + j 2 0 8 7 9 30 3 3 9 9 7 + j 3 0 6 1 9 5 1 1 5 4 0 9 + j 3 3 5 5 5 2 0 4 7 5 5 3 - i - 1 4 0 9 0 7 新宝钢 jf o 1 0 2 9 4 图2 6 原始网络图 f i 9 2 6 o r i g i n a lp o w e r g r i dc h a r t 再通过电路理论中的y 一变换可以得到如图2 7 的网络结构。由于我们是利用 一+ ，蜴 3 1 8 9 + ，1 0 9 2 r v r 一 扣0 4 4 2 1m 僦1 士审端。 上 0 0 0 0 2 8 + j o ，0 0 1 0 9 0 0 0 0 4 4 + 0 0 0 1 2 8 晶+ ，q o 1 3 + j o 8 1 厂 m 10 5 1 8