（电气工程专业论文）锡林电网与蒙西电网联网后运行稳定性分析.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 本文主要研究的是锡林电网和蒙西电网互联后联络线故障对锡林电网稳定性 的影响，这一工作对于实现与内蒙古自治区行政版图相一致的自治区供电营业区战 略格局有很重要深远意义。本文首先建立了分析所需的系统元件数学模型，并根据 收集到的实际系统数据信息录入分析工具p s a s p 中，形成一个分析所需的实际系统 仿真用数学模型，对联络线的不同故障进行分析。基于所建立的系统数学模型进行 仿真，得出联络线不同故障下锡林电网的各发电机摇摆曲线来判断锡林电网稳定 性。这一分析结果对于实现锡林电网与蒙西电网的互联具有非常重大的指导性意 义。 关键词：锡林电网，蒙西电网，电力系统，暂态稳定 a b s t r a c t a f t e rx i l i np o w e rn e t w o r ki sc o n n e c t e dt om e n g - x ip o w e rg r i d ，t h et i e l i n e b r e a k d o w nt ox i l i np o w e rn e t w o r ks t a b i l i t yi n f l u e n c ei ss t u d i e di nt h ep a p e r ，w h i c hh a s t h e v e r y v i t a l s i g n i f i c a n c er e g a r d i n g t h er e a l i z a t i o nw i t ht h ei n n e rm o n g o l i a a u t o n o m o u sr e g i o na d m i n i s t r a t i o nd o m a i nc o n s i s t e n tt h ea u t o n o m o u sr e g i o np o w e r s u p p l yb u s i n e s sa r e as t r a t e g yp a t t e r n t h i sp a p e rh a sf i r s te s t a b l i s h e dt h en e t w o r kp a r t s m a t h e m a t i c a lm o d e l t h e ni n p u tt h ea c t u a ln e t w o r kd a t at op s a s p ，f o r m sam a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n a l y z e t h ed i f f e r e n tb r e a k d o w no ft h et i e l i n e b a s e do nt h e s y s t e m m a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c he s t a b l i s h e sc a r r i e so nt h es i m u l a t i o n ，o b t a i n sx i l i np o w e r n e t w o r kv a r i o u sg e n e r a t o r ss w i n gc u r v eu n d e rt h et i e l i n ed i f f e r e n tb r e a k d o w nt oj u d g e t h es t a b i l i t y t h i sr e s u l th a st h ee x t r e m e l ys i g n i f i c a n tg u i d a n c es i g n i f i c a n c er e g a r d i n g t h er e a l i z a t i o no fx i - l i np o w e rn e t w o r ka n dm e n g - x ip o w e rg r i di n t e r c o n n e e t i o n j i ny a n h u a ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rs h e n gs i q i n g k e y w o r d s ：x i - l i np o w e rn e t w o r k ，m e n g - x ip o w e rg r i d ，p o w e rs y s t e m ，t r a n s i e n t s t a b i l i t y 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 本文主要研究的是锡林电网和蒙西电网互联后联络线故障对锡林电网稳定性 的影响，这一工作对于实现与内蒙古自治区行政版图相一致的自治区供电营业区战 略格局有很重要深远意义。本文首先建立了分析所需的系统元件数学模型，并根据 收集到的实际系统数据信息录入分析工具p s a s p 中，形成一个分析所需的实际系统 仿真用数学模型，对联络线的不同故障进行分析。基于所建立的系统数学模型进行 仿真，得出联络线不同故障下锡林电网的各发电机摇摆曲线来判断锡林电网稳定 性。这一分析结果对于实现锡林电网与蒙西电网的互联具有非常重大的指导性意 义。 关键词：锡林电网，蒙西电网，电力系统，暂态稳定 a b s t r a c t a f t e rx i l i np o w e rn e t w o r ki sc o n n e c t e dt om e n g - x ip o w e rg r i d ，t h et i e l i n e b r e a k d o w nt ox i l i np o w e rn e t w o r ks t a b i l i t yi n f l u e n c ei ss t u d i e di nt h ep a p e r ，w h i c hh a s t h e v e r y v i t a l s i g n i f i c a n c er e g a r d i n g t h er e a l i z a t i o nw i t ht h ei n n e rm o n g o l i a a u t o n o m o u sr e g i o na d m i n i s t r a t i o nd o m a i nc o n s i s t e n tt h ea u t o n o m o u sr e g i o np o w e r s u p p l yb u s i n e s sa r e as t r a t e g yp a t t e r n t h i sp a p e rh a sf i r s te s t a b l i s h e dt h en e t w o r kp a r t s m a t h e m a t i c a lm o d e l t h e ni n p u tt h ea c t u a ln e t w o r kd a t at op s a s p ，f o r m sam a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n a l y z e t h ed i f f e r e n tb r e a k d o w no ft h et i e l i n e b a s e do nt h e s y s t e m m a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c he s t a b l i s h e sc a r r i e so nt h es i m u l a t i o n ，o b t a i n sx i l i np o w e r n e t w o r kv a r i o u sg e n e r a t o r ss w i n gc u r v eu n d e rt h et i e l i n ed i f f e r e n tb r e a k d o w nt oj u d g e t h es t a b i l i t y t h i sr e s u l th a st h ee x t r e m e l ys i g n i f i c a n tg u i d a n c es i g n i f i c a n c er e g a r d i n g t h er e a l i z a t i o no fx i - l i np o w e rn e t w o r ka n dm e n g - x ip o w e rg r i di n t e r c o n n e e t i o n j i ny a n h u a ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rs h e n gs i q i n g k e y w o r d s ：x i - l i np o w e rn e t w o r k ，m e n g - x ip o w e rg r i d ，p o w e rs y s t e m ，t r a n s i e n t s t a b i l i t y 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文锡林电网与蒙西电网联网后运行稳定 性分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：垒狴日期：迎 ：! ! ：i ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：垒盐。丝 日 期：磁! f 2 ：! 导师签名： 日期：殳! 心知 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 1 本课题的研究目的和意义 随着社会主义市场经济体制改革的发展，在电力商品供求关系上，在电力生产 结构上出现了新的变化。从整体上看，虽然部分地区出现了比较缓和的局面，但是 电力商品供应短缺依然没有根本缓和，电力的结构性缺电局面依然存在，为了增加 电力生产能力，实行了集资办电政策，带动了整个电力工业的改革和发展，出现了 发电厂产权多元化的格局，因此，不同产权的发电厂出现了争发电负荷的矛盾，迫 切要求上网电量的调度要公平、公正、公开，以保证各投资者的利益。 “逐步实现厂网分- 丌，竟价上网”是中共中央关于制定国民经济和社会发展 第十个五年计划的建议中对电力工业改革和发展的要求，当前国家电力体制改革 总体目标是打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，改善服务、健全电价机制， 优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网，构建政府监管下的政企分开、公平 竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系。其核心内容就是“厂网分开、竞价上 网”。实行厂网分开是竞价上网的基础，是建立发电侧电力市场的第一步：竞价上 网是改革的难点和重点之一，是促进发电企业提高效率的重要手段。 内蒙古电力公司按照自治区党委、政府的要求，坚持以超前自治区经济发展l o 年的速度建设电网，为快速增长的自治区经济提供安全、稳定的电力供应，为自治 区境内所有发电企业提供上网支持，为电力输出提供更多的通道，坚定不移地加快 电网建设。 2 0 0 4 年内蒙古电网建设共丌工2 2 0 千伏以上输变电项目5 6 项，完成4 6 项，其 中新建5 0 0 千伏变电站4 座，新建2 2 0 千伏变电站3 1 座。全年新增变电容量9 1 5 万千伏安，新建2 2 0 千伏以上线路3 3 0 3 公里。截止到2 0 0 4 年底，由内蒙古电力公 司管理运行的5 0 0 千伏变电站共有5 座，2 2 0 千伏变电站达到6 5 座，并实现了锡林 郭勒电网与蒙西电网联网、呼伦贝尔电网与兴安电网联网，初步形成了统一的内蒙 古自治区电网。3 月3 0 日，电力公司与神华集团j 下式签订协议，确定神华集团煤直 接液化项目由蒙西电网供电。此协议的签订，对于维护公司供电权、保护电力市场， 建设完整统一的内蒙古供电营业区，做大做强内蒙古电力公司具有重大意义。 在1 9 9 7 年全国划分供电营业区时，由于历史和电网的原因，自治区部分盟市 周边部分地区划入相邻省、自治区供电营业区；也有虽然划为公司供电营业区，但 由于我公司电网尚未覆盖到，而委托相邻省、自治区进行供电；还有个别地区存在 外省电力公司深入我公司所属供电营业区供电，与我公司形成交叉供电的情况。除 华北电力大学工程硕士学位论文 了赤峰市、通辽市划归东北电网公司直供外，锡盟、呼伦贝尔、兴安盟、阿拉善盟、 鄂尔多斯部分地区存在以上供电营业区遗留问题。 内蒙古电力公司经过多年的发展，电网结构、电压等级、电网的覆盖面发生了 巨大变化，供电能力和供电可靠性显著提高，己具备了收复供电营业区的条件和能 力。近几年来，公司从长远发展的角度出发，逐步收复了一些供电营业区，并耿得 7 显著成果。 2 0 0 2 年1 2 月，将原划归张家口供电的锡盟南部4 个旗县供电营业区收回；2 0 0 3 年9 月，将原划归通辽供电的乌拉盖开发区和东乌旗8 个苏木供电营业区收回。2 0 0 4 年3 月，将原划归黑龙江电力局的呼伦贝尔市阿荣旗、莫旗供电营业区收回；原由 伊敏煤电公司东海拉尔电厂、伊敏电厂直接供电地区和原出大杨树农牧场管理局供 电的大杨树地区转交呼伦贝尔电业局供电；2 0 0 4 年3 月，将根河市供电营业区收回。 2 0 0 4 年1 2 月，兴安盟科右中旗和突泉镇部分地区由兴安电业局向通辽电业局购电 后向其供电。2 0 0 4 年6 月，将原由甘肃供电的阿拉善右旗及雅靠赖盐厂、化肥厂供 电区收回：1 2 月。将原由宁夏供电的阿左旗挛井滩和腾格里丌发区供电区收回。 收复供电营业区和接转自治区周边供电营业区是公司扩大电力市场、实现增供 扩销的需要，是历史赋予内蒙古电力人的责任。为此，电力公司将今年确定为全面 接转和收复供电营业区攻坚年，将其列为今年重点工作之一束抓，并提出要用3 年 时间实现与自治区行政版图相一致的自治区供电营业区战略格局。 解决供电营业区遗留问题是一项复杂的系统工程，公司提出要站在保护和赢得 电力市场，维护供电权和争得发展权的高度来看待此项工作，抢抓机遇，全力攻坚， 务期必成。面对蒙西电网电力紧张的局面，在收复供电营业区和接转自治区周边供 电营业区的同时，还应保留原有的供电网络，转变为向外省购电的通道，大力拓展 向自治区境内其它电厂和网外购电通道，构建多渠道购电的新格局，努力缓解目前 电力供需矛盾。 锡林电网与蒙西电网的并网为建立统一的内蒙电网奠定了基础，对实现与自治 区行政版图相一致的自治区供电营业区战略格局有很重要深远意义。分析锡林电网 与蒙西电网并网运行稳定性对于实现统一的内蒙电网更是意义重大。 1 2 本课题的研究现状 从查阅到的资料来看，国内外对电网问联络线的研究很多，联络线在系统运行 和安全分析中有着重要的意义，潮流控制、稳定控制等一般都通过限制联络线输送 功率来实现。建立系统的联络线与区域模型是分析电网运行方式的重要方法，运行 模式是对系统典型运行状态的提取。现将国内外关于联络线运行分析的主要问题介 模式是对系统典型运行状态的提取。现将国内外关于联络线运行分析的主要问题介 2 华北电力火学工程硕士学位论文 绍如下【1 1 。 1 2 1 电网频率与联络线潮流的关系1 2 】 随着电力系统的发展和电网规模的扩大，大电网分区域控制、电网互联是电网 发展的必然趋势也是电力主管部门追求的目标，从而充分发挥大电网的优势和取 得更大的经济、社会效益。但大电网的频率潮流控制问题还需在理论、运行实践中 不断认真分析探讨，以采取有效的措施，确保电网的安全稳定运行和供电质量。 互联电网的静态频率特性取决于系统负荷的静态频率特性和系统发电机的静 态频率特性。可以表示为 等= 一( p 妊胛+ k l 。) 等( 1 - 1 ) 0j 0 式中a p 为系统负荷变化量；。为系统发电机等值频率调节系数；吒。为系 统负荷的等值频率调节系数；f o 为电网运行额定频率；晶为系统的机组总出力。 分析式( 1 - 1 ) 知，对于不同的系统运行方式，p 、t 棚、k 的变化范围较大， 出现相同的频率偏差v 时，系统对应的功率缺额a p 变化范围也较大，因此互联电 网频率的调整非常困难。 1 2 2 联络线控制模式【3 】 互联电网联络线调整的目标是将电网频率极联络线交换功率控制在允许范围之 内，即把区域控制偏差a c e 限定在一定范围之内，按照式( 1 2 ) 定义的联络线控制模 式称为联络线和频率偏差控s t j ( t i e - l i n ef r e q u e n c yb i a sc o n t r o l ，缩写为t b c ) 模式。 a c e = a p + b v( 1 2 ) 式中p 为系统负荷变化量；a f 为实际系统频率与系统目标频率之差：b 为电 网的频率偏差系数。 如果式( 1 - 2 ) 未考虑功率偏差。即a c e = b a f ，则称为定频率控制( f f c ) 模式； 如果式( 1 2 ) 未考虑频率偏差，即a c e = a p ，则称为定交换功率控锖t j ( f t c ) 模式。 1 2 3 联络线的负荷摆动问题【4 】 联络线上频繁的功率交换，对电网的运行稳定性带来一定的影响。联络线上负 荷摆动主要是由于冲击负荷造成的，最严重的情况是冲击负荷刚好在时间上重合叠 3 华北电力大学工程硕士学位论文 加。一般地，在电网互联前，冲击负荷是由电网一次调频来平衡的，参加调频的机 组越多系统的频率变化越小，系统受到的影响越小。电网通过联络线互联后，由于 冲击负荷的影响，使联络线上潮流波动较大，给调整联络线上潮流带来一定困难而 且降低了长距离送电的稳定水平，对电网供电质量有一定的影响。 因此对联络线的负荷摆动问题进行研究对稳定联络线潮流、提高送电的稳定水 平和供电质量有着重要意义。 1 2 4 联络线优化调度p 】 区域电网联络线优化调度是在保证电网安全、稳定的前提下，充分利用区域内 各网现有的电力资源，通过跨区、跨省网问联络线运行方式的合理安排与调整，即 最大可能满足本区域电网的电力、电量平衡。即充分发挥联网效益，扩大交易规模， 互通有无，调剂余缺，实现区域电网最大范围的电力资源优化配置。 1 2 5 联络线故障的研究6 】【7 】 作为区域电网间的联系通道，联络线对整个电网的安全、稳定运行意义重大。 联络线故障后，地区电网的稳定水平大大下降，严重情况下有可能造成部分电厂发 电机失稳。 对联络线故障前后的电网运行分析可以掌握故障后电网运行状态，进而可以提 出有效的措施提高电网安全、稳定运行水平。 基于以上论述，本论文试图对锡林电网与蒙西电网联网运行在机组的不同组合 下联络线故障后锡林电网的运行状况进行分析，并且希望能够在此基础上提出在联 络线故障情况下提高锡林电网安全、稳定运行的措施。 电力系统是一个用常微分方程描述的复杂的动力学系统。电力系统的理想运行 情况是，在任何时刻系统都能以恒定的电压和频率连续不断地向负荷供电。然而在 实际系统中，情况并非如此理想。实际上，负荷的规律性和随机性变化以及相应的 发电机组的调节时刻存在，一些大的变化也时有发生，例如网络中的短路故障，大 容量发电机和重要输变电设备的投入或切除等。一般将上述各种变化因素统称为干 扰或扰动。处于稳态运行下的电力系统在遭受干扰后，原来的平衡状态将被打破， 从而使系统经历一个动态过程。电力系统的稳定性问题就是研究这些动态过程的结 局如何，是否会危及系统的正常运行。从本质上来说，这一问题属于动力学系统的 稳定性的范畴。 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 转矩相平衡，各级组的转速保持恒定。在遭受大的干扰后，由于系统的结构或参数 4 华北电力大学工程硕士学位论文 发生了较大的变化，使得系统的潮流及各发电机的输出功率也随之发生变化，从而 打破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 予加速或减速。一般情况下，干扰后各发电机的功率不平衡状况并不相同，加之各 发电机的转动惯量也不相同，使得各机组转速变化的情况各不相同。这样，各发电 机转子之间将产生相对运动，使得转子之间的相对角度发生变化，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，从而使各发电机的功率、转速和转 子之间的相对角度继续发生变化。 与此同时，由于发电机端电压和定子电流的变化，将引起励磁调节系统的调节 过程；由于机组转速的变化，将引起调速系统的调节过程：由于网络中母线电压的 变化，将引起负荷功率的变化，等等。这些变化都将直接或阳j 接地影响发电机转轴 上的功率平衡状况。 以上各种变化过程既相互联系又相互影响，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。 1 3 本文的主要工作 暂态稳定分析的主要目的是检查系统在大扰动下( 如故障、切机、切负荷、重 合闸操作等情况) ，各发电机组间能否保持同步运行。在电力系统规划、设计、运 行等工作中都要进行大量的暂态稳定分析，因为系统一旦失去暂念稳定就可能造成 大面积停电，给国民经济带来巨大损失。通过暂态稳定分析还可以研究和考察各种 稳定措施的效果以及稳定控制的性能。 p s a s p 的暂态稳定分析属于一种时域仿真方法。离线的时域仿真法，或称逐次 积分法( s t e pb ys t e p ，简称s b s ) ，是一种可靠的方法，可以精确考虑各种复杂模 型。时域仿真法将电力系统各元件模型根据元件间拓扑关系形成全系统模型，这是 一组联立的微分方程组和代数方程组，然后以稳态工况或潮流解为初值，求扰动下 的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，并根据发电机转子 摇摆曲线来判别系统在大扰动下能否保持同步运行，即暂态稳定性。 根据建立的网络模型，应用p s a s p 设定网络在不同机组组合联络线不同故障情 况下计算发电机的摇摆曲线，分析锡林电网稳定性。 以计算、分析结果为依据，提出在联络线不同故障情况下提高锡林电网稳定性 的相应措施。 完成的工作有： ( 1 ) 收集锡林电网各节点以及线路数据信息，以便应用中国电力科学研究院的电力 5 华北电力大学工程硕士学位论文 系统分析综合程序( p s a s p ) 进行系统建模。 ( 2 ) 根据收集到的实际系统信息数据，为适应暂态问题的复杂性与多元化，程 序中建立了不同阶数的发电机模型。并且考虑了励磁机、原动机调速器等的动态过 程，建立仿真模型。 ( 3 ) 针对不同的联络线故障，计算、分析其对锡林电网稳定性的影响。 ( 4 ) 对计算结果进行相应的整理再分析，提出适当的能够提高锡林电网稳定性 的相应措施。 6 华北电力大学工程硕十学惶论文 第二章暂态稳定分析方法及数学模型 稳定破坏是电网中较为严重的事故之一，大电力系统的稳定破坏事故，往往引起大 面积的停电，给国民经济造成重大损失。为了防止稳定事故，各电网采取了各种措施， 如快速保护、单相重合闸、远方切机切负荷、投入制动电阻等，其中最常用的措施对可 能发生的各种运行方式进行大量计算，从而避开可能破坏稳定的运行方式。离线的时域 仿真法，或称逐次积分法( s t e pb ys t e p ，简称s b s ) 将电力系统各元件模型根据元件间 拓扑关系形成全系统模型( 如图2 1 ) ，这是一组联立微分方程组和代数方程组，然后以 稳态工况或潮流解为初值，求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间 的变化曲线，并根据发电机转子摇摆曲线来判别系统在大扰动下能否保持同步运行，即 暂态稳定性。时域仿真法是一种可靠的方法，可以精确考虑各种复杂模型。但当电网发 展到几百个乃至上千个节点时，这种计算耗费机时多，计算速度慢，只能判断是否稳定， 不能给出系统稳定裕度的定量指标。李雅普诺夫直接法不是从时域去看稳定问题，而 是从系统能量角度去看稳定问题，故可作快速稳定判断，而不必计算整个系统运动 轨迹，即不必逐步积分计算。但是李雅普诺夫函数必须在扰动后保持定值，才能免 去扰动后的积分。而多机电力系统在本质上是非自治的，严格的李雅普诺夫函数并 不存在。这样，不但扰动后的数值积分无法避免，在多机空间( r ”) 中直接评估稳 定性存在从理论到实践一系列的困难。 2 1 暂态稳定分析的理论基础 电力系统是一个用常微分方程描述的复杂的动力学系统。电力系统的理想运行 情况是，在任何时刻系统都能以恒定的电压和频率连续不断地向负荷供电。然而在 实际系统中，情况并非如此理想。实际上，负荷的规律性和随机性变化以及相应的 发电机组的调节时刻存在，一些大的变化也时有发生，例如网络中的短路故障，大 容量发电机和重要输变电设备的投入或切除等。一般将上述各种变化因素统称为干 扰或扰动。处于稳态运行下的电力系统在遭受干扰后，原来的平衡状态将被打破， 从而使系统经历一个动态过程。电力系统的稳定性问题就是研究这些动态过程的结 局如何，是否会危及系统的正常运行。从本质上来说，这一问题属于动力学系统的 稳定性的范畴。 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 转矩相平衡，各级组的转速保持恒定。在遭受大的干扰后，由于系统的结构或参数 发生了较大的变化，使得系统的潮流及各发电机的输出功率也随之发生变化，从而 7 华北电力大学：1 ：程硕士学位论文 打破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 子加速或减速。一般情况下，干扰后各发电机的功率不平衡状况并不相同，加之各 发电机的转动惯量也不相同，使得各机组转速变化的情况各不相同。这样，各发电 机转子之间将产生相对运动，使得转子之间的相对角度发生变化，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，从而使各发电机的功率、转速和转 子之间的相对角度继续发生变化。 与此同时，由于发电机端电压和定子电流的变化，将引起励磁调节系统的调节 过程；由于机组转速的变化，将引起调速系统的调节过程：由于网络中母线电压的 变化，将引起负荷功率的变化，等等。这些变化都将直接或间接地影响发电机转轴 上的功率平衡状况。 以上各种变化过程既相互联系又相互影响，形成了一个以各发电机转予机械运 动和电磁功率变化为主体的机电暂念过程。 电力系统遭受大干扰后所发生的机电暂态过程可能有两种不同的结局。种是 各发电机转子之删的相对角度随时间的变化呈摇摆( 或振荡) 状态，且振荡幅值逐 渐衰减，各发电机之间的相对运动将逐渐消失，从而系统过渡到一个新的稳态运行 情况，各发电机仍然保持同步运行。这时，我们就称电力系统是暂态稳定的。另一 种结局是在暂态过程中某些发电机转子之间始终存在着相对运动，使得转子间的相 对角度随时间不断增大，最终导致这些发电机失去同步。这时称电力系统是暂态不 稳定的。当一台发电机相对于系统中的其他机失去同步时，其转子将以高于或低于 同步速运行，旋转的定子磁场( 相应于系统频率) 与转子磁场之间的滑动将导致发 电机输出功率、电流和电压发生大幄度摇摆，使得一些发电机和负荷被迫切除，严 重情况下甚至导致系统的解列或瓦解。 电力系统正常运行的必要条件是所有发电机保持同步。因此，电力系统在大干 扰下的稳定性分析，就是分析遭到大干扰后系统中各发电机维持同步运行的能力， 常称为电力系统的暂态稳定分析。 上述对电力系统的暂态稳定分析通常仅涉及系统在短期内( 约i 0 秒之内) 的 动态行为，然而有时我们还必须分析系统的中期( 1 0 秒直至几分钟) 和长期( 几分 钟直至几十分钟) 动态行为，这就涉及到电力系统的中期和长期稳定性分析【8 1 。 中期和长期稳定性主要关注在遭受到严重破坏时电力系统的动态响应。当电力 系统遭受到严重破坏时，将导致系统的电压、频率和潮流发生重大偏移，因此必然 涉及到一些在短期暂态稳定分析时未曾考虑的慢过程、控制及保护的行为。对电压 和频率发生大的偏移作用的装置，其响应过程从几秒( 如发电机控制与保护装置的 响应) 到几分钟( 如原动机能量供应系统和负荷电压调节器等装置的响应) 。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 进行长期稳定性分析的重点是与大范围系统破坏同时发生的较慢的、持续时间 长的现象，以及由此引起的发电机与负荷的有功功率和无功功率显著的持续性失 配。这些现象包括：锅炉的动态，水轮机的进水口和水管动态，自动发电控制( a g c ) ， 电厂和输电系统的控制与保护，变压器饱和，负荷和网络的非正常频率效应等。长 期稳定通常关心系统对特大干扰的响应，这些干扰不属于币常系统设计准则的预想 事故。在这种情况下，可能引发连锁事故及系统被分离成几个孤立的子系统。这时 稳定分析要回答的问题是如何在负荷损失的情况下各孤岛能达到可以接受的平衡 状态。 中期响应是指短期响应向长期响应的过渡。中期稳定研究的重点是各机之间的 同步功率振荡，包括一些慢现象以及可能的大的电压和频率偏移。 电力系统遭受大干扰是人们所不希望的，但事实上又是无法避免的。系统在遭 受大干扰后失去稳定的后果往往非常严重，甚至是灾难性的。事实上电力系统遭受 到的各种大干扰，诸如短路故障，大容量发电机、大的负荷、重要输电设备的投入 或切除等都是以一定的概率随机地发生，因此系统的设计、运行方式的制定总是需 要保证系统在合理选择的预想事故下能够保持稳定，而此系统的设计、运行方式的 制定总是需要保证系统在合理选择的预想事故下能够保持稳定，而不能要求电力系 统能承受所有干扰的冲击。由于各国对电力系统稳定性的要求不同，因此对预想事 故的选择也就有不同的标准。我国对系统稳定的要求反映在电力系统安全稳定导 则t 9 s b 。 判断电力系统在预想事故下能否稳定运行，需要进行暂态稳定分析。当系统不 稳定时，还需要研究提高系统稳定的有效措施；当系统发生重大稳定破坏事故时， 需要进行事故分析，找出系统的薄弱环节，并提出相应的对策。 下面首先讨论电力系统暂态稳定分析的全系统数学模型的构成。 在电力系统稳定分析中，各元件所采用的数学模型，不但与稳定分析结果的j 下 确性直接相关，而且对稳定分析的复杂性有很大的影响。因此，选用适当的数学模 型描述各元件的特性，使得稳定分析的结果满足合理的精度要求并且计算简单，是 电力系统稳定分析中一个至关重要的问题。对于包含众多发电机、输电线路、负荷 及各种控制装置的实际电力系统，考虑到任何冲击后果的复杂性，使得各元件的建 模遇到很大的困难。所幸的是，各种现象时间常数的明显差别允许我们把注意力集 中在影响暂态过程的关键元件和所研究区域。 在进行电力系统稳定分析时，由于在遭受干扰后电力网络的电磁暂态过程衰减 很快，因此忽略其暂态过程是合理的。采用这种简化后，电力网络的模型中就仅包 括代数方程。另外，在发电机定子电压方程中，p y 。和p g 。反映了定予绕组本身的 9 华北电力大学工程硕士学位论文 暂态过程，忽略这两项，意味着忽略了定子中的直流分量，因此定子中仅包含基频 电气分量，定子电压方程也就变成代数方程。很明显，同时忽略发电机定子和电力 网络的暂态过程，能够使得定子电压方程和网络方程保持一致，即均为代数方程， 且仅包含基频电气分量，因而可以用稳态关系式描述，这样做显然还使全系统微分 方程的数目大大减少，从而可提高系统稳定分析的效率。由于系统中所有的电气量 在交流系统中是基波交流分量的有效值，故可用相量描述；在直流系统中是直流分 量的平均值。描述各元件电压、电流关系的方程都为代数方程( 和潮流计算中的稳 态方程相同) ；由于系统中动态元件的存在，一些电气量表现出一定的动态特性。 因此，在遭受干扰后，电力系统经历的整个暂态过程可以看成各时刻的稳念量( 正 弦交流量) 按一定动态特性的过渡，这时系统中的电压、电流、功率能够发生突变。 这就是电力系统稳定分析常用的准稳态模型( q u a s i s t e a d ys t a t em o d e l ) 。 电力系统稳定计算主要涉及由发电机及其励磁系统和调速系统、动态负荷( 如 感应电动机和同步电动机) 、直流输电系统、电力电子控制元件( 如f a c t s 、s v c 、 可控串补) 等众多动态元件和输电网络、静态负荷等组成的非线性动态系统。描述 这一非线性动态系统的是一阶微分方程组( 2 1 ) 和非线性代数方程组( 2 2 ) 。 百d x = ，( x ，) ( 2 - 1 ) 口= g ( x ，y )( 2 - 2 ) 电力系统稳定计算( 数值积分方法) 就是求解上述微分一代数方程组的初值问 题。即以系统受扰动前的运行状态为初始条件，对微分方程( 2 1 ) 和代数方程( 2 2 ) 采 用某种数值解法推算系统受扰动后的动态过程。 图2 1 给出了全系统数学模型的框架及各元件之间的相互关系 j ，其中包括描 述同步发电机及于同步发电机相关的励磁系统和原动机及其调速系统、负荷、其他 动态元件的数学模型以及电力网络的数学模型。一般地说，系统中的各个动态元件 彼此之间不发生直接作用，而是通过网络将它们联系在一起。 定坐电 速系统方程i 程 i 子标 力 电变网 压换络 瓣h 励磁系统方程h 将是舫l 方方方 程程程 i fi 微分方程 代数方程 图2 1电力系统稳定分析中全系统数学模型的框架 1 0 其他发电机 负荷 直流系统 其他动态装置 华北电力大学工程硕士学位论文 整个系统的模型在数学上可以统一描述成一般形式的微分一代数方程组如式 ( 2 - 1 ) 和( 2 2 ) ，式中：x 为描述系统动态过程的状态变量：y 为系统中的代数变量。 微分方程组( 2 1 ) 主要包括： ( 1 ) 描述各同步发电机暂态和次暂态电势变化规律的微分方程。 ( 2 ) 描述各同步发电机转子运动的摇摆方程。 ( 3 ) 描述同步发电机组中励磁调节系统动态特性的微分方程。 ( 4 ) 描述同步发电机组中原动机及其调速系统动态特性的微分方程。 ( 5 ) 描述各感应电动机和同步电动机负荷动态特性的微分方程。 ( 6 ) 描述直流系统整流器和逆变器控制行为的微分方程。 ( 7 ) 描述其他动态装置( 如s v c 、t c s c 等f a c t s 元件) 动态特性的微分方程。 代数方程组( 2 2 ) 主要包括： ( 1 ) 电力网络方程，即描述在公共参数坐标系x - y 下节点电压与节点注入电流之 间的关系。 ( 2 ) 各同步发电机定子电压方程( 建立在各自的d - q 坐标系下) 及d - q 坐标系与 x - y 坐标系间联系的坐标变换方程。 ( 3 ) 各直流线路的电压方程。 ( 4 ) 负荷的电压静态特性方程等。 实际应用中，常根据对计算结果精度要求的不同，对元件选用不同复杂程度的 数学模型。 目前，电力系统暂态稳定分析方法基本分为两种。第一种方法是数值积分方法， 又称间接法【8 ，1 0 。1 甜，其基本思想是用数值积分方法求出描述受扰运动微分方程组的 时间解，然后用各发电机转子之间相对角度的变化判断系统的稳定性。数值积分法 由于可以适应各种不同详细程度的元件数学模型，且分析结果准确、可靠，所以得 到了广泛的实际应用，并一直作为一种标准方法来考察其他分析方法的正确性和精 度。目前，利用数值积分法进行电力系统暂态稳定分析已经相当成熟，并已有许多 商业性程序相继问世。如我国电力科学研究院编制的交直流电力系统综合计算程 序，由b p a 根据美国w s c c 标准开发的暂态稳定分析程序，p t i 开发的p c c e ， 美国e p r | 的e t m s p ，t r a c t e b e l ，e d f 开发的e u r o s t a g 巴西c e p e l 的 a n a t e m 及联邦德国的v i s t a 程序和比利时的s t a g 程序等。这些程序除可用于 分析故障后转子的摇摆过程外，还可用于各种动态行为分析，它们已成为规划和运 行人员进行离线暂态稳定分析、安全备用配置、输电功率极限估计的有用工具。 另一种方法是直接法，它不需要求解微分方程组，而是通过构造一个类似于“能 1 1 华北电力大学工程硕士学位论文 量”的标量函数，即李雅普诺夫函数，并通过检查该函数的时变性来确定非线性系 统的稳定性质。因此它是一种定性的方法。由于构造李雅普诺夫函数比较困难，因 此目前电力系统暂态稳定分析的直接法仅限于比较简单的数学模型，或用暂态能量 函数近似李雅普诺夫函数，因此其分析结果不能令人完全满意。 2 2 暂态稳定分析流程 否 输入原始数据和信息 扰动前系统的潮流汁算，并计算柳值y ( 0 ) 计算状态变量初值x ( 0 1 形成微分方程和代数方程 置t = o 有无故障或操作 自 修改微分方程或代数方程 是霄网络故障或操作 足 解网络方程并重新计算y ( t ) 计算y ( t + h ) 、x ( t + h ) 判断系统是否稳定 是 t - - f m a x 输出计算结果井停止 否 否 图2 - 2 暂态稳定分析的基本流程 分析电力系统暂态稳定的主要途径是通过对遭受大干扰后系统动态响应的计 算得出系统是否稳定的结论。通常将系统遭受大干扰的时刻定为初始时刻( 即t = o ) ， 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 在对微分代数方程组用某种数值方法的求解过程中，可根据系统的运行状态利用适 当的判据判断系统的稳定性。暂态稳定分析的基本流程如图2 2 所示1 。 2 3 暂态稳定分析数学模型【1 3 1 2 3 1 同步发电机的数学模型 同步发电机模型采用考虑乓，e ，e 电势变化的5 阶模型。模型中发电机转 子d 轴励磁绕组f 及阻尼绕组d 的次暂念和暂态电磁过程分别以乓和乓电势变化表 示；q 轴考虑阻尼绕组q 的次暂念和暂态电磁过程，以二电势变化表示。模型的微 分方程如下： 巧。= _ 【e + ( 屯一艺) 屯一( 杨一1 ) 层j 】 磕，等乓一( 屯一) 厶+ 岛+ 7 ：；o ，盟d t 碥警= 一瓦+ ( 一似 ( 2 3 ) t 。d 出o ) , - = 吾一( ，碍，一l ) 一d ( q 一玩) 2 石五 鲁柏一1 ) 2 石五 式中：丘i 一一饱和系数，丘；= 1 + 6 毯”a ； 口，b ，甩一一饱和参数： d 一一阻尼系数：d ( q 一蕊，) 2 n f o 为阻尼功率标么值。磊= 毛q 瓦为系 统惯性中心角频率，因甜，磊均为标么值，2 万五的单位为弧度秒，1 敌d 鲋单位为秒 ( 本模型已详细计入阻尼绕组的电气阻尼，仅机械阻尼很小，d 可为零) ； 、一一定子绕组磁链。 定予电压、电流由d - q 坐标变换为r i 公用坐标的变换式是： 乏 = 。c ；o n s 占d s i 。n 。6 。占 孑 慧= 删 注入网络的电流方程是： 隆 = 孑耋 笔 一 未毒 孑 f 2 4 a ) r 2 - 4 b ) ( 2 5 ) 华北电力人学：程硕+ 学位论文 2 3 2 原动机调速器的数学模型 调速器模型采用了一种水、火电机组均适用的通用模型，其传递函数框图如图 2 3 所示。各个环节及其参数得物理意义见参考文献【1 3j 。 ：二芝啊瞿兰毒! 癌警弓 一“ 【j + i l ， ， l 。一 一 一 口_ _ 1 一 。! f 盟。 l i + 5 r 图2 3 原动机及调速系统传递函数框图 2 3 3 同步发电机励磁调节系统的数学模型 同步发电机的励磁调节系统具有多种形式【1 4 j ，下面仅以图2 4 所示的励磁调节 器为例，列出状态方程。其各个环节及参数的物理意义见参考文献1 3 】。 。h 一一 、如。， 七圭4 跞卜警b t 鱼一k 如j 专 | 一 i 叫 一s k r 。 一 l 呵一一 2 3 4 网络方程 图2 - 4同步发电机励磁调节系统传递函数框图 e “ 负荷采用恒定阻抗代替，消去负荷节点、联络节点和故障节点，形成只含发电 机节点的网络方程： i k ： 五。e ： ： ke ： i ； e ： e ( 2 6 ) 其中：k = ( k ，) 7 ，f = ( 圯，l ) 7 为系统z y 坐标下的定子端电压和定子n o r t o n 电流，一是发电机节点数。 1 4 一 + - 鲫播 卜 吖 生嘲 阼_ 。一 坚l 1 0 一 ：，d + o + k丌ijjjii北 h n 月i 匕；圪 华北电力人学工程硕士学位论文 l = 陋艺 弘暖哥 g ：= g 。+ g ， b ：= 一e ，+ b x ， g ：= g 。+ g 。 彰= b 。- t - b 。 i ，= 1 , 2 ，- 一，”i ， f ，= 1 , 2 ，h 2 4 暂态稳定分析的数值解法【1 3 】 ( 2 - 7 a ) 电力系统的暂态稳定计算就是在一定初值条件( j 下常运行状态和扰动方式) 下，联 合求解相应的微分方程和代数方程，从而得到发电机转子位最角的摇摆曲线，然后根据 发电机转子之间的相对位最角的摇摆曲线，来判别系统在这种运行状念和扰动方式下能 否保持稳定。而暂态稳定时域仿真法的核心是当时刻的变量值已知时，如何求出+ ，时 刻的变量值，以便由t o 时的变量初值( 一般是潮流计算得到的稳态工况下变量值) ，逐 步计算出t ，屯，时刻的变量值，并在系统有操作或发生故障时作适当处理。 2 4 1 微