电力系统暂态稳定性的分析方法的研究电力系统暂态稳定分析方法综述.doc

电力系统暂态稳定性的分析方法的研 究电力系统暂态稳定分析方法综述 摘 要 随着电网规模扩大 电网动态特性更加复杂多 变 发生由暂态失稳而引发的大停电事故更加频繁 因此加强对电力系统暂态稳定分析的研究具有重要意 义 本文对目前电力系统暂态稳定分析方法的现有研 究文献进行了调研和综述 指出了现有方法的优点和 缺点 同时提出了今后暂态稳定分析法的发展方向 关键词 电力系统 暂态稳定 稳定分析 引言 随着三峡电站的投产运行 全国联网 西电东送 工程的实施 使得我国电网正朝着大电网 超高压 远距离 交直流并联输电方向快速发展 电网规模的 扩大带来巨大经济效益的同时 也出现了新的技术问 题 如 长距离弱联络线并列运行 形成输电瓶颈 降低了系统的稳定裕度 动态特性更加复杂多变 另 外 电力市场竞争机制的引入 使得系统运行动态特 性更加不可预测 同时 电网互联后 受扰动的影响 而波及的范围会更广 更易引发大停电事故 研究表 明 诸多大停电事故是由于暂态失稳而引发的 而目 前的暂态稳定紧急控制策略多基于预想事故集而制定 的 缺乏有效的在线稳定分析软件是错失紧急控制时 机 从而引发大停电事故的重要原因之一 因此 加 强研究大电网安全稳定性分析具有十分重要的意义 1 暂态稳定分析方法评述 电力系统暂态稳定是指系统突然遭受大扰动后 能从原来的运行状态不失同步地过渡到新的稳定运行 状态的能力 目前暂态稳定分析的基本方法主要有如 下几类方法 1 1 时域法 时域法是将电力系统各元件模型根据元件拓扑关 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 并根据发电机功角值大于某一特定阀值 来判别系统能否在大扰动后维持暂态稳定运行 时域 法具有广泛模型的适应性 但是由于需数值求解 计 算速度慢 阀值的选取是通过工程实际经验得到的 缺乏理论依据 也不能给出稳定裕度 1 2 暂态能量函数法 暂态能量函数法的理论基础是李亚普洛夫稳定性 定理 因此也称为拟李亚普洛夫直接法 简称直接法 该方法是通过比较扰动结束时暂态能量函数值与系统 临界稳定时的暂态能量值来判别系统稳定性的 由于 暂态能量函数法中不计算实际系统故障后的发电机转 子摇摆曲线 所以临界能量 Vcr 都不是从临界轨迹获 得的 由于临界能量 Vcr 的确定方法不同 形成了不同 的直接暂态稳定分析方法 国内外研究的比较多的暂态 能量函数法主要有相关不稳定平衡点法 RUEP 势 能界面法 PEBS 基于稳定域边界的主导 UEP BCU 法等 各种方法在计算 Vcr 时的近似都会带来误差 1 在 RUEP 法中 主导失稳模式的准确判别是有 困难的 而且 实际多机系统的运动轨迹并不经过 RU EP 点 所以用 RUEP 点的势能作为 Vcr 也有一定的 误差 2 在 PEBS 法中 认为持续故障轨迹 代替临界轨 迹 与势能界面相交的一点就近似地等于 UEP 以该 点的势能作为该故障位置的临界能量 而这种近似是 有条件的 因此会带来误差 3 在 BCU 法中 是用经过主导 UEP 的恒值能量 面 代替稳定流形 去近似出口点的 而且 与 RUEP 法类似 以偏差功率方程为零确定的主导 UEP 点的势 能作为 Vcr 是有误差的 总之 直接法无需数值求解功角摇摆曲线 计算 速度快 能给出稳定裕度 但是一般模型较简单 分 析结果偏保守或乐观 且只能判别首摆稳定性 1 3 混合法 暂态能量函数法只考虑了简单模型的系统 对于 复杂大系统的稳定评估无能为力 同时由于假设机械 功率不变 只能对首摆稳定做出合理的评估 而这些 缺点正是时域仿真法的优势所在 因此 人们又研究 了联合时域仿真技术与直接法的一种方法 即混合法 在混合法中实施数值仿真至故障清除时间以外如同 通常的时域仿真 在仿真过程中运用 PEBS 上的近似 出口点得到一种近似的能量裕度而无需计算 UEP 因 此该法能提供稳定裕度 从而又弥补了时域法的不足 混合法得到了较快的发展 由于该法是两种方法的 联合 具有二者的优缺点 其工程应用主要有二个方 面的问题 一个是计算速度 由于引入了时域仿真计 算 必须提高整个系统的计算速度 一个是稳定裕度 的准确性 混合法中结合了直接法中稳定裕度的计算 直接法本身的一些近似和假设影响了稳定裕度计算 的精度 1 4 扩展等面积 EEAC 法 等面积法则从理论上较为完美地解决了单机 无 穷大系统的暂态稳定评估问题 因此人们投入了大量 的研究将其应用于多机系统中 其中以我国薛禹胜院 士提出的 EEAC 法最为著名 EEAC 法的基本思想是 在给定故障扰动下系统的机组分为临界机组和非临 界机组两群 基于轨迹聚合和保稳变换 分别对这两 群机组用等值机进行动态等效 进而又等值为单机 无穷大系统 从而可利用等面积法则评估系统的暂态 稳定性 EEAC 包括 SEEAC DEEAC 和 IEEAC 三 种形式 与直接法相比 EEAC 法可实现多摆稳定性 判别 但是它评估的正确性依赖于同调群的正确识别 1 5 人工智能法 时域仿真法 直接法 混合法 EEAC 法都是基 于电力系统数学模型和理论的暂稳评估方法 计算精 度和速度难以协调 而人工智能方法可进行非模型的 电力系统暂态稳定判别 具有在线计算速度快 容易 生成决策用的启发规则等优点 因此与传统暂态稳定 分析方法构成了良好的互补 目前 人工智能方法主 要有 模式识别 模糊理论 神经网络 支持向量机 法 有文献针对传统方法难以解决输入特征选择的问 题 提出了一种利用多信息融合技术的支持相量机暂 态稳定评估方法 但是人工智能法在实际应用中的困 难是 难以获取大量的 准确的学习样本 而实际电 力系统运行方式 扰动类型 扰动地点复杂多变 借 助于模拟仿真得到的样本数据可能与电力系统实际运 行情况不符合 缺乏在线自动学习的有效算法 难以 从大量数据中提取有效信息 1 6 轨迹分析法 轨迹分析法雏形是由 A A Fouad 等人在上世纪 80 年代提出根据数值仿真暂稳计算程序计算的结果来确 定发电机的稳定指标和失稳指标的方法 它的基本思 想是由时域法计算出的轨迹信息计算相应的能量 利 用能量分析的方法来定量描述发电机的稳定状况 但 该法所构造的稳定指标过于粗糙 且缺乏理论分析 因此后来成熟的轨迹分析法是在时域法仿真得到的轨 迹信息的基础上 深入分析这些轨迹信息背后的机理 然后提出相应的稳定性判据和稳定裕度 文献 18 利 用数值仿真程序所提供的各发电机在暂态过程中的轨 迹信息 计算各发电机的单机能量函数 分析了故障 后轨迹运行时能量变化的特点 定义了发电机的稳定 测度函数 并证明了稳定测度函数的性质 进而对每 台发电机定义一个稳定指标和不稳定指标 它们定量 地反映了发电机的稳定程度和不稳定程度 轨迹分析 法的显著优点是无需求取临界能量值 但是由于结合 了时域法 因此应用于复杂大系统时存在计算速度和 计算精度相矛盾的问题 2 结论与展望 综上所述 传统的暂态稳定分析方法虽然为电力 系统的暂态稳定分析与控制做出很大的贡献 然而随 着互联电网的动态特性更加复杂多变 分析和控制难 度加剧 这些传统方法大多已不适应电网发展的需要 迫切需要针对互联电网现状的暂态稳定分析方法 目前 PMU 同步相量测量单元 测量技术的出现为暂 态稳定分析的研究提供了新的契机 由多个 PMU 装置 通过通讯设备互联就组成了 WAMS 广域测量系统 如今已陆续在我国电网中装设 未来几年有望在我国 电网中得到普及 WAMS 可提供实时动态轨迹信息 笔者认为 WAMS 实测信息若能和轨迹分析法相结合 将具有实际应用前景 更正 2006 年 09 期 供电企业基层管理发展雏形 分析 作者董金鑫应为董金新 特此更正 1 电力系统稳定性 电力系统稳定性 电力系统稳定性可分为静态稳定 暂态稳定和动态稳电力系统稳定性可分为静态稳定 暂态稳定和动态稳 定 定 1 电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后 不电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后 不 发生非周期性的失步 自动恢复到起始运行状态的能发生非周期性的失步 自动恢复到起始运行状态的能 力 力 2 电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后 电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后 各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢得到原来稳各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢得到原来稳 定运行状态的能力 通常指第一或第二摆不失步 定运行状态的能力 通常指第一或第二摆不失步 3 电力系统动态稳定是指系统受到干扰后 不发生振电力系统动态稳定是指系统受到干扰后 不发生振 幅不断增大的振荡而失步 幅不断增大的振荡而失步 远距离输电线路的输电能力受这远距离输电线路的输电能力受这 3 种稳定能力的限制 种稳定能力的限制 有一个极限 它既不能等于或超过静态稳定极限 也有一个极限 它既不能等于或超过静态稳定极限 也 不能超过暂态稳定极限和动态稳定极限 在我国 由不能超过暂态稳定极限和动态稳定极限 在我国 由 于网架结构薄弱 暂态稳定问题较突出 因而线路输于网架结构薄弱 暂态稳定问题较突出 因而线路输 送能力相对国外来说要小一些 送能力相对国外来说要小一些 2 提高系统稳定的基本措施 提高系统稳定的基本措施 提高系统稳定的措施可以分为两大类 一类是加强网提高系统稳定的措施可以分为两大类 一类是加强网 架结构 另一类是提高系统稳定的控制和采用保护装架结构 另一类是提高系统稳定的控制和采用保护装 置 置 1 加强电网网架 提高系统稳定 线路输送功率能力加强电网网架 提高系统稳定 线路输送功率能力 与线路两端电压之积成正比 而与线路阻抗成反比 与线路两端电压之积成正比 而与线路阻抗成反比 减少线路电抗和维持电压 可提高系统稳定性 增加减少线路电抗和维持电压 可提高系统稳定性 增加 输电线回路数 采用紧凑型线路都可减少线路阻抗 输电线回路数 采用紧凑型线路都可减少线路阻抗 前者造价较高 在线路上装设串联电容是一种有效的前者造价较高 在线路上装设串联电容是一种有效的 减少线路阻抗的方法 比增加线路回路数要经济 串减少线路阻抗的方法 比增加线路回路数要经济 串 连电容的容抗占线路电抗的百分数称为补偿度 一般连电容的容抗占线路电抗的百分数称为补偿度 一般 在在 50 左右 过高将容易引起次同步振荡 在长线路 左右 过高将容易引起次同步振荡 在长线路 中间装设静止无功补偿装置 中间装设静止无功补偿装置 SVC 能有效地保持线 能有效地保持线 路中间电压水平 相当于长线路变成两段短线路 路中间电压水平 相当于长线路变成两段短线路 并 并 快速调整系统无功 是提高系统稳定性的重要手段 快速调整系统无功 是提高系统稳定性的重要手段 2 电力系统稳定控制和保护装置 提高电力系统稳定电力系统稳定控制和保护装置 提高电力系统稳定 性的控制可包括两个方面 性的控制可包括两个方面 失去稳定前 采取措施失去稳定前 采取措施 提高系统的稳定性 提高系统的稳定性 失去稳定后 采取措施重新恢失去稳定后 采取措施重新恢 复新的稳定运行 下面介绍几种主要的稳定控制措施 复新的稳定运行 下面介绍几种主要的稳定控制措施 发电机励磁系统及控制 发电机励磁系统是电力系统发电机励磁系统及控制 发电机励磁系统是电力系统 正常运行必不可少的重要设备 同时 在故障状态能正常运行必不可少的重要设备 同时 在故障状态能 快速调节发电机机端电压 促进电压 电磁功率摆动快速调节发电机机端电压 促进电压 电磁功率摆动 的快速平息 因此 充分发挥其改善系统稳定的潜力的快速平息 因此 充分发挥其改善系统稳定的潜力 是提高系统稳定性最经济的措施 国外得到普遍重视 是提高系统稳定性最经济的措施 国外得到普遍重视 常规励磁系统采用常规励磁系统采用 PID 调节并附加电力系统稳定器调节并附加电力系统稳定器 PSS 既可提高静态稳定又可阻尼低频振荡 提高 既可提高静态稳定又可阻尼低频振荡 提高 动态稳定性 目前国外较多的是采用快速高顶值可控动态稳定性 目前国外较多的是采用快速高顶值可控 硅励磁系统 配以高放大倍数调节器和硅励磁系统 配以高放大倍数调节器和 PSS 装置 这装置 这 样可同时提高静态 暂态和动态样可同时提高静态 暂态和动态 3 种稳定性 种稳定性 电气制动及其控制装置 在系统发生故障瞬间 送端电气制动及其控制装置 在系统发生故障瞬间 送端 发电机输出电磁功率下降 而原动机功率不变 产生发电机输出电磁功率下降 而原动机功率不变 产生 过剩功率 使发电机与系统间的功角加大 如不采取过剩功率 使发电机与系统间的功角加大 如不采取 措施 发电机将失步 在短路瞬间投入与发电机并联措施 发电机将失步 在短路瞬间投入与发电机并联 的制动电阻 吸收剩余功率 即电气制动 的制动电阻 吸收剩余功率 即电气制动 是一种有 是一种有 效的提高暂态稳定的措施 效的提高暂态稳定的措施 快关汽门及其控制 在系统发生故障时 另一项减少快关汽门及其控制 在系统发生故障时 另一项减少 功率不平衡的措施是快关汽门 以减少发电机输入功功率不平衡的措施是快关汽门 以减少发电机输入功 率 用控制汽轮机的中间阀门实现快关汽门可有效提率 用控制汽轮机的中间阀门实现快关汽门可有效提 高暂态稳定性 但是 它的实现要解决比较复杂的技高暂态稳定