电力系统中长期稳定性分析课件.ppt

1、,North China Electric Power University,Department of Electrical Engineering,Baoding 2008.09-12,电力系统稳定性分析,目 录,一概述,二复杂电力系统静态稳定分析,四电力系统低频振荡分析及解决方法,三复杂电力系统暂态稳定性分析,五电力系统电压稳定性分析及处理措施,六电力系统中、长期稳定性研究,第六章电力系统中、长期稳定性研究,一概述,二严重扰动时的发电厂响应,三中长期动态响应的模拟,第一节 概述 电力系统的中长期稳定性与电力系统对严重扰动的响应相关。这些严重扰动使系统的频率、电压、潮流产生较大及持续的偏移

2、，以致引起系统一些较慢的动态过程的变化、保护和控制系统的动作等等，这些现象在一般的暂态稳定研究中是不模拟的。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,本章简单介绍系统承受严重扰动时的响应，介绍模拟中长期动态过程时对模型的要求及分析技术。此外，还给出了增强电力系统应付严重扰动的能力的一些基本原则。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,一、电力系统的中长期动态过程 研究系统的中长期动态过程时，将电力系统的运行状况构想成图6-1所示的五种状态是很有帮助的。在正常状态下，系统所有运行变量都在额定范围内，没有过负荷的设备。系统运行于安全的方式下，能够承受偶然事故而不超出任何约束条件。,第六章电力系统中、长期稳定

3、性研究,图6-1 电力系统运行状态,第六章电力系统中、长期稳定性研究,对实际系统的调查表明，某些导致系统故障的事件存在如图6-2所示的方式。图6-2给出了由警戒状态向极端状态转移的一些事件。起始事件可能为一种自然原因的干扰、设备的一次误动或一些人为的因素。现代电力系统应按最可能发生的事故进行设计和操作，以确保安全运行。绝大多数情况下，电力系统能承受任何单一事故及许多多重事故。保护和控制系统的动作阻止了扰动传至电网的其他部分。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,图6-2 严重扰动时系统状态的转移,第六章电力系统中、长期稳定性研究,然而，偶而会有一种不经常发生的情况和事件的组合，造成互联系统的一部

4、分完全解列并形成一个或多个电气上孤立的电网。起始事件通常为较正常设计远为严重的事故，例如由闪电、冰雹或通信设备的误动引起的几条输电线跳开。由起始事件引发的一些事件，使系统状况进一步恶化，从而造成不可控的连锁性停运。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,在后续的状况中，可能存在频率的大范围波动(48-53Hz)和电压的大幅度变化(为扰动前的50-120)，使系统状况恶化至极端状态，结果使系统失去相当大部分负荷。在这些情况下，控制系统和保护系统的动作将支配系统的响应。但系统状况常常因保护和控制系统的协调不良而恶化。紧急控制的目的就是尽可能多地挽救系统以避免整体瓦解。,第六章电力系统中、长期稳定性研究

5、,二、系统解列时孤岛的运行状况 系统对孤岛运行状况的响应基本为一持续的频率动态过程。因此在确定系统动态特性时，速度控制及随后的原动机和能量供应系统的响应起着主要作用。同时还常常伴随着电压偏高或偏低的现象。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,1发电量不足的孤立电网 在一个总发电出力小于总负荷的子电网中，频率将下降。如该电网的旋转备用充足，几秒钟内系统频率便可恢复到接近正常值。若是能快速增加的发电量不足，则频率可能降低到导致低频保护继电器动作切除火电机组，使情况更为严重。因此，通常采用低周减载方案，将子电网中的负荷减少，使现有发电量满足负荷需求。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,因此，在一个发电

6、量不足的孤立电网中，系统初始的暂态过程取决于发电厂旋转备用和低周减载的响应。几秒钟内便可到达频率的最低值。过了该点后，系统频率响应取决于原动机及其调速器的特性。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,2发电量过剩的孤立电网 在一个发电量过剩的孤立电网中，频率将上升，调速系统的响应将降低汽轮机产生的机械功率。实际上发电厂经受了一次“部分甩负荷”。该孤立电网的性能及其维持稳定而不失负荷的能力取决于电厂承受部分甩负荷的能力。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,3无功功率平衡 孤立电网的性能也受电网无功功率平衡的影响。无功出力和无功负荷的严重不平衡会导致电压偏高或偏低的情况。发电机过励欠励限制器可能会动作

7、。极端情况下，保护会导致发电机组跳闸。例如，孤立电网超高压线路和或电缆轻载时，会使发电机吸收大量的无功功率，若不迅速调整，则发电机会因失磁保护而切机。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,4发电厂厂用电 供电电压和频率的变化，特别是下降，会降低由感应电动机驱动的发电厂辅机性能。如循环水、冷凝水、加热器疏水及给水相关的泵。这些泵的性能下降可能导致冷凝器失去真空、汽轮机排汽温度增高以及冷凝水给水流量不足。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,许多核电厂有低电压和低频率继电器，当电压过低(典型值为额定值的70)和频率过低 (典型值为49.2Hz) 时断开电厂。 发电厂的电动机，通常在其起动和保护回路中应

8、用电磁式接触器和继电器，当发生严重的或长时间的电压下降时，这些接触器和继电器将动作使电动机与电源断开。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,5系统恢复 当孤立电网达到稳态时，运行人员将分步恢复互联系统。这涉及到调整每个孤立电网的发电和负荷，使这些孤立电网再同步及恢复系统扰动时切除的发电机组、负荷和其他设备。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,火电机组的起动和重带负荷要受一些因素制约，故需数小时才能使机组带满负荷。如果火电机组可快速重带负荷，则电力的恢复能大大加快。电力公司经常采用的有以下实施方法： (1).在电厂与电网解列时熄火，并靠锅炉的余热维持约20分钟。 (2).同(1)，但重新点燃锅炉，

9、靠点火燃烧器维持锅炉运行。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,(3).在极低负荷下应用特殊燃烧技术。 (4).锅炉维持于满功率状态或降功率运行于最低负荷，过剩蒸汽排入大气并从给水储存中抽水，通常可维持数小时。 (5).锅炉维持在最低负荷并将过剩蒸汽旁路至冷凝器。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,三、电力系统的中期稳定性和长期稳定性 长期稳定和中期稳定是有关电力系统稳定的文献中的一些新术语。引入这些术语是为了研究电力系统对大干扰动态响应的相关问题。 长期稳定性分析时假定发电机间的同步功率振荡已得到阻尼平息，系统频率趋于均一。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,研究重点为伴随系统扰动的较缓慢和较

10、长持续时间的动态现象及其由此造成的有功和无功出力与负荷间的持续失衡过程。火电机组的锅炉、水电机组进水管和导水管等的动态过程、自动发电控制、发电厂和输电系统的保护及控制、变压器饱和以及负荷和网络的非额定效应均可能对此产生重要影响。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,中期稳定性研究的是暂态响应和长期响应间的转换过程。研究中期稳定时，重点放在发电机间的同步功率振荡、某些缓慢现象的影响以及可能存在的大的电压和或频率偏移。 显然，中期稳定与长期稳定的区别是很小的。长期稳定不同于中期稳定之处，在于它假设系统频率是均一的，且快速动态不再值得注意了。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,如果分析工具需要这些假设

11、而使模拟更为方便的话，则上述这点是很有帮助的。但是借助于应用先进的稀疏技术和有效的隐式积分技术的现代软件，模拟带有快速动态模型的长时间动态过程正在成为不是太困难的事情。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,就涉及的模型而言，中期和长期的时间区间没有很明确的区别。对于超过暂态变化的时段，仿真时对模型的选择应基于分析的现象和所用的系统表达形式，而不基于实际的仿真持续时间。例如，中期仿真中，忽略锅炉动态过程或蒸汽过程控制，对于有些扰动的仿真是可以接受的，因为扰动对这些动态过程的作用很小。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,然而，有些较为严重的扰动可能会引起与一些变量如蒸汽压力相关的保护动作，对于这些扰

12、动，忽略这些缓慢的动态过程，会对仿真结果产生巨大影响。经验表明，在长期稳定研究中，有必要描述发电机间振荡和与励磁系统相关的快速暂态过程。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,根据固定的时间分区来区别中期稳定和长期稳定，是不能令人满意的，而根据模型的需要来区别，也同样不能令人满意。因此，在对严重的系统扰动有关的稳定问题分类时趋向于用中长期稳定性或直接用长期稳定性代表中期稳定和长期稳定的概念，而不刻意去区别中期稳定性和长期稳定性。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,系统的中长期稳定性可描述为在遭受严重扰动后，系统能达到可接受的运行平衡状态的能力，这种扰动可能会也可能不会导致系统解列为一些子系统，而感

13、兴趣的时间范围超过了暂态时段。因此除了包括快速动态过程外，还要包括系统自动控制和保护的缓慢动态过程。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,长期仿真可包括一些超出正常设计的严重扰动，这些扰动导致了电力系统发生连锁性反应，并解列成一些孤立电网，每个孤立电网中的发电机仍保持同步。此时的稳定问题为是否每个孤立网能达到一个可以接受的运行平衡状态，并对供电的破坏最小。在极端情况下，系统和机组的保护会加剧不利的情况，并导致孤立电网整体或部分崩溃。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,通常，中长期稳定性问题与不适当的设备响应、控制和保护设备的协调不良或有功功率无功功率储备不足有关。 由大的电压和频率变化起动的过程

14、和装置的特征时间，其范围从大约几秒钟至几分钟，前者对应于如发电机控制和保护装置的响应，后者对应于诸如原动机供能系统和负载-电压调节器等装置的响应。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,从分析的观点出发，中长期稳定程序已成为暂态稳定程序的扩展，并具有所需的根据主导暂态过程调整积分时间步长的能力。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,中长期稳定性仿真的一个令人感兴趣的应用便是电压稳定性动态分析，其中需模拟变压器分接头变化、发电机过励保护和无功功率限制、恒温负荷的影响等。这种情况下，发电机间振荡显得不很重要，供能系统暂态也非关键。然而，若要忽略某些快速动态过程，则事先必须经谨慎推敲。,第六章电力系统中、

15、长期稳定性研究,第二节 严重扰动时的发电厂响应 一、火电厂 为使严重扰动时电力系统经受的冲击最小，并迅速恢复正常运行，电厂经受部分甩负荷而仍维持运行的能力是很关键的。 IEEE工作小组提供了增强发电厂对部分甩负荷响应能力的一些指导原则。以下为这些导则的概要：,第六章电力系统中、长期稳定性研究,(1)全厂控制。为承受部分甩负荷，全厂控制必须迅速地将输入功率(燃料流量)降低到与输出电功率相适应水平。由于功率下降过程存在时滞，功率输入量必须短时低于功率输出量。确定输入功率降低量的理想信号源为实际功率输出。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,(2)锅炉控制。若无汽机旁路系统，部分甩负荷对锅炉而言就像蒸

16、汽流量的一个阶跃下降。正如上所述，燃料流量的迅速减少是重要的。 对直流锅炉而言，为与燃料流量配合，须迅速降低给水流量。然而，直流锅炉通常具有有限的过热器汽机旁路系统，以保护炉管和帮助压力控制。这种旁路能力可用于减缓燃料和给水流量的降低速率。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,对汽包型锅炉，给水流量的降低应该延迟，因为汽包水位的立即响应是随着蒸汽流量变化及由此形成的汽包压力的上升而使水位下降。此外，在较低的功率水平上需要过量给水以获得高位存水量。对蒸汽流量大的变化，适当的水位控制非常重要。为增强部分甩负荷时水位控制能力，应考虑临时地增加高低水位跳闸极限间的范围，或延迟对高给水流量的跳闸。,第六章

17、电力系统中、长期稳定性研究,对这两类锅炉，空气流量减少一般均需有一定的时延，因为过剩气流的冷却作用将补偿燃料流量响应的时滞。然而，正在运行的燃烧器空气流量必须根据燃料流量进行控制，以维持稳定燃烧。 对由辅助汽轮机驱动的给水泵，中间截止阀的关闭将中断汽流，因而，必须为辅助汽轮机提供一个替代的汽源，或切换至由电动机驱动的给水泵。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,(3)汽轮机-发电机控制。汽轮机过速控制将设计成：在甩全部负荷后的过速，限制在过速切机整定值以下1左右。显然这将防止部分甩负荷时的过速跳闸。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,当控制阀和中间截止阀关闭时，没有汽流通过汽轮机。如果流经再热器

18、的蒸汽持续中断，为防止再热器管道过热，锅炉必须熄火。然而，由于蒸汽阀的关闭是暂时的，在锅炉保护以及燃料控制和汽轮机控制间进行适当的协调，锅炉熄火是可以避免的。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,此外，过速控制必须： (i)不干扰正常的速度调节，以免孤立系统的性能受到不利的影响； (ii)能够区分机组甩负荷与系统暂态扰动，如可能暂时降低机组功率的输电系统故障。 (4)发电厂辅机。部分甩负荷情况下经受的电压和频率变化的影响应予以校核，以确保主要辅机不会跳闸。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,(5)汽轮机旁路系统。蒸汽旁路系统的采用使锅炉功率可按可控的方式下降。设计良好的汽轮机旁路系统能大大增强发

19、电厂承受部分甩负荷的能力。 通常核电厂都有汽轮机旁路系统。在北美，带有汽包型锅炉燃烧矿物燃料的发电厂通常不配备汽轮机旁路系统。具有直流锅炉的发电厂配有汽轮机和过热器旁路系统。安装这些设备主要用于起动和停运。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,二、水电厂 系统解列时，水力机组的运行经验表明调速器的调整很关键。在电网解列或其他孤立运行方式下，速度控制应具有良好的稳定性，这一要求与在正常同步运行条件下需要快速带负荷和卸负荷的调速器整定相矛盾。为了快速改变负荷，要求有较快的调速器响应速度。但快速响应的调速器在系统解列时，经常会造成频率不稳定。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,用于控制发电机组动态性能

20、的可调的调速器整定值为缓冲器复位时间 、暂态调差系数 和闸门伺服系统增益 。分析这些参数变化对频率稳定性影响的一种方便的方法为特征值分析法。为确定最优调速器参数，必须考虑给一个孤立的非同步负荷供电的发电机组的稳定性。从频率控制观点出发，这也代表了最严格的条件。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,表6.1列出了调速器参数变化对一台水力机组稳定性的影响，该机组的机械起动时间，水力起动时间。假定机组以额定功率供电给具有恒定功率特性的孤立负荷。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,表6.1 孤立运行方式下调速器参数的影响,第六章电力系统中、长期稳定性研究,表6.1列出了与三种模式相关的特征值，这三种模式

21、对调速器参数变化均很敏感。 第一种模式是一种振荡模式，它由一对共轭复数特征值来表示，并具有 频率。该模式的稳定性是孤立运行和系统解列时最为关切的事。所列的其他两种模式为由实数特征值表示的非振荡模式。实数特征值的倒数代表了时间常数，它是调速器在孤立运行条件下响应性的量度。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,在孤立运行情况下，主要关注的是为确保振荡能得到良好阻尼而对调速器参数进行选择。孤立网形成后，由于响应速度会影响最大的频率偏差，因而要求参数选择时不要过分减慢响应速度。表6.1的结果显示，调速器参数变化，对孤立网运行条件下的机组动态具有下列影响：,第六章电力系统中、长期稳定性研究,缓冲器(das

22、hpot)复归时间 增加会造成阻尼增加，并伴随响应速率降低。 暂态调差系数 增加会使阻尼增加且达到稳态的过渡时间略微减少。 伺服系统增益 增加会使响应速率及阻尼特性改善。响应速率改善主要通过与模式3有关的时间常数减小而获得。 表6.1即为调速器参数选择组合的结果，用以说明问题的整体性质。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,由于参数的组合数量可能很大，且模式1的阻尼特性是最令人关心的，因而通过将结果表达成图6.3的形式，可以更好地进行最佳调速器参数选择。结果可以 参数平面中恒定阻尼比 的轨迹形式表达，此时 保持恒定。自然振荡频率变化也示于图中。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,图6.3 孤立运

23、行恒定阻尼比 的轨迹,第六章电力系统中、长期稳定性研究,结果显示，当机组的 ， 时， 如 小于 及 小于 时，将导致频率振荡。当 从 增至约 ，阻尼会大大增加。当 超过 时，阻尼仅有少量改善，但要付出响应速度降低的代价。这表明， 的合适数值约为 。可以选择 的值以得到任何需要的阻尼比。阻尼比的较好数值为 ，这可通过整定 ， 而得到。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,更高的 值可使阻尼更大，且达到稳态的过渡时间略有降低。然而，当 值较高时，峰值过调量或最大频率偏差也会更大。 伺服系统增益 的作用示于图6.4。这些结果为图6.3结果的扩展，示出了三种 值时 (绝对稳定限)和 的轨迹。由图可见，在

24、所考虑的 和 的全范围内，较大的 值可增加稳定域。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,对具有不同的水力和机械起动时间组合的机组进行的类似分析表明，暂态调差系数 和复归时间 的最佳选择可由下列各式表达：,第六章电力系统中、长期稳定性研究,此外，伺服系统增益 应按实际可能的高值整定。上述整定值保证了当机组以满负荷向一个孤立负荷供电时的良好稳定性能，这代表了最严格的要求，从而确保了在系统解列的所有情况下的稳定运行。 对于正常运行时的带负荷，上述整定结果降低了响应速度。为得到满意的带负荷速率，复归时间 应小于 ，最好取接近 。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,这些相互矛盾的要求可通过缓冲器旁路布置得

25、到协调。当缓冲器不旁路时，整定值可以满足系统处解列状态或孤立运行时的要求；而当缓冲器旁路时，复归时间 的值降低，使带负荷速率可以接受。缓冲器正常情况下是不旁路的，因此当发生导致电网解列运行的干扰，速度控制将会稳定。对于带负荷和减负荷的短暂时期，缓冲器将予以旁路。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,第三节 中长期动态响应的模拟 一、 中长期动态模拟的目的 中长期动态分析的目的包括下列几点： (1)严重扰动的事后分析。这将有助于搞清发生此类事件的内在原因及研究处理措施。 (2)对发电厂经受扰动的能力进行评估。这将有助于搞清设备的响应及控制和保护系统协调中的缺陷。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,

26、(3)在系统规划和设计阶段，考核系统对极端严重偶发事故的响应，这种事故的严重性已超出正常设计的事故。极端严重偶发事故估计的目的为研究措施以减少发生此类事故的频度并减轻其后果。 (4)考查事故过程并提供操作员培训。 (5)对减负荷的实施情况和策略进行评估。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,二、 模型要求 中长期稳定仿真程序除了包括常规暂态稳定仿真中应用的模型外，还应包括原动机和能量供应系统的适当的模型。也应包括那些用于宽范围的保护和控制系统的适当的模型，当系统处于紧急和极端严重状态下，需要这些保护和控制系统发挥作用。,第六章电力系统中、长期稳定性研究,对电力系统重大扰动的调查表明，当系统遭受严

27、重干扰时，下列保护和控制装置对系统动态性能具有重大影响： 1发电机和励磁系统保护及控制 失磁继电器 欠励磁限制器(UEL) 过励磁限制器(OXL) 电压频率(VHz)限制器和保护,第六章电力系统中、长期稳定性研究,2电网保护和控制 输电系统继电器 配电系统继电器 变压器带负荷分接头切换装置(ULTC)控制 配电系统电压调节器 低频和低电压减负荷继电器,第六章电力系统中、长期稳定性研究,3原动机供能系统保护和控制 涡轮机过速控制和保护 涡轮机低周保护 锅炉反应堆控制和保护 自动发电控制(ACC) 原动机和能量供应系统的描述中应包括电厂辅机的适当表示方法。驱动某些电厂辅机的感应电动机会受供电电源的