华北电力大学电力系统稳定性分析第三章 复杂电力系统暂态稳定分析

NorthChinaElectricPowerUniversityDepartmentofElectricalEngineeringBaoding2008.09-12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、长期稳定性研究第三章复杂电力系统暂态稳定性分析一．概述二．多机电力系统暂态稳定性计算—显式积分方法三．多机电力系统暂态稳定性计算—隐式积分方法四．暂态稳定性分析的直接法第一节概述电力系统暂态稳定性是电力系统在一个特定的大干扰情况下，能恢复到原始的（或接近原始的）运行方式，并保持同步发电机同步运行的能力。大干扰一般指短路故障（单相接地，两相短路或接地，三相短路），一般假定这些故障出现在线路上，也可以考虑发生在变压器或母线上。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析在发生这些故障后，可以借断路器断开故障元件来消除故障。快速重合闸的应用可以使断开的系统元件重新投入运行，但是可能是成功的，也可能是不成功的。前者对应于瞬时故障，将使电力系统在故障后很快地恢复到原始运行状态；后者对应于永久性故障，将使故障元件重新断开，经过一定的处理才能恢复到原始运行状态。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析故障发生后，根据干扰的大小，发电机送出的功率发生不同程度的突变，因此不同的故障类型和不同的故障地点对稳定性的影响也是不同的。三相短路最严重（一般占短路总数的5%~10%），最轻的是单相短路（占75%~90%）。其它的大干扰可以是突然断开一大容量发电机组，突然投入一大负荷或断开一条线路等。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析稳定极限一般是指在给定电力系统运行方式下能通过某一特定线路的最大功率。静态稳定极限是指在小干扰下某一特定线路能输送的最大功率；暂态稳定极限与假定的干扰形式和大小有关。指定的干扰（包括故障类型，地点，切除时间等）越大，暂态稳定极限就越小。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析图3-1表示在一简单系统中，按暂态稳定确定的极限输送功率与故障类型及故障切除时间的关系。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析在实际工作中，除了用输送功率来确定暂态稳定性外，也有用其它间接的量来评价其暂态稳定性能，如对一特定故障的最大允许切除时间，或者在一给定故障保证稳定所需最小切除发电机容量等。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析从实际运行的观点看，暂态稳定性的研究分析比静态稳定性研究更重要，因为暂态稳定的极限一般比静态稳定极限要小，所以电力系统设计和运行首先要满足电力系统暂态稳定性的要求。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析电力系统暂态稳定性的研究要求解电力系统（包括发电机，负荷）在大干扰下的动态特性，也即由电力系统机电方程式所描述的发电机转子和相应的电压和电流等运行状态变量的变化，并考虑某些自动控制系统对系统动态行为的影响。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析电力系统是一个非线性系统，系统的稳定性既与初始条件有关，又与系统运行的参数变化有关，所以在大干扰下，不能再用研究静态稳定性的线性化方法。因此，到目前为止，对电力系统暂态稳定性的实际研究主要是用计算机进行数值积分计算（常用的如四阶龙格—库塔法）的方法来进行，逐时段求解描述电力系统运行状态的微分方程组，从而得到动态过程中状态变量的变化规律，并用以判断电力系统的稳定性。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析数值积分计算方法的缺点是计算工作量大，同时仅能给出电力系统的动态变化过程，而不能给出明确判别电力系统稳定性的依据。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析虽然在开发暂态稳定计算方法和程序上已作了很大努力，但对于日益增大的电力系统，庞大的计算工作量仍是一个困难的问题。计算机性能的快速提高为解决这个问题提供了有利的条件，但这种性能的提高有一大部分被提高电力系统模拟精度和需要更多，更大规模的计算所抵消。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析在实际应用中，为了克服模拟非线性（或断续的）系统元件的困难，提供一快速而正确的算法是暂态稳定研究的主要方面。特别是在实际运行中，希望能根据某些实时的运行参数，通过简单的在线计算，随时给出在线安全分析需要的电力系统稳定性指标。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析大型电力系统的暂态稳定研究需要很多电力系统元件的数据，其中有些数据往往是不完备的，具有不同程度上的误差，而且实际电力系统的这些参数往往是不断变化的，这也为准确模拟电力系统带来困难。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析暂态稳定的计算结果，将输出很多数据及相应的曲线，要求能正确地解释这些结果，稳定还是不稳定？保护及控制装置是否正确动作？所以，对暂态稳定的输出结果进行快速的分析，并得出明确的结论，也是实际计算中要注意的问题。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析实际的暂态稳定研究由于研究方法和手段的限制，往往是在很多简化的基础上进行的。简化的目的是减轻计算工作量，同时突出研究问题的重点，但不可避免地要影响计算结果，使所研究的过程发生一定程度的变化。根据不同的研究目的，在实际工作中，一般采用的简化有：第三章复杂电力系统暂态稳定性分析①将一个发电厂内的所有发电机用一等值发电机代表。这个假定在目前的大系统计算中仍在应用，除非需要特别研究某些机组的特定性能时，才分别考虑某些指定的机组。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析②一般不计所有元件中由电磁过程引起的电流和电压的非周期分量。这样将使发电机功率，定子电流，励磁电流中的自由分量在出现干扰的瞬间发生突变。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析忽略发电机定子电流的非周期分量表示不考虑由该分量与转子励磁相互作用所产生的附加脉动转矩，这一转矩将影响转子的平均转差，并引起附加损耗。在简化计算中，这一损耗可用增加等效电阻15%~20%（有时50%~100%）来考虑。一般情况下，不考虑这一因素时，将得到较大的角度变化，可用来补偿计算中可能出现的误差。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析③暂态电抗后的电动势近似地与磁链成正比。假定，相当于故障瞬间励磁绕组“磁链守恒”。实际上，磁链虽不能突变，但可随时间的推移而发生变化。电枢反应要使磁链减小，而自动励磁调节的作用与电枢反应的作用相反。'dx'ECE'第三章复杂电力系统暂态稳定性分析在故障及振荡期间，电枢反应可近似地假定被励磁调节所补偿，以保证在第一振荡周期的磁链不发生很大的变化。所以，对具有自动励磁调节系统的发电机这是一种很合理的简化。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析同时可以忽略发电机的凸极效应和饱和效应。凸极效应一般对暂态稳定极限的影响较小，虽然在考虑或不考虑（即在后的电动势恒定）这一效应时，转子角的位置是不同的。'dx第三章复杂电力系统暂态稳定性分析'E当干扰较严重，特别是在持续几个振荡周期时，磁链恒定的假定会有较大误差，这时要考虑磁链变化，就要考虑励磁系统的作用。饱和效应可以近似地认为发电机的实际电抗比空载时的电抗小。在考虑后的电动势为恒定时，可取饱和的暂态电抗；如取交轴电动势为恒定时，。'dx'E''8.0~6.0ddbxx'qE''9.0~8.0ddbxx第三章复杂电力系统暂态稳定性分析④在一般分析故障后第一振荡周期暂态稳定的计算方法中，假定转子转速与同步转速的差别很小（一般设为1%~2%），所以用标么值表示时，转矩和功率的值可以认为是相等的。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析发电机组的输入功率可设为恒定。因为故障后第一振荡周期一般小于1s，在这样短的时间里，可以忽略调速器的作用。因为机械式调速器一般有一死区，在第一振荡周期，转子转速的变化往往还不足以达到这一转速。但对于现代化的电液调速器，这种假定往往会有很大误差，特别是当大干扰后要考虑较长时间的动态稳定时，就要计及机械输入功率的变化。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析⑤忽略阻尼作用。电力系统由于本身的电阻，发电机的阻尼绕组，原动机调速器或者负荷以及发电机组的机械阻尼等因素，会引起一定的阻尼作用，忽略这种不太能精确表示的阻尼作用直接影响故障后第一振荡周期的角度大小。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析在电力系统发展的最初阶段，由于没有很多先进的自动调节装置，电力系统本身的阻尼作用大多数是正的，即阻尼转矩的作用是促进电力系统振荡平息的。所以，忽略阻尼转矩的作用，往往使计算有一定的安全余度（结果保守）。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析以前一般认为如果在故障后第一振荡周期不失步的话，在随后的几个周期中将由于电力系统本身的阻尼作用使振荡衰减，回复到稳态正常运行方式。因此，在以研究电力系统的稳定极限为主要目的，而不是模拟实际电力系统对一给定干扰的反应时，忽略阻尼转矩是允许的。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析目前，在电力系统自动调节装置得到广泛的应用，由于自动调节装置参数的影响，在很多情况下会出现负阻尼现象，即电力系统振荡不断增大，以至失去同步。因此，在很多情况下研究电力系统稳定性及较长时间的动态过程时，已不能再应用忽略阻尼转矩作用的假定。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析⑥负荷用等值阻抗来表示，使其成为网络的线性元件，便于进行计算和分析。在早期的电力系统，负荷集中在受端中心，电压变化不大，这种假定也是允许的。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析但当负荷端的电压和频率发生很大变化时，这种假定往往会带来较大误差。负荷—电压特性和负荷—频率特性对稳定极限的作用与电力系统本身的特点，干扰的位置以及负荷在电力系统的位置有关。负荷特性又对电力系统阻尼作用有影响，特别是负荷—频率特性。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析⑦接线图的等值化。为了便于稳定性计算，有时将电力系统的接线图进行简化。根据计算目的和原始接线图结构的不同，可用较严格的等值化方法进行简化，或用近似的方法进行简化。如用一个等值的发电厂或负荷来代替几个不大的发电厂或负荷，将发电厂或负荷移置于邻近的发电厂或负荷的连接点，开断弱联系，合并以短线路连接的节点等。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析研究受端电力系统短路时的电力系统暂态稳定，应该用足够严格的等值化方法模拟发生故障的那部分电力系统，较不严格的方法仅能用来对远离短路点的那部分电力系统进行等值化。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析在减少计算中的发电厂数目时，为了避免很大的误差，不主张将相对参数（电抗，惯性常数等）相差很大，与所研究的短路点距离相差很大以及发电机母线电压上负荷相对值相差很大的发电厂合并。也不希望将发电机和同步调相机合并。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析为缩减负荷数目而简化计算用接线图时，应该注意负荷的功率及其在电力系统的地位。在要求很准确的计算时，应该避免将负荷从发电机电压母线移置到变电所的高压母线，因为这样的移置会对计算结果产生较大的影响。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析在暂态稳定分析中还有一些其它假定，如只计算基波电流和电压，发电机转速的变化不影响电力系统阻抗和电压值等。最后，简要的说明有关研究暂态稳定的几个问题。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析①在联合电力系统中往往不能用简单的等值网络来模拟各部分电网间的相互影响和作用，而要较完整和详尽地来计算大系统的行为。在这种研究中，不仅要研究故障后的电力系统暂态稳定过程，而且还要研究切除发电机（由于失步或提高稳定的需要而自动切除），切负荷，系统解列等操作控制的影响。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析所以这种模拟计算变成一般性的电力系统动态行为计算，需要模拟很大规模的网络和详细的元件模型（发电机，原动机，动态负荷，继电保护，电压调节器，调速器，锅炉控制等），而且模拟时间可达几秒到几分钟。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析在互联的弱系统中，不稳定往往是振荡形的，即不断增大振幅的发散型振荡，而其周期又很长（达几秒钟），所以要在时域上判断其是否稳定需要计算很长的时间（如十几秒）。电力系统规模的扩大及计算时间的延长，增加了对计算机容量和速度的要求，也要注意软件的能力和效率，同时要关心电力系统和设备所需模型的精度。第三章复杂电力系统暂态稳定性分析②改进模型精度是个老问题，同时要注意模型所需数据的测量值和估计