电力系统分析 第八课

天津大学天津大学魏炜魏炜电力系统分析第八讲第八讲电力系统稳定性电力系统稳定性基本概念基本概念二零一零年二零一零年8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述电力系统稳定性：是指电力系统在运行过程中受到扰动后，能否凭借自身的调整或控制设备的作用，恢复到原有稳定运行状态，或过渡到一个新的可接受的稳定运行状态并继续运行的能力。电力系统已成为现代人类社会的基础设施，具有分布地域广，设备众多，运行环境复杂等特点，在电力系统运行过程中，随时会受到来自周围环境的各种扰动，因此深入研究电力系统各类稳定性问题，对系统稳定运行意义重大。8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述‡电力系统是国家的重大基础设施，其安全稳定运行是关乎国计民生的重大问题。2003.8.14美加大停电、2003.9.30意大利、2005.5.25莫斯科大停电等。‡在我国，全国联网、三峡电站、西电东输、交直流互联、长距离特高压(750/1000)输电等一大批跨世纪工程的实施，在推动我国经济大发展的同时，也使得我国电力系统运行环境更为复杂(2003年全国联网的超低频振荡、2005年华中的三峡电站导致的系统振荡)、2005年蒙西局部振荡、2006年的河南电网振荡事故。8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述‡我国经济发展的不平衡，经济发达地区(东南沿海)极易受到恶劣天气的影响，如2005.9.26凌晨1时，台风“达维”以55m/s的速度向海南岛东部沿海推进。造成电厂连续跳机解列，最终导致海南电网全部瓦解，引发全省范围的大面积停电，85分后电网才恢复运行。无论是工业界还是学术界，对我国电网发展过程中所面临的稳定性问题非常关注8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述京沪穗大中心负荷区受征地/环保/短路容量限制，外购电源比例越来越大,单回输电线输送容量大，暂态电压稳定威胁严重！西电东送容量约1.2亿千瓦，500KV直流需40条！500KV交流需120条！受路径严重制约，大幅度提高输电极限是必然需求！8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述华中华中CentralCentral华东华东EastEast华北华北NorthNorth东北东北NortheastNortheast川渝川渝ChuanYuChuanYu福建福建FujiaFujiann高－双回线姜邯－获线三－万线葛－上直流龙－政直流福－双线南方南方电网电网云贵-广东：2000公里链式交直流同步电网东北-川瑜4千公里链式同步网实际接线西北西北WestnorthWestnorth8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述全国联网示意图8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述‡20世纪初，孙中山首提开发三峡设想‡建国初期，毛泽东同志“截断巫山云雨，高峡出平湖”‡1994.12.14三峡工程正式破土动工‡1997.11.8三峡大坝成功截流‡2002.11.6三峡电站大坝合拢‡2003.6.12首台机组正式并网发电‡2003年发电55亿度；2004年338亿；2005年500亿；2006年492.49亿度(干旱)；2007年468.12亿；2008前三季624.54亿度，(年均847亿度)…三峡大型水电工程8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述1.功角稳定性和电压稳定性早期建立的(交流)电力系统主要依城市而建设，由多台交流发电机(发电厂)联网向附近的电力用户供电，电网规模较小。系统得以稳定运行的前提是所有联网运行的发电机具有大小相等且接近恒定不变的电角速度——发电机保持同步，因此这类稳定性常被称为功角稳定性或同步稳定性。功角失稳常伴随发电机转子间的振荡，并导致它们之间功角差的持续拉大。在电力系统发展的很长一段时间里，有关功角稳定性的研究都是电力系统学术界和工业界关注的重点。8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述随着人类社会对电力需求的不断增长，电力系统规模不断扩大，电网互联日益普遍，运行环境更为复杂，位于远方的水、火电厂，往往要通过长距离的交流输电线路将大量的电能输送到负荷中心。当系统因负荷过重、无功补偿不足或发生严重故障，可能会造成一些关键节点的电压出现不可逆转地持续下降，或者电压长期滞留在安全运行所不能容许的低水平上难以恢复，而此时系统中的发电机仍保持同步，则称系统发生了电压失稳。电压失稳和由之引发的大面积停电事故(电压崩溃)，是电力系统在发展到一定阶段后出现的一种有别于功角失稳的全新现象，对该问题的研究就引出了电力系统另一种重要的稳定性概念——电压稳定性。8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述2.电力系统稳定性的分类1)按照失稳场景划分，可分为电力系统功角稳定性和电压稳定性，前者主要关注发电机能否保持同步运行，后者则主要关注扰动发生后系统关键节点电压幅值能否保持合理水平。现代工业负荷以感应电动机为主，在远离电源的负荷中心，当系统出现故障后，能否保持感应电动机平稳运行的问题，则涉及电力系统的负荷稳定性。8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述2)按照受扰大小划分，可分为潮流稳定性，小扰动稳定性和大扰动后的暂态稳定性。潮流稳定性：指电力系统在运行工况(网络连接方式，负荷分布和发电计划)已知情况下，具有合理潮流解的能力，即在运行工况已知情况下，系统潮流方程是否有解，若有解系统关键设备的主要运行参数是否处于合理水平。存在合理的潮流解，是电力系统可稳态运行的前提。小扰动稳定性：指系统的正常运行情况下，受到微小扰动后能否独立地恢复到原有运行状态的能力。由于电力系统在运行过程中，不可避免的随时会受到各类微小的扰动，因此保证其小扰动稳定性是电力系统运行中最基本的要求。8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述暂态稳定性：指在受到较大扰动之后，电力系统中的所有发电机在不失同步的情况下过渡到新的合理的运行状态(也可以是原有运行状态)，并在新的运行状态下稳定运行的能力。暂态稳定性主要研究电力系统出现各种故障后的运行状况，当故障发生后，自动保护装置一般可将故障的电气元件快速切除，即使如此，故障的扰动仍可能导致电力系统暂态过程较为复杂，不仅系统的一些运行参数会出现剧烈变化或振荡，甚至伴随控制设备和运行人员的一些干预，如人为切除输电线路、发电机、负荷，发电机的自动励磁调节器动作等，因此电力系统暂态稳定研究的场景较为复杂。系统运行处在两种约束条件之下：负荷约束，运行约束，并按违反这两种约束的情况将系统的当前状态分为三种：正常状态、紧急状态和恢复状态电力系统安全性与稳定性负荷约束和运行约束都满足违反运行约束违反负荷约束下一个预想事故集不安全恢复正常预防控制恢复控制紧急控制状态转移控制状态紧急安全8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述3.电力系统稳定性研究的动向1)交直流互联电力系统的稳定性为解决交流输电系统存在的一些问题，以及考虑到高压直流输电在潮流调整、电网互联、运行经济性等方面的优势，高压直流输电技术近年来得到迅猛发展和广泛应用。与早期出现的纯直流供电系统不同，高压直流输电往往与交流输电系统配合使用，从而形成交直流互联的电网运行模式，如我国的南方电网。此时不仅要考虑直流和交流部分各自的稳定性，同时还需考虑交直流两部分系统间的相互影响，稳定性研究更为复杂。8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述2)大范围互联运行电网的稳定性为实现电能的互济，现代电力系统往往大范围互联运行。互联大电网具有不同于局部小电网的稳定特性：如大电网出现严重故障时，易引起潮流的大范围转移，由此可引起电网运行方式的巨大变化，处理不当时易引起较大范围电网事故；在电网互联的初期，系统可能由于电网互联出现整体稳定性降低的情况，并由此引发区域间的低频振荡等。8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述3)电网运行的复杂动态行为：电力系统属于典型的特高维、强非线性系统，在其运行过程中已发现了一些复杂的动态行为，如电网连锁故障、电力系统混沌现象等，多数与电网稳定性密切相关，而其中很多行为的内在机理尚未完全明确。4)电力系统广域运行环境：电力系统的传统控制装置，主要基于局部信息实施控制，难以实现电网之间的有效协调。随着全球定位(GPS)技术的推广，相量测量单元(PMU)和由此发展而来的广域量测系统(WAMS)在电力系统中得到广泛使用。WAMS系统可快速获得远在数千公里外的电网运行信号，为电力系统的协调控制和增强稳定性提供可能。8.18.1电力系统稳定性概述电力系统稳定性概述5)分布式发电设备的引入：传统电能的获得，主要来源于煤炭、石油等一次能源。一次能源终归要走向枯竭，并且在能量转换过程中会对周围环境产生不良影响。而分布式发电技术有利于提高一次能源的利用效率，并能充分利用各种清洁能源和可再生能源，是缓解人类面临的能源危机和环境污染问题的重要技术措施。分布式发电设备(风力发电、冷热电联供CCHP、太阳能发电等)现已被大量接入电网。分布式发电设备的出现，在一定程度上改变了原有电网的运行结构和运行模式，从而对其稳定运行产生一定影响。分布式发电供能系统:利用各种分散存在的能源进行发电供能的系统。如:„风能等可再生能源发电系统；„天然气为燃料的冷/热/电联供系统（简称：CCHP）优点：可利用丰富的清洁和可再生能源。缺点：一些可再生能源具有间歇性和随机性。优点：可利用丰富的清洁和可再生能源。缺点：一些可再生能源具有间歇性和随机性。海洋能海洋能其他形式其他形式新能源新能源太阳能太阳能天然气天然气风能风能生物质能生物质能分布式能源(分布—集中)分布式发电供能系统并网运行方式分布式发电供能系统并网运行方式将分布式电源组成微网（MG）运行太阳太阳能能储能储能装置装置风电光伏储能冷热电联供冷热电联供微网边界热、冷热、冷中央控制输电网络高压配网110KVGGGG中压配网35/10KV低压配网0.4KV负荷负荷MGMGMGMGMG特点：孤网独立运行混合动力汽车(PHEV)或电力汽车集成分布式发电并提供双向量测储能装置集成分布式电源Source::SCE8.28.2小扰动稳定性的初步概念小扰动稳定性的初步概念1)小扰动稳定的情况：假设小球处于平衡状态A，当来自外部的一个微小扰动后，小球能自发回到原来的平衡点A。此时称小球在A点是小扰动稳定的。1.小扰动稳定性的物理含义2)小扰动不稳定的情况：假设平衡状态时小球处于B点，当来自外部的一个微小扰动将小球移动到处后，受重力作用，小球将一直向右运动，无法再回到原来的平衡位置，向左运动的情况类似。此时我们称小球在B点是小扰动不稳定的。B′8.28.2小扰动稳定性的初步概念小扰动稳定性的初步概念电力系统小扰动稳定性：电力系统在稳态运行过程中，受到微小扰动后，可独立恢复到原有运行状态的能力。对于上面的简单电力系统，欲保证其小扰动稳定，需要在功角增加时，发电机转子受到制动力矩作用；反之，在功角减小时，受到推动力矩作用。2.简单电力系统的小扰动稳定性Nm*e*J*()dPPdtTωωωΔ=⋅−⋅8.28.2小扰动稳定性的初步概念小扰动稳定性的初步概念对于简单电力系统可利用其电磁功率曲线斜率判断其小扰动稳定性：小扰动稳定：0eδddP小扰动不稳定：0eδddP临界稳定时，曲线斜率为0，对应着电磁功率曲线的最大值点，即图中点c。8.38.3暂态稳定性暂态稳定性的初步概念的初步概念暂态稳定性主要考虑电力系统在受到较大扰动之后是否能够正常运行。在正常运行时，发电机通过两条输电线路向无穷大母线所代表的外部系统输送功率，回路总阻抗和功率特性为：T2LT1d1dΣ21XXXXX+⋅++=δsin1dqe1Σ⋅=XUEP当系统出现故障，导致一条输电线路被快速切除，此时回路总阻抗和功率特性变为：T2LT1d2dΣXXXXX+++=δsin2dq2Σ⋅=XUEPe8.38.3暂态稳定性暂态稳定性的初步概念的初步概念假设不考虑故障中的电磁暂态过程以及励磁调节器的影响，此时发电机内电势数值保持不变。1.暂态稳定的场景8.38.3暂态稳定性暂态稳定性的