文档介绍：电力系统的稳定计算

电力系统的根本任务是合理开发能源,向电力用户提供安全可靠、质量合格和经济的电
能。在这三个基本要求中,安全可靠供电是第一位的要求。就是说,必须首先保证电力系统
的正常运行,而正常运行所不可缺少的最基本条件是安全和稳定。所谓安全,是指系统中所
有的电力设备必须在不超过其允许的电压、电流和频率条件下运行,否则会造成设备的损坏。
所谓稳定,是指电力系统经受扰动后能继续保持向负荷正常供电的状态,即具有承受扰动的
能力。本章的目的是进行电力系统的稳定计算。
电力系统运行时,有三种必须同时满足的稳定性要求:同步运行稳定性、频率稳定性
和电压稳定性。电力系统的同步运行稳定性,又称功角稳定性,是指电力系统中所有发电机
组能否保持同步稳定运行的问题。当系统在某一正常状态下运行时,系统中所有发电机是保
持同步的,它们的电气角速度一样,它们间的角度差为一常数,系统中每一点的电压、电流
及功率也为常数。当受到某种扰动时,这些运行参数会发生变化,如经过一段时间后,系统
能够回到原来的运行状态或者过渡到一个新的正常运行状态,则系统是同步稳定的。同步稳
定的标志是各个发电机之间的功角差(δ ij =δ i −δ j )能保持有限值而不随时间无限增大。如
果系统失去了同步运行稳定性,就会发生振荡,引起系统中各点的电压、电流和功率大幅度
周期波动,从而无法向负荷正常供电,严重时将会造成电力系统大面积停电。电力系统的频
率稳定性是指能否保持电能的频率指标正常。频率是电能质量的一个重要指标,它反映了电
力系统中有功功率的平衡水平。由于电能不能大量储存,所以电能的生产、传输、分配和消
费是同时进行的,即系统中所有发电厂任何时刻生产的电能必须与该时刻所有负荷所需的电
能及传输、分配中损耗的电能之和相等,也就是必须满足有功平衡的等约束条件: PG∑= PD
∑+ PL 。在这种情况下,全系统的频率为一定值,且应维持在规定的允许范围内。如系统的
有功电源不足,则频率下降,当频率下降到一定程度时,将引起系统崩溃,失去频率稳定性,
造成全系统停电。电力系统的电压稳定性是指能否保持电能的电压指标正常。电压是电能质
量的又一个重要指标,它反映电力系统中无功功率的平衡水平。电力系统正常运行时,全系
统包括每一地区的无功功率应处于正常的平衡水平,从而各点电压在规定的允许范围之内。
如全系统或某一地区的无功电源不足,将引起全系统或该地区电压水平的降低,当电压降到
一定程度将引起电压崩溃,失去电压稳定性,造成受影响的地区停电。
随着电力系统向大机组、大电网、高电压和远距离输电的发展,电压稳定问题更突出地
暴露出来。近年来国际上有多次由于电压稳定问题引起的大面积长时间的停电事故发生。因
此电压稳定问题引起了电力工业界更多的关注和重视。根据 2004 年 IEEE 电力系统稳定术
语、定义工作小组的建议,对电压稳定的定义和分类有如下论述。电压稳定指的是在一个给
定的初始运行状态承受扰动后维持所有母线稳态电压的能力。电压稳定问题分为大扰动电压
稳定和小扰动电压稳定。大扰动电压稳定指的是在大扰动下(如系统故障、发电机跳闸等)
维持稳态电压的能力。小扰动电压稳定指的是系统承受小扰动(如系统负荷变化)维持稳态
电压的能力。电压稳定过程的时间可以从几秒变化到几十秒。因此电压稳定既可以是短期现
象也可以是长期现象。短期电压稳定涉及到快速作用的负荷元件,如感应电动机、电子控制
负荷和 HVDC 转换器。长期电压稳定涉及较慢作用的设备,如变压器抽头变化等。
目前对电压稳定的研究内容主要包括对电压崩溃现象机理探讨、电压稳定安全分析以及
预防措施、电压稳定研究的负荷模型等。对电压稳定分析的主要方法有,基于物理概念的定
性分析、基于潮流方程的静态分析方法、基于线性化动态方程的小干扰法分析、基于非线性
动态方程的时域仿真方法。对以上分析方法的研究有大量的研究成果,但对电压失稳机理的
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认识并还没有达到一致,有待进一步研究。
以上三种稳定性中,同步运行稳定性是最常发生、最受关注也研究得最多的一种稳定
性,本章分析的就是这类稳定性。
由于同步运行稳定性是由发电机转子运动的功率角δ表征的,因而同步运行稳定性计
算的目标就是求取各发电机受扰后功率角随时间的变化情况而后进行稳定性判别。为此必须
首先了解电力系统中各个旋转元件的机械和电气特性,简称机电特性。通常它们由一组非线
性微分方程和代数方程描述,所以分析同步运行稳定性的一般方法就是:求解一组在一定初
始条件下的非线性微分方程和代数方程,得到发电机发功率角δ随时间变化的曲线δ(