电力系统稳定讲义.ppt

电力系统稳定与控制,清华大学电机工程系闵勇,概述,我国电力系统的现状稳定问题的提出和研究内容电力系统稳定的基本概念电力系统稳定研究的对象和方法,稳定问题的提出和研究内容,联网的必要性1831年法拉第发明电磁感应定律，电能成为二次能源，就地使用1885和1895年（NicholasTesla发明了单相变压器和三相变压器1891年出现了三相交流输电，远距离输电成为可能，出现了由发电机、线路和负荷构成的最简单的电力系统由于实际运行中发现受端系统在缺乏电源支持的情况下非常薄弱，逐渐出现了多电源点的互联运行，从而形成了早期的互联电网,联网的效益多个地区联网形成大型互联电网后有利于地区间电力的平衡和经济调度有利于安排机组的检修和事故备用容量有利于充分利用系统中廉价的水利资源有利于实现负荷点的多路供电以提高供电可靠性有利于提高系统的抗冲击能力有利于提高系统的供电质量由于互联系统在经济上的明显优点，电力系统互联的规模越来越大,稳定问题的提出和研究内容,我国电力系统发展历史1880年7月，上海，第一台12KW机组1949年，发电量43亿KWh，装机容量1848.6KW1999年，发电量12331.4亿KWh，装机容量2.98亿KW装机容量96年超过1亿，95年超过2亿，96年开始世界第二，2000年超过3亿，07年过7亿，09年过8亿发电量2007年3.256万亿千瓦时，世界第二位目前全国电网覆盖率96.4,稳定问题的提出和研究内容,全国装机容量,2009年8.74亿千瓦,USabout1100GWin2008,全国发电量,,2009年36506亿千瓦时,大区联网,符合电网发展的一般规律，大范围进行资源优化配置，提高运行经济性、可靠性。水火电互济减少地区备用容量错峰效应事故情况下功率紧急支援等符合我国能源、负荷的实际分布情况我国一次能源资源分布格局特点煤炭资源全国近80％的煤炭储量在华北和西北地区，东北、华东和中南地区储量很少。水能资源全国近80％的水能资源在西部，特别是西南地区，中、东部地区分布的很少。我国各地区的电力需求状况很不平衡，东部地区经济发达，电力负荷需求旺盛，中、西部经济落后，电力负荷需求相对要小。全国电力流向,我国大区联网的指导方针,西电东送为了实现资源的优化配置，开发西部的水能、煤炭资源，满足东部地区电力需求。形成北、中、南三大输电通道南北互供北、中、南各大区域电网互联全国联网取得周边联网效益,反方意见,我国大区联网的进程,2001年5月东北与华北电网联网2001年12月福建与华东电网联网2002年4月川渝与华中电网联网2003年9月19日到9月21日华北－华中联网工程系统调试试验，实现了东北、华北、华中、川渝电网500KV交流互联。2010年全国电网示意图三华同步电网（华中川渝、华北、华东）、东北电网、南方电网、西北电网，同步电网之间以直流或直流背靠背相联。,电压等级发展情况,千伏,1990,,,,,,,,,,,,,,,1950,1960,1970,1980,,,,,,,,,35110千伏,220千伏,330千伏,500千伏AC/DC,2000,,,750千伏,2005,,,,,,,1000千伏,电力系统稳定问题的提出电网互联技术可以合理利用能源资源，具有显著的经济效益，因而得到了十分迅速的发展，但它同时也带来了一些新的问题。随着电力网络互联程度的不但提高，系统越来越庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可靠运行的难度也越来越大，使电网的安全稳定问题越来越突出。在现代大电网中，各区域、各部分互相联系、密切相关、在运行过程中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全措施，一个局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大面积的系统瓦解。,稳定问题的提出和研究内容,电力系统稳定研究的内容基本问题早期稳定研究的内容联网后发电机组是否仍能按如下额定功率顺利地送出功率，如果不能，应该如何确定发电机的最大允许输出功率线路可以传送的功率是否仍然只受经济电流密度和最大允许电流热稳定极限限制，如果不是，应该如何确定线路允许的最大传送功率线路出现短路或跳闸等事故时系统能否仍然正常运行，如果不能，应该引入什么样的保护装置和／或稳定控制装置,稳定问题的提出和研究内容,电力系统稳定研究的内容随着电网互联规模的增大，不断出现大量新的稳定问题如何在网络结构比较薄弱的情况下防止由于某一设备或线路的故障产生连锁反应，导致全系统的稳定事故；如何防止长距离重负荷的联络线引起的低频振荡现象；如何防止由于大型互联系统频率维持能力逐渐减弱且可能的有功冲击加大可能引起的频率稳定问题；如何防止带负荷调压变压器和无功功率缺额可能引起的电压稳定问题。对电力系统稳定问题的研究发展至今，已形成为一个研究内容日新月异、研究方法多种多样、应用领域十分广阔的综合性研究领域,稳定问题的提出和研究内容,电力系统稳定性的定义,,发展历史,随着电力工业的出现而出现1920sC.P.Steinmetz,“Powercontrolandstabilityofelectricgeneratingstations,”AIEETrans.,vol.XXXIX,PartII,pp.1215–1287,July1920.随着电力工业的不断发展而变化内涵、外延及分类分析方法和工具控制理论和手段早期局限于功角稳定Before1980s近年来，系统规模越来越大，电压稳定、频率稳定及区域间振荡等问题引起越来越多的重视稳定问题的概念需要进一步准确化,1995年中国电力百科全书中关于稳定性的定义,电力系统在受到扰动后,凭借系统本身固有的能力和控制设备的作用，回复到原始稳态运行方式，或者达到新的稳态运行方式（的能力）。来源IEEETaskForceReport,ProposedTermsDefinitionsofPowerSystemStabilityIEEETrans.OnPAS,Vol.PAS-101,No.7,1982,P.Kundur电力系统稳定与控制中关于稳定性的定义,电力系统稳定可以概括地定义为这样一种电力系统的特性，即它能够运行于正常运行条件下的平衡状态，在遭受扰动后能够恢复到可以容许的平衡状态。PowerSystemStabilityandControl中译本,2002PowersystemstabilitymaybebroadlydefinedasthatpropertyofapowersystemthatenablesittoremaininastateofoperatingequilibriumundernormaloperatingconditionsandtoregainanacceptablestateofequilibriumafterbeingsubjectedtoadisturbancePowerSystemStabilityandControl,1994,2001年我国电力系统安全稳定导则中的稳定性定义,电力系统稳定性电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。通常根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统，将稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、小扰动动态稳定、电压稳定及中长期动态稳定。2001年版电力系统安全稳定导则,2004年CIGRE的稳定性定义,电力系统稳定性是电力系统在给定的初始运行条件下受到扰动后回到一种平衡状态，同时大部分系统变量保持有界并使得（实际上）全系统保持完整的能力。Powersystemstabilityistheabilityofanelectricpowersystem,foragiveninitialoperatingcondition,toregainastateofoperatingequilibriumafterbeingsubjectedtoaphysicaldisturbance,withmostsystemvariablesboundedsothatpracticallytheentiresystemremainsintact.IEEE/CIGREJointTaskForceonStabilityTermsandDefinitions，2004,讨论1,CIGRE定义主要针对的是作为一个整体的互联电力系统本定义不适合下列情况某些情况下当系统能够保持稳定时远方发电机组可能会失去同步某些情况下特定负荷或负荷区的电动机也可能在不导致系统连锁性故障的情况下失去稳定,讨论2,电力系统稳定性是系统维持在平衡点（初始运行状态）周围运动的一种性质实际电力系统不可能绝对的停留在某个状态（虽然理论分析中通常基于这种假设），各种扰动时刻不停地在发生，但系统对扰动的响应应趋向于回到平衡点小扰动如负荷扰动大扰动如短路故障、机组切除等对大扰动，系统的稳定性与扰动类型、地点以及持续时间等因素有关不可能要求系统对所有大扰动维持稳定大扰动下稳定平衡点具有一个有限的吸引域,讨论3,扰动下系统的响应可能包含很多设备的动作效果短路故障时继电保护的动作将引起电压、电流、功率以及频率的变化电压变化引起发电机和负荷节点处调压设备的动作转速变化将引起调速系统的动作电压和频率的变化引起负荷功率的变化在扰动下保护单一元件的设备可能引起系统结构的弱化，降低系统的稳定性,讨论4,系统稳定达到新的平衡状态且系统的整体性不被破坏，即几乎所有发电机和负荷都通过一个临近的输电网保持互联部分机组或负荷可能因隔离故障的操作而断开与系统的联系互联系统在严重故障下可能被主动解列系统不稳定将导致一个run-away或者run-down状态转子相对角持续不断上升或电压持续不断下降连锁性的机组或线路跳闸、系统的重要部分停电,讨论5,稳定性定义的理论解释系统变量持续保持有界要求平衡点是稳定的（Lyapunov意义下）,如果,则称零解是稳定的，否则是不稳定的δ如果和t0无关，则为一致稳定的,讨论5续）,扰动后系统响应逐渐平息并回到平衡点要求平衡点是渐近的,设U是Rn中包含原点的一个开区域，如果,则称U是零解的一个吸引域，对应的零解是吸引的。等价于从U中出发的解当时间趋于无穷时趋近于0T如果和t0及x0无关，则为一致吸引的,,电力系统稳定性的分类,为什么需要分类,稳定性在本质上是不同方向的作用力互相平衡的结果电力系统作为一种高维、多变量的动力系统来看，其动态过程受到网络拓扑、运行条件和扰动类型等多方面的影响，各种力的失衡有多种形式，表现为多种不稳定现象前述简单的稳定性定义不能采取通用的简单方法进行分析，需要根据具体的失稳现象采用适当的描述方式突出重点问题合适的分类工作是有效的分析解决电力系统稳定问题的基础,分类所基于的基本准则,可观察到的系统主要变量在失稳过程中中表现出来的性质导致失稳过程的扰动的大小（可决定在稳定分析、计算和预测时采取的方法）为评价稳定性需要考虑的元件、过程及时间范围,分类结果示意图,转子角稳定（功角稳定）,互联系统中同步发电机在扰动下维持同步的能力取决于系统中每一台发电机维持或恢复其电磁转矩与机械转矩的平衡关系的能力影响功角稳定问题的基本因素是同步发电机转子角变化时其电磁转矩的变化方式（功角关系），系统的稳定性取决于转子角的变化量能否产生足够的恢复转矩。,转子角失稳的方式,在转子角摇摆时同步机电磁转矩的变化包含两个分量同步转矩分量与转子角变化同相位阻尼转矩分量与转速变化同相位如果发电机的同步转矩分量不足将导致非周期失稳（或非振荡失稳）如果发电机的阻尼转矩分量不足将导致振荡失稳,小扰动功角稳定,小扰动功角稳定考虑充分小扰动时的功角稳定问题允许采用线性化的模型进行分析关心的时间尺度为扰动后10到20秒从失稳方式划分振荡失稳和非振荡失稳两种实际电力系统中通常出现的都是阻尼转矩不够导致的振荡失稳的现象由于调压器的调节作用，实际电力系统通常不会出现非振荡失稳，除非采用的是励磁电压为常数的模型,小扰动功角稳定（续）,从失稳区域划分局部失稳一台或几台机组相对系统的其他部分的振荡（局部振荡模式）逐渐增幅影响因素包括失稳机组与系统的接入方式、调压系统以及机组出力全局失稳一个地区的所有机组相对另一个地区的机组的振荡（区间振荡模式）影响因素十分复杂，负荷特性会产生重要的影响,大扰动功角稳定（暂态稳定）,大扰动功角稳定考虑严重扰动（如短路故障）发电机转子角大幅变化，须采用非线性的功角关系系统是否失稳不仅取决于初始运行状态，而且取决于扰动的严重程度失稳方式通常是由于缺乏足够的同步力矩而产生的非振荡失稳，即所谓的第一摆失稳大型电力系统中也存在其他失稳方式第一摆稳定后由于一个慢的区间振荡模式和一个局部振荡模式的叠加可能导致大的转子角偏移第一摆稳定后由于系统的非线性特性对某一振荡模式的影响也可能导致失稳,大扰动功角稳定,时间尺度通常是扰动后3到5秒对具有明显的区间振荡模式的大型电力系统可将时间尺度延长到扰动后10到20秒从时间尺度来看小扰动功角稳定和暂态稳定问题都应归类为短期稳定,对动态稳定概念的处理,动态稳定（Dynamicstability）也指一类功角稳定问题，但对其含义不同的地区有不同的理解北美动态稳定指考虑发电机自动控制系统（特别是励磁控制系统）时的小扰动稳定相比之下，经典的静态稳定则特指不考虑发电机自动控制系统时的小扰动稳定欧洲通常用来表示暂态稳定，即大扰动功角稳定译自前苏联的文献也常采用这种说法因此CIGRE和IEEE建议不再使用该词但是目前国内的实际运行部门仍然在大量使用该词,电压稳定,给定初始运行条件下发生扰动后电力系统维持其所有节点电压值的能力取决于电力系统维持或恢复负荷需求和负荷供给之间的平衡关系的能力电压失稳通常表现为部分节点电压逐渐progressive下降或上升可能导致的后果损失部分负荷保护系统切除联络线或其他设备并导致连锁反应，部分发电机也可能在此过程中失去同步,电压稳定（续）,导致电压失稳的主要原因通常是负荷特性，如电动机的滑差特性、配电网的电压调节装置、带分接头调节的变压器等，其试图恢复负荷的努力常常增加了高压网无功供应的负担并进一步加大了电压降输电网络中的电抗限制了功率传输和电压支撑的能力，其导致的电压降落在电压失稳的过程中也起重要作用,电压稳定（续）,大部分电压失稳现象表现为电压的持续下降，但电压上升的失稳情况也是存在的并发生过HVDC也可能引起电压稳定问题控制系统调节不当可能导致交流侧无功供应不足，所引起的电压失稳过程通常是快速的（秒级甚至更快）换流变的分接头调节动作也可能引起电压失稳，但失稳过程会慢的多,小扰动电压稳定,小扰动电压稳定指微小扰动（如负荷增加）下系统维持电压的能力在适当的假设条件下，可以采用线性化模型计算系统的灵敏度信息从而判断影响稳定性的因素由于线性化模型不能考虑如分接头调节之类的离散控制的影响，常常将线性化分析和非线性分析组合起来使用,大扰动电压稳定,大扰动电压稳定指大扰动（如系统故障、切机、断线等）下系统维持电压的能力影响这一过程的因素包括系统和负荷特性、各种连续控制和离散控制的效果以及保护系统的动作情况确定大扰动下的电压稳定性要求对系统在扰动后足够长时间的响应进行分析，并考虑电动机、变压器分接头、发电机励磁限制等因素的影响时间尺度可能从几秒到几十分钟,分析电压稳定的时间尺度,短期电压稳定时间尺度为数秒包括电动机、HVDC换流器等元件需要对适当的系统微分方程求解，类似功角稳定的分析方法不建议使用“暂态电压稳定”一词长期电压稳定数分钟或数十分钟考虑分接头调节、温度调节负荷以及发电机励磁限制等慢变元件考虑的扰动可能是负荷的缓慢增长失稳的原因可能是无法长期维持负荷平衡、扰动后的平衡点不稳定或者扰动后的平衡点的吸引域太小等等很多情况下可以采用静态分析的灵敏度概念,功角稳定和电压稳定的区别,区别主要在于二者由不同量的不平衡引起，并且失稳现象在不同量上表现得更明显一种错误的观点功角稳定和电压稳定的差别是由于有功相角和无功电压之间的弱耦合关系实际上功角稳定和电压稳定都一样不仅受扰动前有功潮流的影响，也受扰动前无功潮流的影响,频率稳定,在导致系统发电量和负荷量出现明显不平衡现象的严重扰动发生后，系统维持频率的能力取决于在损失最小负荷的前提下系统维持或恢复发电量和负荷量之间的平衡关系的能力频率失稳的现象是频率持续波动并导致切机和/或切负荷,频率稳定（续）,严重扰动下系统的频率、电压、潮流等都会大幅变化，因此分析时需要考虑一些常规的暂态稳定和电压稳定中不会考虑的过程、控制和保护手段，如锅炉、低周减载等大型互联系统中严重故障常常会到子系统解列，此时稳定研究的目的是确定是否可以在最小负荷损失的前提下达到每个解列区域的平衡状态频率稳定的分析常常针对系统或解列区域的平均频率进行引起频率稳定问题的原因包括不适当的设备特性、不正确的控制和保护整定或者不充足的发电备用孤立系统中出现导致切机或者切负荷的扰动时常常需要关注其频率稳定问题,频率稳定,在频率偏移的过程中起作用的设备和调节过程的时间尺度可以是几分之一秒，如低频减载、发电机控制系统和保护系统，也可以是数分钟，如原动机功率调节系统和负荷电压调节系统因此频率稳定过程既可能是短期现象，也可能是长期现象频率偏移过程中电压也可能会明显变化，特别是在减载装置动作的孤立系统中。电压变化的百分比甚至可能大于频率变化的百分比，并进一步加剧发电量和负荷的不平衡,关于稳定的分类,分类的目的便于理解系统失稳的机理便于识别系统失稳的原因便于选择合适的分析模型、方法和工具便于发展正确的应对手段注意点失稳现象常常不是纯粹的某一类别，系统一旦以某种形式失去稳定，常常会最终导致其他形式的失稳现象必须全面考虑系统的稳定问题，对某种稳定问题的解决方案不应以牺牲另外形式的稳定性为代价,,稳定性与可靠性、安全性之间的关系,概念电力系统的可靠性、安全性和稳定性,可靠性系统在长的运行周期中工作正常的概率表示在相当长的时间内几乎不中断地为用户提供足够的电力供应的能力安全性电力系统在意外事件下不中断用户电力供应的能力的风险度安全性与系统对意外事件的鲁棒性有关，并取决于系统的运行条件以及意外事件的发生概率稳定性扰动后系统整体性的维持能力取决于系统的运行条件和扰动的性质,可靠性、安全性和稳定性之间的差异,可靠性是系统设计和运行的总体目标为保证可靠性，系统绝大部分时间必须是安全的为保证安全性，系统必须是稳定的，同时必须对其他不能归类为稳定问题的偶然事件是安全的，如设备损坏、杆塔倒塌或者人为破坏等也可从后果来区分安全性和稳定性两个具有相同稳定裕度的系统，如果一个系统失稳的后果比另一个更差，则前者的安全性相对较差安全性和稳定性是时变的，可以通过对特定运行方式的研究进行判断可靠性是一段时间内的平均性能，只能通过对一段时间内系统性能的整体考虑进行判断,NERC的可靠性定义,NERC＝北美电力可靠性协会可靠性是评估电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向用户供电的能力的度量指标可靠性包括充裕度和安全性两个方面充裕度是指电力系统考虑计划内和非计划内元件停运时，为用户不间断地提供电力和电量的能力。充裕度也常指静态可靠性，也就是在静态条件下电力系统满足用户电力和电量的能力。安全性是指电力系统承受突然发生的扰动例如突然短路或非计划地失去系统元件的能力安全性有时也称动态可靠性，也就是在动态条件下电力系统经受住突然扰动并不间断地向用户提供电力和电量的能力CIGRE和IEEE以前几个版本的报告采用的是上述定义,其他的安全性定义,安全性指系统在一组可能的扰动（称为预想扰动集）发生时应该满足一组不等式约束,电力系统安全性的分析方法,安全性分析即确定系统对预期发生的扰动的鲁棒性要求1系统在扰动发生后能够达到新的运行状态，并且在该状态下满足所有必须的约束要求2系统在向新的运行状态过渡的过程中不发生任何失稳现象对要求1的验证称为静态安全分析，对要求2的验证称为动态安全分析因此，稳定性分析是安全性分析的一个组成部分，也进而是可靠性评估的一部分,电力系统安全性的分析方法（续）,电力系统中目前的安全性分析基于确定性方法设计和运行时要求系统能够承受一系列正常扰动N－1准则比正常扰动更严重的扰动依靠切机、切负荷以及解列等紧急控制措施主要不足之处认为所有的扰动具有相同的发生概率和相同程度的后果发展方向基于风险的安全性评估考虑运行方式和事件发生的概率，定量分析和研究系统的风险检验系统失稳的概率和其后果,电力系统稳定研究的对象,稳定性的研究是电力系统技术发展中的重要组成部分。为保证电力系统的安全稳定运行，在各个环节都必须对系统的稳定性进行详细的分析、计算和评估规划设计生产计划安排运行方式校核控制装置设计保护措施整定具体内容包括分析电力系统稳定问题的基本机理，建立研究电力系统稳定性的基本理论；研究适合电力系统稳态和动态过程分析的数学模型，开发对电力系统稳态特性和动态行为的分析和计算方法；研究电力系统参数和各种控制设备及其控制规律对系统行为和稳定性的影响；研究各种提高电力系统稳定性的措施等。,电力系统稳定研究的方法,根据不同稳定问题的特点，需采用不同的研究方法。目前主要应用的研究方法基于线性化系统模型的频域分析方法。非线性化系统模型的时域仿真方法各种直接法稳定分析，如基于能量函数的稳定分析方法等,谢谢,Edison不理解交流电机稳定性的牺牲者,1847.2.11，诞生于美国中西部的俄亥俄州1879.10.22，点燃了第一盏有实用价值的电灯继续实验灯丝材料的同时开始制造给电灯供电的直流发电机和其他设备同时在银行家摩根的帮助下开始收购、建造或共同建造电站1886年中拥有67家电站、年底达到120多家，当时75的负荷由Edison公司供给由于Edison的发电技术基于直流系统，在解决换相火花和并联上遇到巨大困难，但他拒绝了特斯拉关于交流电的建议,Westinghouse支持特斯拉开发交流电机并赢得了尼亚加拉瀑布电站的合同Edison公司被迫收购Thomson和Houston的交流电机制造公司改名为Edison通用电气公司，Edison逐渐被排挤出局，公司变为通用电气公司其后开始发明留声机等，最后在低含量铁矿的提炼上失败而倾家荡产，晚年靠HenryFord慈善资助生活,返回,返回,我国能源结构以煤为主，我国煤炭资源保有储量的76％分布在北部和西部地区，晋陕蒙宁新等煤电基地远景外送规模可达2亿千瓦以上。,返回,2011～2020年我国水电总投产规模在1亿千瓦以上。西部地区大型水电开发将继续加快。,我国能源资源与用电需求地理分布上极不均衡，决定了我国必须走远距离、大规模输电和全国范围优化电力资源配置的道路。随着我国能源开发西移和北移的速度加快，大型能源基地与能源消费地之间的输送距离越来越远，能源输送的规模越来越大。,我国未来电力总体流向,返回,,,返回,针对特高压联网的意见,能源优化问题输电还是输煤更经济输电2020年从坑口煤电基地送出共8000万千瓦，输电距离约1000～2000公里，投资共2425亿元交流百万伏线路选用8x400导线。增设线路23回以上，估算平均输送400万千瓦，平均距离1500公里，线损为8.9规划在北煤基地建8000万千瓦电力的空冷机组运煤需在南方建可供电7288千瓦的水冷机组目前发电煤耗为270g/千瓦时，厂用电为6，则供电煤耗为287.2g/千瓦时，每年共需标准煤为1.9～1.85亿吨/年，祗运优质煤5000大卡/公斤及以上，则每年运煤量不会大於2.59～2.66亿吨空冷和水冷机组差别投资上，每台机增加2亿元发电煤耗增加5～10克/千瓦时厂用电率由常规的6增加到8.5～9,针对特高压联网的意见,环保影响走廊占地大气污染电磁环境电网安全问题大机组接入问题电磁环网问题区域间的相互影响问题,,返回,