电力系统稳态大作业

电力系统分析（稳态）

（作业）

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题目：电力系统安全稳定分析任课教师：

电力系统安全稳定分析

前言

传统的电力系统监视、评估和控制是基于Dy Liacco构想的。该构想是假设电力系统运行在两个约束集(负荷约束和运行约束)之下的，其中负荷约束是要求满足全部负荷的需要，而运行约束则可分为静态约束(如要求任一母线的电压、任一线路的潮流和任一台设备的功率在容许的范围内)和动态约束(如保证系统的小扰动稳定性和暂态稳定性)两类。电力系统的运行状态时刻在改变，根据运行条件的不同，可以将电力系统的运行状态分为正常运行状态、警戒状态、紧急状态、恢复状态、失稳状态等。其中正常状态又可以分为安全的和不安全的。当在任一扰动都不会把系统引入紧急运行状态，则系统是安全的。否则，系统是不安全的。依照上述构想系统运行中安全性总是第一位的，只有在系统是安全的情况下才考虑经济调度。因此，从电力系统安全运行的控制方面将，电力系统的控制是比较杂和重要的，通常以系统的频率控制、电压控制、安全控制、负荷控制为重点，下面对这几个方面的控制加以简单的介绍。

一电力系统频率控制

频率稳定与控制是电力系统安全稳定运行的重要因素，它反映了电力系统中有功功率供需平衡的基本状态。频率异常将会给发电机和系统的安全运行以及用户带来极为严重的后果。因此，电力系统频率一方面作为衡量电能质量的指标，需加以动态监测咀作为实施安全稳定控制的重要状态反馈量；另一方面必须对系统频率进行有效控制。

系统频率的变化是由于负荷功率与原动机输入功率之间失去平衡所致。由于机械惯性的作用，原动机输入功率变化较缓慢，负荷的变化使系统频率产生波动。假如分离的区域没有参与速度调节的旋转各用，则有三种因素会导致分离区域的系统频率下降：①过负荷的量(即发电出力的缺额)；②作用于区域负荷的负荷阻尼系数；③代表区域内所有发电机总转动惯量的惯性常数。要确定频率控制，首先要明确频率特性是指有功功率一频率静态特性，它反映了稳态运行状况下有功功率和频率变化之间的关系。它包括负荷、同步发电机组和电力系统的频率特性。电力系统功率平衡是一个供需功率随时平衡的动态过程。当系统频率波动时，同步发电机的调速器控制作用和负荷的频率调节效应是同时进行的。

调整发电功率进行频率调整，即频率的三次调整控制。而电力系统频率控制与有功功率控制密切相关，其实质就是当系统机组输入功率与负荷功率失去平衡而使频率偏离额定值时，控制系统必须调节机组的出力，以保证电力系统频率的偏移在允许范围之内。为了实现频率控制，系统中需要有足够的备用容量来应对计划外负荷的变动，而且还须具有一定的调整速度以适应负荷的变化。

现代电力系统频率控制的研究主要有两方面的任务：①分析和研究系统中各种因素对系统频率的影响，如发电机出力、其本身的特性及相应的调速装置、负荷波动和旋转各用容量等，从而可以准确地寻找有效进行调频的切入点。②建立频率控制模型，即在某一特定的系统条件下，选择恰当的发电机和负荷模型(在互联系统中还应考虑多系统互联的模型)，并采用最优算法确定模型参数，在维持系统频率在给定水平的同时，考虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性。我国电力系统的额定频率，为50Hz，电力系统正常频率允许偏差为±0.2Hz(该标准适用于电力系统，但不适用于电气设备中的频率允许偏差)，系统容量较小时可放宽到±0.5Hz。

AGC常有来调节系统的频率，它是指根据系统频率、输电线负荷变化或它们之间关系的变化，对某一规定地区内发电机有功功率进行调节，以维持计划预定

的系统频率或其他地区商定的交换功率在一定限制之内。它是以控制调整发电机组输出功率来适应负荷波动的反馈控制，利用计算机来实现控制功能，是一个小型的计算机闭环控制系统。AGC的基本目的包括LFC和经济调度控制，前者通过凋整特定发电机的输出，使其频率恢复到指定的正常值并保证控制区域之间的功率交换为给定值；后者考虑全网购电费用的微增率和网损修正等条件对调频机组进行最佳负荷分配，使总的发电成本最低。这就使得这种控制方法能够较好地结合电力市场环境的要求，在频率控制质量和经济性之间找到很好的交叉点。

二电力系统安全控制

电力系统安全运行涉及静态安全性和暂态稳定性。现阶段电力系统是根据扰动量的大小，来进行划分。当电力系统在运行中时刻受到小的扰动时，系统将会偏离运行平衡点，如果这种偏离很小，小扰动消失后，系统又重新恢复平衡，则称系统是静态稳定的；如果偏离不断扩大，不能重新恢复原来的平衡状态则系统不能保持静态稳定。而当在大扰动作用下，如果系统运行状态的偏离是有限的，且在大扰动结束后又达到了新的平衡，则称系统是暂态稳定的。如果偏离不断扩大，不能重新恢复平衡，则称系统失去了暂态稳定。下面介绍提高两者安全性的措施。

1、提高电力系统静态稳定性的措施

从静态稳定的分析可以看出，提高电力系统的静态稳定性，应着力于提高电力系统功率极限。

1)提高发电机电势。提高发电机电势是提高电力系统的功率极限最有效的措施．它主要依靠采用自动励磁调节器并改善其性能来实现。在现代电力系统中，几乎所有的发电机都装有自动励磁调节装置。自动励磁调节器明显地提高了功率极限。当发电机装有比例式励磁调节器时，在静态隐定分析中发电机所呈现的电抗由大到小，并近似维持暂态电势为常数。当有磁力式励磁调节器时，相当于把发电机电抗减小到接近于零，即近似当做发电机端电压维持恒定，这就大大地提高了发电机的功率极限，对提高静态稳定性极为有利。自动励磁调节器在整个发电机投资中所占的比重很小，所以，在各种提高隐定性的措施中，总是优先考虑使用或改善自动励磁调节装置。

2)减少系统的总电抗。从简单电力系统的功率极限表达式可以看出，输电系统的功率极限与系统总电抗成反比，系统电抗越小，功率极限就越大，系统稳定性也就越高。输电系统的总电抗由发电机、变压器和输电线路的电抗组成。发电机和变压器的电抗与它们的结构尺寸有关．一般在发电机和变压器设计时，已考虑在投资和材料相同的条件限制，力求使它们的电抗减小—些。当发电机和变压器设汁时。已考虑在投资和材料相同的条件下，力求使他们的电抗减小—些。当发电机和变压器装有自动励磁调节器时，发电机的实际电抗已由大减小。因此，从发电机结构方面去减小电抗的作用有限。对于变压器而占，其短路阻抗直接影响到制造成本和运行性能。也不宜改变。自耦变压器具有损耗小、体积小、价格便宜的优点外，它的电抗也较小，对提高稳定性有利，故在超高压电力系统中得

到了广泛的应用。相对而言，设法减少输电线的电抗，则是一个可循的途径。主要方法之—是采用分裂导线，这可以使线路电抗约减少20％，而目还能减少或避免电晕所引起的有功功率损耗。减少输电线电抗的另—方法是采用串联电容补偿。—般来说。补偿度越大，对系统稳定越有利，但过大的补偿度可能引起发电机的自励磁等异常情况，影响线路继电保护的正确动作，增大短路电流等，一般取补偿度为0.2—0.5。此外，在超高压远距离输电中，如输电功率受稳定性限制也可采用增加输电回路数，减少等值电抗，以达到提高输电功率的目的。

3)提高和隐定系统电压。要提高系统运行电压水平，最主要的是系统中应装设充足的无功电源。在远距离输电线的中途或在负荷中心装设同步调相机，将有助于提高和稳定系统的运行电压水平，从而提高系统运行的稳定性。合理地选用高—级的电压，除了降低损耗、增加输电容量等作用外，还可提高电力系统的功率极限，这在设计新线路或改造旧线路时常作为—个措施来考虑。这是因为对于同—结构的输电线路，采用的额定电压越高，线路电抗的标幺值就越小。功率极限就越高。

2、提高电力系统的暂态稳定性的措施

—般来说，提高电力系统静态稳定的措施也有助于提高暂停稳定性。如果提高了故障时和故障切除后的功率极限，这显然增加了最大可能的减速面积，减小了加速面积，从而有利于系统保持暂态稳定性。此外，从从暂态稳定性分析来看，除提供系统的功率极限外，还可以采取—些相应的措施，减少发电机转子相对运动的振荡幅度，提高系统的暂态稳定性。对其中—些主要措施列举如下：

1)可使切除故障。利用快速继电保护装置和快速动作的断路器尽快切除故障是提高暂态稳定性的重要措施。实行快速强行励磁在系统发生短路故障时，发电机实行快速强行励磁，能迅速提高发电机的电势，提高故障时和故障切除后发电机的功率特性，将有利于提高系统的暂态稳定性。

2)采用自动重合闸装置。高压输电线的短路故障绝大多数是瞬时性的采用自动重合闸装置，在故障发生后，由继电保护装置启动断路器把故障线路切除，待故障消失后，又立即自动将这—线路重新投入运行，使系统恢复双回线供电，提高了系统的功率极限，有利于保持暂态稳定，同时也提高了供电的可靠性。

3)改善原动机的调节特性。电力系统受到大扰动后，由于发电机输出的电磁功率突然变化，而原动机的功率由于惯性及调速器的时滞等原因，功率不不可能及时相应变化，从而造成了发电机轴上功率的不平衡，引起发电机产生剧烈的相

对运动，甚至破坏系统的稳定性。如果原动机调速系统能实行快速调节，使它的功率变化能接近跟上电磁功率的变化，则机组轴上的不平衡功率便可减小，从而防止暂态稳定性的破坏。此外，对于并联运行发电机组，也可在故障发生后切除部分发电机组，以减少过剩功率，或采用机械制动的方法来消耗掉—部分原动机的机械功率。

三电压稳定的控制

电压稳定预防控制措施是通过对基态条件下的系统结构和运行状态调整，使得系统能够对于可信故障集的故障具有足够的稳定裕度。对于在线静态电压崩溃预防控制，主要的控制措施有：调节发电机的机端电压，投切并联无功补偿设备，调节有载调雏变压器的分接头，发电机出力再调度及切负荷。电压稳定预防控制的研究丰要有两种类型的方法：一类是基于控制参数灵敏度的方法，一类是非线性规划的最优化方法。

基于灵敏度的方法首先对预想事故进行电压稳定分析，然后对稳定裕度不满足电压稳定要求的故障，计算负荷参数对控制变量的灵敏度，然后构造出不等式约束加入到稳定控制的线性规划模型中求解，该方法可以方便的考虑多个故障的情况。但由于电力系统中无功电压之间的非线性关系较，同时受各种限制器作用，采用灵敏度的方法得到控制措施会产生欠调或过调的现象，往往在迭代过程中需要求解多次故障后的电压稳定裕度。

基于非线性规划方法将电压稳定的安全控制问题描述成一个最优化的问题，将预想故障下潮流方程和的电压稳定约束方程加入到模型中，该方法能够完整的考虑基态和故障条件下的非线性特征。但由于预想故障的规模一般较大，导致问题求解的规模庞大，即使采用对系统规摸不敏感的现代内点算法，也无法很好地解决。负荷的持续增长是造成电压不稳定的重要原因之一，当负荷变化时，发电机需要调节有功和无功出力来满足负荷需求。不合理的功率分配方式会导致系统的传输极限下降，网损增加，对电压稳定产生负面影响。凶此在稳定的控制措施中，发电机的调度分配也是电压稳定控制的重要手段。

由于系统的电压稳定程度与无功功率的备用容量密切相关，电压崩溃往往是发生在缺乏动态无功备用的重负荷区域。所以在电网运行的正常运行状态下考虑动态无功源的无功备用对故障后电压稳定的影响，以及建立动态无功模型对于预防控制的实施其有重要的意义。由于无功功率不能远距离传输，从而远方动态无功源不能为本地故障提供显著的电压支撑，所以无功备用不能简单地通过将各个无功备用相加得到，迄今为止这方匿的研究还很缺乏。

电压稳定的校正控制是在系统发生严重故障或负荷持续增长的情况下，系统处于电压不稳定或电压失稳过程中，在这种紧急条件下进行控制使系统恢复稳定。由于系统已经处于不稳定状态，需要尽快采取措施，所以校正控制是也可以称为紧急控制。校正控制需要控制措施满足快速性的原则，因此快速地故障后切

负荷措施是最有效的方法。但切负荷措施会造成部分用户停电，在电力市场环境下，非计划的停电费用较高，因此，切负荷措施往往是系统稳定最后一项措施，需要谨慎采用。切负荷问题的分析方法多样，但基本的框架是类似的，可以概括为：

——给定初始运行点；

——给定系统扰动，包括系统故障或负荷增长；

——判断受扰后系统的稳定性；

——选择切受荷地点并计算切负荷量；

——校验切负荷的效果。

在紧急控制中，带负荷调压变压器的闭锁控制措施，以及对感应电动机负荷的快速切除的判断都有利于系统恢复稳定。

四结束语

电力系统是由发电、供电和用电设备组合在一起的—个整体。各设备之间相互关联，某—个设备运行情况变化都会影响到其他设备，有时甚至会涉及整个电力系统。因此，当电力系统的生产秩序遭受扰乱时，系统应能自动地迅速消除扰乱，继续正常工作，这就是电力系统应该具备的稳定运行能力。这种能力的大小取决于系统结构、设备性能和运行参数等多方面的因素。换言之，对于具体的电力系统，保持稳定运行的能力有大小，如果超过能力的限度，电力系统就会失去稳定，发电机就不能正常发电，用户就不能正常用电，并且引起系统运行参数的巨大变化，往往会造成大面积停电事故。可见电力系统稳定运行是关系安全生产的重大问题。