電力系統穩定性（電力系統穩定性）

系統介紹

電力系統正常運行的一個(gè)重要標志，乃是系統中的同步電機（主要是發(fā)電機）都處于同步運行狀態(tài)。所謂同步運行狀態(tài)是指所有并聯(lián)運行的同步電機都有相同的電角速度。在這種情況下，表征運行狀態(tài)的參數具有接近于不變的數值，通常稱(chēng)此情況為穩定運行狀態(tài)。

隨著(zhù)電力系統的發(fā)展和壯大，往往會(huì )有這樣一些情況：例如，水電廠(chǎng)或火電廠(chǎng)通過(guò)長(cháng)距離交流輸電線(xiàn)將大量的電力輸送到中心系統，在輸送功率大到一定的數值后，電力系統稍微有點(diǎn)小的擾動(dòng)都有可能出現電流、電壓、功率等運行參數劇烈變化和振蕩的現象，這表明系統中的發(fā)電機之間失去了同步，電力系統不能保持穩定運行狀態(tài)；又如，當電力系統中個(gè)別元件發(fā)生故障時(shí)，雖然自動(dòng)保護裝置已將故障元件切除，但是，電力系統受到這種大的擾動(dòng)后，也有可能出現上述運行參數劇烈變化和振蕩現象；此外，甚至運行人員的正常操作，如切除輸電線(xiàn)路、發(fā)電機等，也有可能導致電力系統穩定運行狀態(tài)的破壞。

通常，人們把電力系統在運行中受到微小的或大的擾動(dòng)之后能否繼續保持系統中同步電機（最主要的是同步發(fā)電機）間同步運行的問(wèn)題，稱(chēng)為電力系統同步穩定性問(wèn)題。電力系統同步運行的穩定性是根據受擾后系統并聯(lián)運行的同步發(fā)電機轉子之間的相對位移角（或發(fā)電機電動(dòng)勢之間的相角差）的變化規律來(lái)判斷的，因此，這種性質(zhì)的穩定性又稱(chēng)為功角穩定性。

電力系統中電源的配置與負荷的實(shí)際分布總是不一致的，當系統通過(guò)輸電線(xiàn)路向電源配置不足的負荷中心地區大量傳送功率時(shí)，隨著(zhù)傳送功率的增加，受端系統的電壓將會(huì )逐漸下降。在有些情況下，可能出現不可逆轉的電壓持續下降，或者電壓長(cháng)期滯留在完全運行所不能容忍的低水平上而不能恢復。這就是說(shuō)電力系統發(fā)生了電壓失穩，它將造成局部地區的供電中斷，在嚴重的情況下還可能導致電力系統的功角穩定喪失。

電力系統穩定性的破壞，將造成大量用戶(hù)供電中斷，甚至導致整個(gè)系統的瓦解，后果極為嚴重。因此，保持電力系統運行的穩定性，對于電力系統安全可靠運行，具有非常重要的意義。

國際定義分類(lèi)

國際大電網(wǎng)會(huì )議（CIGRE）和國際電氣與電子工程師學(xué)會(huì )電力工程分會(huì )（IEEE/PES）穩定定義聯(lián)合工作組于2004年重新對電力系統穩定性進(jìn)行了定義和分類(lèi)，電力系統穩定性是指系統在給定的初始運行方式下，受到物理擾動(dòng)后仍能夠重新獲得運行平衡點(diǎn)，且在該平衡點(diǎn)大部分系統狀態(tài)變量都未越限，從而保持系統完整性的能力。

電力系統穩定性

功角穩定是指互聯(lián)系統中的同步發(fā)電機受到擾動(dòng)后，保持同步運行的能力。功角失穩可能由同步轉矩或阻尼轉矩不足引起，其中，同步轉矩不足引起非周期失穩，阻尼轉矩不足將引起振蕩失穩。

根據擾動(dòng)的大小，將功角穩定分為小擾動(dòng)功角穩定與大擾動(dòng)功角穩定。

小擾動(dòng)功角穩定是指系統遭受小擾動(dòng)后保持同步運行的能力，它取決于系統的初始運行狀態(tài)。由于擾動(dòng)足夠小，因此，在分析時(shí)，可在平衡點(diǎn)將描述系統的非線(xiàn)性方程線(xiàn)性化，在此基礎上對穩定問(wèn)題進(jìn)行研究。小擾動(dòng)功角穩定可表現為轉子同步轉矩不足引起的非周期失穩，以及阻尼轉矩不足引起的轉子增幅振蕩失穩，小擾動(dòng)失穩研究的時(shí)間范圍通常是10~20s。

大擾動(dòng)功角穩定又稱(chēng)暫態(tài)功角穩定，是指電力系統遭受線(xiàn)路短路、切機等大擾動(dòng)時(shí)，保持同步運行的能力，它由系統的初始運行狀態(tài)和受擾動(dòng)的嚴重程度共同決定。由于擾動(dòng)足夠大，因此，必須用非線(xiàn)性微分方程來(lái)研究。大擾動(dòng)功角穩定表現為非周期失穩和振蕩失穩兩種模式。非周期失穩大擾動(dòng)功角穩定問(wèn)題，研究的時(shí)間范圍通常是受擾后3~5s，振蕩失穩的研究時(shí)間范圍通常是10~20s。

小擾動(dòng)功角穩定與大擾動(dòng)功角穩定均是一種短期現象。

電壓穩定是指處于給定運行點(diǎn)的電力系統在經(jīng)受擾動(dòng)后，維持所有節點(diǎn)電壓為可接受值的能力。它依賴(lài)于系統維持或恢復負荷需求和負荷供給之間平衡的能力。根據擾動(dòng)的大小，IEEE/CIGRE將電壓穩定分為小擾動(dòng)電壓穩定和大擾動(dòng)電壓穩定。這符合一般的非線(xiàn)性系統和線(xiàn)性系統的穩定性定義。

小擾動(dòng)電壓穩定是指系統受到小的擾動(dòng)后，如負荷的緩慢增長(cháng)等，維持電壓的能力。

這類(lèi)形式的穩定受某一給定時(shí)刻負荷特性、離散和連續控制影響。借助適當的假設，在給定運行點(diǎn)對系統動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行線(xiàn)性化處理，從而可以用靜態(tài)方法對小擾動(dòng)電壓穩定進(jìn)行研究。從線(xiàn)性化計算可以得到有價(jià)值的靈敏度信息等。這些信息在確定影響系統穩定的主要因素時(shí)非常有用。

大擾動(dòng)電壓穩定是指系統受到大的擾動(dòng)后，如系統故障、失去負荷、失去發(fā)電機等，維持電壓的能力。這類(lèi)形式的穩定取決于系統特性、負荷特性、離散和連續控制與保護及它們之間的相互作用。確定這種穩定形式需要在一個(gè)足夠長(cháng)的時(shí)間周期內，檢驗系統的動(dòng)態(tài)行為，以便能夠捕捉到諸如電動(dòng)機、有載調壓變壓器、發(fā)電機勵磁電流調節器等設備的運行及它們的相互作用。一般用包含合適模型的非線(xiàn)性時(shí)域仿真法來(lái)研究大擾動(dòng)電壓穩定問(wèn)題。根據需要研究時(shí)間范圍可從幾秒到幾十分鐘。

電壓穩定可能是短期的或長(cháng)期的現象。短期電壓穩定與快速響應的設備有關(guān)，必須考慮負荷的動(dòng)態(tài)，及鄰近負荷的短路故障，研究時(shí)間大約在幾秒鐘；長(cháng)期電壓穩定與慢動(dòng)態(tài)設備有關(guān)，它通常由連鎖的設備停運引起，與初始擾動(dòng)程度無(wú)關(guān)，研究時(shí)間可以是幾分鐘或者更長(cháng)的時(shí)間。

值得一提的是，IEEE/CIGRE對于正確區分功角穩定和電壓?jiǎn)?wèn)題給出了明確的解釋?zhuān)欠€定和電壓穩定的區別并不是基于有功/功角和無(wú)功/電壓幅值的弱耦合關(guān)系。實(shí)際上，對于重載情況下的電力系統，有功/功角和無(wú)功/電壓幅值之間具有很強的耦合關(guān)系，功角穩定和電壓穩定都受到擾動(dòng)前有功、無(wú)功潮流的影響。

頻率穩定是指電力系統受到嚴重擾動(dòng)后，發(fā)電和負荷需求出現大的不平衡，系統仍能保持穩定頻率的能力。電力系統功率不平衡量是變化的，頻率的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。頻率穩定可以是短期的或長(cháng)期的現象。

我國定義分類(lèi)

電力系統穩定性

根據受擾動(dòng)的大小以及導致功角不穩定的主導因素不同，功角穩定分為靜態(tài)穩定、小擾動(dòng)動(dòng)態(tài)穩定、暫態(tài)穩定和大擾動(dòng)動(dòng)態(tài)穩定。

靜態(tài)穩定是指系統受到小擾動(dòng)后不發(fā)生周期性失穩，自動(dòng)恢復到初始運行狀態(tài)的能力。它是由于同步力矩不足引起的，屬于小擾動(dòng)動(dòng)態(tài)穩定的一種，主要用來(lái)定義系統正常運行和事故后運行方式下的靜態(tài)穩定儲備情況。

小擾動(dòng)動(dòng)態(tài)穩定是指系統受到小擾動(dòng)后，不發(fā)生周期性振蕩，保持較長(cháng)過(guò)程穩定運行的能力。它是由阻尼力矩不足引起的，主要用于分析系統正常運行和事故后運行方式下的阻尼特性。

暫態(tài)穩定是指系統受到大擾動(dòng)后，各同步機保持同步運行并過(guò)渡到新的或恢復到原來(lái)穩定運行方式的能力。它通常指第一、二搖擺不失去穩定性，主要用于確定系統暫態(tài)穩定極限和穩定措施。

大擾動(dòng)動(dòng)態(tài)穩定是指系統受到大擾動(dòng)后，在系統動(dòng)態(tài)元件和自動(dòng)裝置的作用下，保持系統穩定性的能力。它主要用于分析系統暫態(tài)穩定后的動(dòng)態(tài)穩定性。

電壓穩定是指電力系統受到小的或大的擾動(dòng)后，系統電壓能夠保持或恢復到允許的范圍內，不發(fā)生電壓崩潰的能力。根據受擾動(dòng)程度的大小分為靜態(tài)電壓穩定和大擾動(dòng)電壓穩定。

靜態(tài)電壓穩定是指系統受到小擾動(dòng)后，系統電壓能夠保持或者恢復到允許的范圍內，不發(fā)生電壓崩潰的能力。它主要用來(lái)定義系統正常運行和系統事故后運行方式下的電壓靜態(tài)穩定儲備系數。

大擾動(dòng)電壓穩定是指電力系統受到大擾動(dòng)后，系統不發(fā)生電壓崩潰的能力，包括暫態(tài)電壓穩定、動(dòng)態(tài)電壓穩定和中長(cháng)期電壓穩定。暫態(tài)電壓穩定主要用于分析快速的電壓穩定問(wèn)題；中長(cháng)期電壓穩定主要用于分析在響應較慢的動(dòng)態(tài)元件和控制裝置作用下的電壓穩定性。

頻率穩定是指系統受到嚴重擾動(dòng)后，出現較大的有功功率不平衡，系統頻率仍能夠保持或恢復到允許的范圍內，不發(fā)生頻率崩潰的能力。它主要用于分析系統的旋轉備用容量和低頻減載負荷配置的有效性與合理性，以及機網(wǎng)協(xié)調控制等問(wèn)題。

提高穩定措施

提高系統穩定的措施可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是加強網(wǎng)架結構，另一類(lèi)是提高系統穩定的控制和采用保護裝置。

(1)加強電網(wǎng)網(wǎng)架，提高系統穩定。線(xiàn)路輸送功率能力與線(xiàn)路兩端電壓之積成正比，而與線(xiàn)路阻抗成反比。減少線(xiàn)路電抗和維持電壓，可提高系統穩定性。增加輸電線(xiàn)回路數、采用緊湊型線(xiàn)路都可減少線(xiàn)路阻抗，前者造價(jià)較高。在線(xiàn)路上裝設串聯(lián)電容是一種有效的減少線(xiàn)路阻抗的方法，比增加線(xiàn)路回路數要經(jīng)濟。串連電容的容抗占線(xiàn)路電抗的百分數稱(chēng)為補償度，一般在50%左右，過(guò)高將容易引起次同步振蕩。在長(cháng)線(xiàn)路中間裝設靜止無(wú)功補償裝置（SVC），能有效地保持線(xiàn)路中間電壓水平（相當于長(cháng)線(xiàn)路變成兩段短線(xiàn)路），并快速調整系統無(wú)功，是提高系統穩定性的重要手段之一。

(2)電力系統穩定控制和保護裝置。提高電力系統穩定性的控制可包括兩個(gè)方面：①失去穩定前，采取措施提高系統的穩定性；②失去穩定后，采取措施重新恢復新的穩定運行。