電力系統(tǒng)穩(wěn)定性（電力系統(tǒng)穩(wěn)定性）

系統(tǒng)介紹

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè)重要標(biāo)志，乃是系統(tǒng)中的同步電機(jī)（主要是發(fā)電機(jī)）都處于同步運(yùn)行狀態(tài)。所謂同步運(yùn)行狀態(tài)是指所有并聯(lián)運(yùn)行的同步電機(jī)都有相同的電角速度。在這種情況下，表征運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)具有接近于不變的數(shù)值，通常稱此情況為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和壯大，往往會有這樣一些情況：例如，水電廠或火電廠通過長距離交流輸電線將大量的電力輸送到中心系統(tǒng)，在輸送功率大到一定的數(shù)值后，電力系統(tǒng)稍微有點(diǎn)小的擾動都有可能出現(xiàn)電流、電壓、功率等運(yùn)行參數(shù)劇烈變化和振蕩的現(xiàn)象，這表明系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)之間失去了同步，電力系統(tǒng)不能保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；又如，當(dāng)電力系統(tǒng)中個(gè)別元件發(fā)生故障時(shí)，雖然自動保護(hù)裝置已將故障元件切除，但是，電力系統(tǒng)受到這種大的擾動后，也有可能出現(xiàn)上述運(yùn)行參數(shù)劇烈變化和振蕩現(xiàn)象；此外，甚至運(yùn)行人員的正常操作，如切除輸電線路、發(fā)電機(jī)等，也有可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的破壞。

通常，人們把電力系統(tǒng)在運(yùn)行中受到微小的或大的擾動之后能否繼續(xù)保持系統(tǒng)中同步電機(jī)（最主要的是同步發(fā)電機(jī)）間同步運(yùn)行的問題，稱為電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定性問題。電力系統(tǒng)同步運(yùn)行的穩(wěn)定性是根據(jù)受擾后系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的相對位移角（或發(fā)電機(jī)電動勢之間的相角差）的變化規(guī)律來判斷的，因此，這種性質(zhì)的穩(wěn)定性又稱為功角穩(wěn)定性。

電力系統(tǒng)中電源的配置與負(fù)荷的實(shí)際分布總是不一致的，當(dāng)系統(tǒng)通過輸電線路向電源配置不足的負(fù)荷中心地區(qū)大量傳送功率時(shí)，隨著傳送功率的增加，受端系統(tǒng)的電壓將會逐漸下降。在有些情況下，可能出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的電壓持續(xù)下降，或者電壓長期滯留在完全運(yùn)行所不能容忍的低水平上而不能恢復(fù)。這就是說電力系統(tǒng)發(fā)生了電壓失穩(wěn)，它將造成局部地區(qū)的供電中斷，在嚴(yán)重的情況下還可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功角穩(wěn)定喪失。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，將造成大量用戶供電中斷，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的瓦解，后果極為嚴(yán)重。因此，保持電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，對于電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，具有非常重要的意義。

國際定義分類

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

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

功角穩(wěn)定是指互聯(lián)系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)受到擾動后，保持同步運(yùn)行的能力。功角失穩(wěn)可能由同步轉(zhuǎn)矩或阻尼轉(zhuǎn)矩不足引起，其中，同步轉(zhuǎn)矩不足引起非周期失穩(wěn)，阻尼轉(zhuǎn)矩不足將引起振蕩失穩(wěn)。

根據(jù)擾動的大小，將功角穩(wěn)定分為小擾動功角穩(wěn)定與大擾動功角穩(wěn)定。

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

大擾動功角穩(wěn)定又稱暫態(tài)功角穩(wěn)定，是指電力系統(tǒng)遭受線路短路、切機(jī)等大擾動時(shí)，保持同步運(yùn)行的能力，它由系統(tǒng)的初始運(yùn)行狀態(tài)和受擾動的嚴(yán)重程度共同決定。由于擾動足夠大，因此，必須用非線性微分方程來研究。大擾動功角穩(wěn)定表現(xiàn)為非周期失穩(wěn)和振蕩失穩(wěn)兩種模式。非周期失穩(wěn)大擾動功角穩(wěn)定問題，研究的時(shí)間范圍通常是受擾后3~5s，振蕩失穩(wěn)的研究時(shí)間范圍通常是10~20s。

小擾動功角穩(wěn)定與大擾動功角穩(wěn)定均是一種短期現(xiàn)象。

電壓穩(wěn)定是指處于給定運(yùn)行點(diǎn)的電力系統(tǒng)在經(jīng)受擾動后，維持所有節(jié)點(diǎn)電壓為可接受值的能力。它依賴于系統(tǒng)維持或恢復(fù)負(fù)荷需求和負(fù)荷供給之間平衡的能力。根據(jù)擾動的大小，IEEE/CIGRE將電壓穩(wěn)定分為小擾動電壓穩(wěn)定和大擾動電壓穩(wěn)定。這符合一般的非線性系統(tǒng)和線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性定義。

小擾動電壓穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小的擾動后，如負(fù)荷的緩慢增長等，維持電壓的能力。

這類形式的穩(wěn)定受某一給定時(shí)刻負(fù)荷特性、離散和連續(xù)控制影響。借助適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，在給定運(yùn)行點(diǎn)對系統(tǒng)動態(tài)方程進(jìn)行線性化處理，從而可以用靜態(tài)方法對小擾動電壓穩(wěn)定進(jìn)行研究。從線性化計(jì)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(tǒng)穩(wěn)定的主要因素時(shí)非常有用。

大擾動電壓穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到大的擾動后，如系統(tǒng)故障、失去負(fù)荷、失去發(fā)電機(jī)等，維持電壓的能力。這類形式的穩(wěn)定取決于系統(tǒng)特性、負(fù)荷特性、離散和連續(xù)控制與保護(hù)及它們之間的相互作用。確定這種穩(wěn)定形式需要在一個(gè)足夠長的時(shí)間周期內(nèi)，檢驗(yàn)系統(tǒng)的動態(tài)行為，以便能夠捕捉到諸如電動機(jī)、有載調(diào)壓變壓器、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器等設(shè)備的運(yùn)行及它們的相互作用。一般用包含合適模型的非線性時(shí)域仿真法來研究大擾動電壓穩(wěn)定問題。根據(jù)需要研究時(shí)間范圍可從幾秒到幾十分鐘。

電壓穩(wěn)定可能是短期的或長期的現(xiàn)象。短期電壓穩(wěn)定與快速響應(yīng)的設(shè)備有關(guān)，必須考慮負(fù)荷的動態(tài)，及鄰近負(fù)荷的短路故障，研究時(shí)間大約在幾秒鐘；長期電壓穩(wěn)定與慢動態(tài)設(shè)備有關(guān)，它通常由連鎖的設(shè)備停運(yùn)引起，與初始擾動程度無關(guān)，研究時(shí)間可以是幾分鐘或者更長的時(shí)間。

值得一提的是，IEEE/CIGRE對于正確區(qū)分功角穩(wěn)定和電壓問題給出了明確的解釋，功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定的區(qū)別并不是基于有功/功角和無功/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(tǒng)，有功/功角和無功/電壓幅值之間具有很強(qiáng)的耦合關(guān)系，功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定都受到擾動前有功、無功潮流的影響。

頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重?cái)_動后，發(fā)電和負(fù)荷需求出現(xiàn)大的不平衡，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定頻率的能力。電力系統(tǒng)功率不平衡量是變化的，頻率的變化是一個(gè)動態(tài)過程。頻率穩(wěn)定可以是短期的或長期的現(xiàn)象。

我國定義分類

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

根據(jù)受擾動的大小以及導(dǎo)致功角不穩(wěn)定的主導(dǎo)因素不同，功角穩(wěn)定分為靜態(tài)穩(wěn)定、小擾動動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和大擾動動態(tài)穩(wěn)定。

靜態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小擾動后不發(fā)生周期性失穩(wěn)，自動恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)的能力。它是由于同步力矩不足引起的，屬于小擾動動態(tài)穩(wěn)定的一種，主要用來定義系統(tǒng)正常運(yùn)行和事故后運(yùn)行方式下的靜態(tài)穩(wěn)定儲備情況。

小擾動動態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小擾動后，不發(fā)生周期性振蕩，保持較長過程穩(wěn)定運(yùn)行的能力。它是由阻尼力矩不足引起的，主要用于分析系統(tǒng)正常運(yùn)行和事故后運(yùn)行方式下的阻尼特性。

暫態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到大擾動后，各同步機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)定運(yùn)行方式的能力。它通常指第一、二搖擺不失去穩(wěn)定性，主要用于確定系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限和穩(wěn)定措施。

大擾動動態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到大擾動后，在系統(tǒng)動態(tài)元件和自動裝置的作用下，保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的能力。它主要用于分析系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定后的動態(tài)穩(wěn)定性。

電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小的或大的擾動后，系統(tǒng)電壓能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生電壓崩潰的能力。根據(jù)受擾動程度的大小分為靜態(tài)電壓穩(wěn)定和大擾動電壓穩(wěn)定。

靜態(tài)電壓穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小擾動后，系統(tǒng)電壓能夠保持或者恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生電壓崩潰的能力。它主要用來定義系統(tǒng)正常運(yùn)行和系統(tǒng)事故后運(yùn)行方式下的電壓靜態(tài)穩(wěn)定儲備系數(shù)。

大擾動電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大擾動后，系統(tǒng)不發(fā)生電壓崩潰的能力，包括暫態(tài)電壓穩(wěn)定、動態(tài)電壓穩(wěn)定和中長期電壓穩(wěn)定。暫態(tài)電壓穩(wěn)定主要用于分析快速的電壓穩(wěn)定問題；中長期電壓穩(wěn)定主要用于分析在響應(yīng)較慢的動態(tài)元件和控制裝置作用下的電壓穩(wěn)定性。

頻率穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到嚴(yán)重?cái)_動后，出現(xiàn)較大的有功功率不平衡，系統(tǒng)頻率仍能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生頻率崩潰的能力。它主要用于分析系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量和低頻減載負(fù)荷配置的有效性與合理性，以及機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制等問題。

提高穩(wěn)定措施

提高系統(tǒng)穩(wěn)定的措施可以分為兩大類：一類是加強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，另一類是提高系統(tǒng)穩(wěn)定的控制和采用保護(hù)裝置。

(1)加強(qiáng)電網(wǎng)網(wǎng)架，提高系統(tǒng)穩(wěn)定。線路輸送功率能力與線路兩端電壓之積成正比，而與線路阻抗成反比。減少線路電抗和維持電壓，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。增加輸電線回路數(shù)、采用緊湊型線路都可減少線路阻抗，前者造價(jià)較高。在線路上裝設(shè)串聯(lián)電容是一種有效的減少線路阻抗的方法，比增加線路回路數(shù)要經(jīng)濟(jì)。串連電容的容抗占線路電抗的百分?jǐn)?shù)稱為補(bǔ)償度，一般在50%左右，過高將容易引起次同步振蕩。在長線路中間裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC），能有效地保持線路中間電壓水平（相當(dāng)于長線路變成兩段短線路），并快速調(diào)整系統(tǒng)無功，是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段之一。

(2)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制和保護(hù)裝置。提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制可包括兩個(gè)方面：①失去穩(wěn)定前，采取措施提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；②失去穩(wěn)定后，采取措施重新恢復(fù)新的穩(wěn)定運(yùn)行。