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(huì)有這樣一些情況：例如，水電廠或火電廠通過(guò)長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(wèn)題，稱為電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定性問(wèn)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(duì)位移角（或發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)之間的相角差）的變化規(guī)律來(lái)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(guò)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(huì)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(zhǎng)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(shuō)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(duì)于電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，具有非常重要的意義。

國(guó)際定義分類

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）和國(guó)際電氣與電子工程師學(xué)會(huì)電力工程分會(huì)（IEEE/PES）穩(wěn)定定義聯(lián)合工作組于2004年重新對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的大小，將功角穩(wěn)定分為小擾動(dòng)功角穩(wěn)定與大擾動(dòng)功角穩(wěn)定。

小擾動(dòng)功角穩(wěn)定是指系統(tǒng)遭受小擾動(dòng)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行研究。小擾動(dòng)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(dòng)失穩(wěn)研究的時(shí)間范圍通常是10~20s。

大擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)的嚴(yán)重程度共同決定。由于擾動(dòng)足夠大，因此，必須用非線性微分方程來(lái)研究。大擾動(dòng)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(dòng)功角穩(wěn)定問(wèn)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(dòng)功角穩(wěn)定與大擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)的大小，IEEE/CIGRE將電壓穩(wěn)定分為小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定和大擾動(dòng)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(dòng)電壓穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小的擾動(dòng)后，如負(fù)荷的緩慢增長(zhǎng)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(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程進(jìn)行線性化處理，從而可以用靜態(tài)方法對(duì)小擾動(dòng)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(dòng)電壓穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)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(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)，檢驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，以便能夠捕捉到諸如電動(dòng)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(lái)研究大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定問(wèn)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(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)期電壓穩(wěn)定與慢動(dòng)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(dòng)程度無(wú)關(guān)，研究時(shí)間可以是幾分鐘或者更長(zhǎng)的時(shí)間。

值得一提的是，IEEE/CIGRE對(duì)于正確區(qū)分功角穩(wěn)定和電壓?jiǎn)栴}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(wú)功/電壓幅值的弱耦合關(guān)系。實(shí)際上，對(duì)于重載情況下的電力系統(tǒng)，有功/功角和無(wú)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(dòng)前有功、無(wú)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(dòng)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(dòng)態(tài)過(guò)程。頻率穩(wěn)定可以是短期的或長(zhǎng)期的現(xiàn)象。

我國(guó)定義分類

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

根據(jù)受擾動(dòng)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(dòng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和大擾動(dòng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

靜態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小擾動(dòng)后不發(fā)生周期性失穩(wěn)，自動(dòng)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(dòng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的一種，主要用來(lái)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(chǔ)備情況。

小擾動(dòng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小擾動(dòng)后，不發(fā)生周期性振蕩，保持較長(zhǎng)過(guò)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(dòng)后，各同步機(jī)保持同步運(yùn)行并過(guò)渡到新的或恢復(fù)到原來(lái)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(dòng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后，在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)元件和自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)程度的大小分為靜態(tài)電壓穩(wěn)定和大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定。

靜態(tài)電壓穩(wěn)定是指系統(tǒng)受到小擾動(dòng)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(lái)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(chǔ)備系數(shù)。

大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)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(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定和中長(zhǎng)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(wèn)題；中長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定主要用于分析在響應(yīng)較慢的動(dòng)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(dòng)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(wèn)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(guò)高將容易引起次同步振蕩。在長(zhǎng)線路中間裝設(shè)靜止無(wú)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(zhǎng)線路變成兩段短線路），并快速調(diào)整系統(tǒng)無(wú)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。