动态电力系统第3章(1).ppt
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1、动态电力系统动态电力系统20122012年秋季年秋季研究生课程研究生课程第三章第三章 时域仿真法暂态稳定时域仿真法暂态稳定分析分析主要内容时域仿真法基本原理时域仿真法基本原理暂态稳定计算基本流程暂态稳定计算基本流程机网接口的处理机网接口的处理故障与操作的处理故障与操作的处理微分方程和代数方程的求解方法微分方程和代数方程的求解方法电力系统微分方程的数值解法电力系统微分方程的数值解法现代电力系统特点现代电力系统特点 大规模大规模 复杂的复杂的 非线性非线性 分散控制分散控制研究的研究的核心:核心:稳定问题稳定问题为什么要研究电力系统稳定?后果严重:若失稳,则系统解列,造成大面积停电;若振荡太大,则
2、影响用户供电。华北华北南方南方东北东北西藏西藏台台湾湾西北西北华中华中上海上海华东华东金沙江下金沙江下游水电游水电晋陕宁蒙晋陕宁蒙煤电基地煤电基地负负荷荷中中心心送电至华中送电至华中华东华东送电至华北送电至华北华中华东华中华东新疆煤电基新疆煤电基地地四川水电四川水电西藏水电西藏水电送电至华中送电至华中华东华东送电至华中送电至华中跨国输电跨国输电跨国输电跨国输电电力系统稳定性电力系统稳定性系统维持在平衡点运行的能力系统维持在平衡点运行的能力功角稳定功角稳定同步发电机保持同步运行的能力同步发电机保持同步运行的能力转矩平衡转矩平衡频率稳定频率稳定系统频率保持或恢复系统频率保持或恢复到允许的范围内到允
3、许的范围内有功平衡有功平衡电压稳定电压稳定保证电压在可接受范围保证电压在可接受范围无功平衡无功平衡静态稳定静态稳定小扰动小扰动动态稳定动态稳定大扰动大扰动动态稳定动态稳定暂态稳定暂态稳定静态静态电压稳定电压稳定大扰动大扰动电压稳定电压稳定短期过程短期过程长期过程长期过程第一、二摇摆过程第一、二摇摆过程短期过程短期过程长期过程长期过程长期过程长期过程短期过程短期过程(暂态电压稳定暂态电压稳定)计算规定计算规定定义的电力系统稳定性分类定义的电力系统稳定性分类电力系统稳定性定义电力系统稳定性定义 电力系统在受到扰动后电力系统在受到扰动后,凭借系统本身凭借系统本身固有的能力和控制设备的作用,回复到原固
4、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始稳态运行方式,或者达到新的稳态运行方式(的能力)。方式(的能力)。中国电力百科全书中国电力百科全书 1995 1995年年 电力系统稳定可以概括地定义为这样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。能够恢复到可以容许的平衡状态。P.KundurP.Kundur(20022002)电力系统在给定的初始运行条件下受到扰动后电力系统在给定的初始运行条件下受到扰动后回到
5、一种平衡状态,同时大部分系统变量保持有回到一种平衡状态,同时大部分系统变量保持有界并使得(实际上)全系统保持界并使得(实际上)全系统保持完整。完整。CIGRE(2004)电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。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、小扰动动态稳定、电压稳定及中长期动态稳定。稳定。电力系统安全稳定导则电力系统安全稳定导则(20012001)同步运行问题同步运行问
6、题:由于电力系统使用同步发电机发电,由于电力系统使用同步发电机发电,因此系统正常运行的必要条件是系统所有因此系统正常运行的必要条件是系统所有同步发电机的转速要一致,要保持同步发电机的转速要一致,要保持“同步同步”。当某台电机不同步时,即出现了稳定。当某台电机不同步时,即出现了稳定问题:功角稳定问题。问题:功角稳定问题。电力系统暂态稳定性电力系统暂态稳定性指电力系统受到大扰动后指电力系统受到大扰动后,各各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指保持第一或第二个振稳态运行方式的能力。通常指保持第一或第二个振荡周期不失步的功角
7、稳定。荡周期不失步的功角稳定。通常所考虑的通常所考虑的大扰动大扰动包括发生各种短路故障、切除包括发生各种短路故障、切除大容量发电机或输电设备以及某些负荷的突然变化大容量发电机或输电设备以及某些负荷的突然变化等。等。主要目的主要目的是确定系统受到大的干扰后系统中各发是确定系统受到大的干扰后系统中各发电机组是否能继续维持同步运行,分析影响电力电机组是否能继续维持同步运行,分析影响电力系统暂态稳定性的各种因素,并在此基础上提出系统暂态稳定性的各种因素,并在此基础上提出改善电力系统暂态稳定性的措施。改善电力系统暂态稳定性的措施。暂态稳定分析基本方法暂态稳定分析基本方法 一类是一类是时域仿真法时域仿真法
8、,又称,又称逐步积分法逐步积分法SBS法法(step-by-step)在列出描述系统暂态过程的微)在列出描述系统暂态过程的微分方程和代数方程组后,应用各种数值积分方法分方程和代数方程组后,应用各种数值积分方法进行求解,然后根据发电机转子间相对角度的变进行求解,然后根据发电机转子间相对角度的变化情况来判断稳定性。化情况来判断稳定性。另一类是另一类是直接法直接法或或能量函数法能量函数法,其中有些方,其中有些方法是对李雅普诺夫直接法进行近似处理后发展而法是对李雅普诺夫直接法进行近似处理后发展而成的实用方法,有的则是将简单系统中的稳定判成的实用方法,有的则是将简单系统中的稳定判别方法推广应用于多机电力
9、系统。别方法推广应用于多机电力系统。电力系统机电暂态过程电力系统机电暂态过程 系统遭受扰动后,除了在系统中出现系统遭受扰动后,除了在系统中出现电磁电磁暂态过程暂态过程以外,特别地,由于扰动引起以外,特别地,由于扰动引起系统结系统结构或参数构或参数的变化,使系统的变化,使系统潮流潮流和各发电机的和各发电机的输输出功率出功率也随之发生变化,从而破坏了原动机和也随之发生变化,从而破坏了原动机和发电机之间的发电机之间的功率平衡功率平衡,在机组轴上产生不平,在机组轴上产生不平衡转矩,使它们开始衡转矩,使它们开始加速或减速加速或减速。在一般情况下,扰动后各发电机在一般情况下,扰动后各发电机输出功率输出功率
10、的变化并不相同,因此它们的的变化并不相同,因此它们的转速转速变化情况各变化情况各不相同。这样,各发电机转子之间将因转速不不相同。这样,各发电机转子之间将因转速不等而产生等而产生相对运动相对运动,结果使转子之间的,结果使转子之间的相对角相对角度度发生发生变化变化,而相对角度的改变又反过来影响,而相对角度的改变又反过来影响各发电机的输出功率,从而使各个发电机的各发电机的输出功率,从而使各个发电机的功功率率、转速转速和转子间的和转子间的相对角度相对角度继续发生变化。继续发生变化。与此同时:与此同时:由于发电机由于发电机端电压端电压和和定子电流定子电流的变化,将引的变化,将引起起转子绕组电流转子绕组电
11、流的变化和的变化和励磁调节励磁调节系统的调节过系统的调节过程;程;由于机组由于机组转速转速的变化,将引起的变化,将引起调速系统调速系统的的调节过程和原动机功率的变化,调节过程和原动机功率的变化,而由于电网中各而由于电网中各节点电压节点电压的变化,将引起的变化,将引起负荷吸收功率负荷吸收功率的变化,等等。的变化,等等。它们在不同程度上直接或间接地影响发电它们在不同程度上直接或间接地影响发电机和机和原动机功率原动机功率的变化。的变化。上述各种变化过程相互联系又相互影响,形上述各种变化过程相互联系又相互影响,形成了一个以各发电机转子机械运动和电磁功率随成了一个以各发电机转子机械运动和电磁功率随时间变
12、化为主体的时间变化为主体的机电暂态过程机电暂态过程。扰动后的暂态过程可能有两种不同的结局。一种是各发电扰动后的暂态过程可能有两种不同的结局。一种是各发电机机转子间相对角度转子间相对角度随时间的变化呈摇摆状态,且振荡幅值随时间的变化呈摇摆状态,且振荡幅值逐渐衰减。各机组之间的相对转速最终衰减为零,使系统逐渐衰减。各机组之间的相对转速最终衰减为零,使系统回到扰动前的稳态运行情况,或者过渡到一个新的稳态运回到扰动前的稳态运行情况,或者过渡到一个新的稳态运行情况。在此运行情况下,所有发电机仍然保持同步运行。行情况。在此运行情况下,所有发电机仍然保持同步运行。对于这种结局,称电力系统是对于这种结局,称电
13、力系统是暂态稳定的暂态稳定的。另一种结局是暂态过程中某些发电机转子之间的相对角度随另一种结局是暂态过程中某些发电机转子之间的相对角度随时间不断增大,它们之间始终存在着相对转速,使这些发电时间不断增大,它们之间始终存在着相对转速,使这些发电机之间失去同步。对于这种结局,称电力系统是机之间失去同步。对于这种结局,称电力系统是暂态不稳定暂态不稳定的的,或称电力系统失去暂态稳定。发电机间,或称电力系统失去暂态稳定。发电机间失去同步失去同步后,将后,将在系统中产生功率和电压的强烈在系统中产生功率和电压的强烈振荡振荡,结果使一些发电机和,结果使一些发电机和负荷被迫切除。在严重的情况下,甚至导致系统的负荷被
14、迫切除。在严重的情况下,甚至导致系统的解列解列或或瓦瓦解。解。电力系统的暂态稳定性不但决定于电力系统的暂态稳定性不但决定于扰动的性质扰动的性质及其发生的地点及其发生的地点,而且与扰动前系统的运行情况,而且与扰动前系统的运行情况有关。有关。因此,通常需要针对不同的稳态运行情况以及因此,通常需要针对不同的稳态运行情况以及各种不同的扰动各种不同的扰动分别进行暂态稳定性分析分别进行暂态稳定性分析。然而,如果要求系统在所有可能的运行情然而,如果要求系统在所有可能的运行情况下,遭受各种可能发生的扰动后,都能保持况下,遭受各种可能发生的扰动后,都能保持暂态稳定,则不但没有必要而且也不经济。暂态稳定,则不但没
15、有必要而且也不经济。为此,各国对于暂态稳定性的要求都有自为此,各国对于暂态稳定性的要求都有自己的己的标准标准。中国:中国:电力系统安全稳定导则电力系统安全稳定导则 为了保证电力系统运行的安全性,在系统规为了保证电力系统运行的安全性,在系统规划、设计和运行过程中都需要进行暂态稳定分析划、设计和运行过程中都需要进行暂态稳定分析与校验。当稳定性不满足规定要求,或者需要进与校验。当稳定性不满足规定要求,或者需要进一步提高系统的传输能力时,还需要研究和采取一步提高系统的传输能力时,还需要研究和采取相应的相应的提高稳定措施提高稳定措施。另外,在系统发生稳定性。另外,在系统发生稳定性破坏事故以后,往往需要进
16、行事故分析,找出破破坏事故以后,往往需要进行事故分析,找出破坏稳定的原因,并研究相应的对策。坏稳定的原因,并研究相应的对策。基本假设基本假设 (1)忽略发电机定子绕组和电力网中电磁暂态忽略发电机定子绕组和电力网中电磁暂态过程的影响,只考虑交流系统中基波分量电压、过程的影响,只考虑交流系统中基波分量电压、电流和功率以及发电机转子绕组中非周期性分量电流和功率以及发电机转子绕组中非周期性分量的变化。这样,交流电力网中各元件的数学模型的变化。这样,交流电力网中各元件的数学模型将可以简单地用它们的基波等值阻抗电路来描述。将可以简单地用它们的基波等值阻抗电路来描述。(2)(2)在不对称故障或非全相运行期间
17、,略去在不对称故障或非全相运行期间,略去发电机定子回路基波零、负序分量电压、电流对发电机定子回路基波零、负序分量电压、电流对电磁转矩的影响。电磁转矩的影响。只考虑基波正序分量,电力网只考虑基波正序分量,电力网可以用正序增广网络表示。可以用正序增广网络表示。(3)(3)此外,根据对计算结果精度的不同要求,此外,根据对计算结果精度的不同要求,以及由于分析方法本身的限制,还将对元件的数以及由于分析方法本身的限制,还将对元件的数学模型采取各种不同程度的简化,有时甚至对一学模型采取各种不同程度的简化,有时甚至对一部分发电机或系统中的某些部分进行动态等值简部分发电机或系统中的某些部分进行动态等值简化处理。
18、化处理。一、一、时域仿真基本原理时域仿真基本原理 将电力系统将电力系统各元件数学模型各元件数学模型根据元件间的根据元件间的拓扑关系拓扑关系形成形成全系统模型全系统模型联立的微分方程联立的微分方程和代数方程组,以稳态工况或潮流解为和代数方程组,以稳态工况或潮流解为初值初值,求扰动下的求扰动下的数值解数值解,并根据发电机转子摇摆,并根据发电机转子摇摆曲线来判断系统在大扰动下能否保持同步运曲线来判断系统在大扰动下能否保持同步运行。行。实际系统的运行经验表明,在一般情况下失去实际系统的运行经验表明,在一般情况下失去暂态稳定的过程发展比较迅速,通常根据扰动后暂态稳定的过程发展比较迅速,通常根据扰动后1
19、1秒左右秒左右(即即第一个摇摆周期第一个摇摆周期)或几秒钟或几秒钟(开始几个摇开始几个摇摆周期摆周期)内发电机转子间相对角度的变化情况,便内发电机转子间相对角度的变化情况,便可以判断系统可以判断系统是否稳定是否稳定。因此,从。因此,从2020世纪世纪5050年代中年代中期开始,大量研究工作主要针对如何计算扰动后这期开始,大量研究工作主要针对如何计算扰动后这段短时间内系统的机电暂态过程,包括元件所采用段短时间内系统的机电暂态过程,包括元件所采用的数学模型、网络求解和数值积分方法的研究。到的数学模型、网络求解和数值积分方法的研究。到7070年代中期,这类数值解法已经相当成熟,并已开年代中期,这类数
20、值解法已经相当成熟,并已开发出不少适合于工程应用的计算程序。发出不少适合于工程应用的计算程序。微分方程主要包括:微分方程主要包括:(1 1)同步发电机暂态和次暂态电势变化规律的微分方程。)同步发电机暂态和次暂态电势变化规律的微分方程。(2 2)同步发电机转子运动的摇摆方程。)同步发电机转子运动的摇摆方程。(3 3)同步发电机组中励磁调节系统动态特性的微分方程。)同步发电机组中励磁调节系统动态特性的微分方程。(4 4)同步发电机组中原动机及其调速系统动态特性的微分方程。)同步发电机组中原动机及其调速系统动态特性的微分方程。(5 5)感应电动机和同步电动机负荷动态特性的微分方程。)感应电动机和同步
21、电动机负荷动态特性的微分方程。(6 6)直流系统整流器和逆变器控制行为的微分方程。)直流系统整流器和逆变器控制行为的微分方程。(7 7)其他动态装置(如)其他动态装置(如SVCSVC、TCSCTCSC等等FACTSFACTS元件)动态元件)动态 特性的微分方程。特性的微分方程。代数方程主要包括:代数方程主要包括:(1 1)电力网络方程,即描述在公共参考坐)电力网络方程,即描述在公共参考坐标系标系x-yx-y下节点电压与节点注入电流之间下节点电压与节点注入电流之间的关系。的关系。(2 2)同步发电机定子电压方程(建立在各)同步发电机定子电压方程(建立在各自的自的d-q d-q坐标系下)及坐标系下
22、)及d-q d-q坐标系与坐标系与x-yx-y坐标系坐标系间联系的坐标变换方程。间联系的坐标变换方程。(3 3)各直流线路的电压方程。)各直流线路的电压方程。(4 4)负荷的电压静态特性方程。)负荷的电压静态特性方程。时域仿真法是将电力系统中各元件的动态写成一时域仿真法是将电力系统中各元件的动态写成一组微分方程式:组微分方程式:这里,这里,表示各元件的状态变量,如发电机转子角表示各元件的状态变量,如发电机转子角,角速度角速度,发电机暂态和次暂态电,发电机暂态和次暂态电 势势 ,励磁系统及励磁调节系统的状态,原动机及调速励磁系统及励磁调节系统的状态,原动机及调速系统的状态变量,描述负荷暂态过程的
23、状态变量系统的状态变量,描述负荷暂态过程的状态变量等。等。在不考虑电力网络内发生的暂态过程,我们可在不考虑电力网络内发生的暂态过程,我们可以用一组代数方程来描述电力网内运行参数(以用一组代数方程来描述电力网内运行参数()的关系,即:)的关系,即:上式中的代数方程式可包括网络方程,发上式中的代数方程式可包括网络方程,发电机定子绕组电压平衡方程,用静态特性模拟电机定子绕组电压平衡方程,用静态特性模拟的负荷方程等。代数变量的负荷方程等。代数变量 可分别表示可分别表示电力网络的运行参数,如节点电压和各节点的电力网络的运行参数,如节点电压和各节点的注入电流。注入电流。系统元件与网络的相互关系示意图系统元
24、件与网络的相互关系示意图 电力系统 稳定器PSS 励磁系统 原动机及其调速系统 转子机械 运 动 发电机定子及转子绕组Eq,E”q,Ed,E”d,Id,Iq,Ud,Uq 电 力 网 k ZD 负 荷(考虑静态特性)负荷(含感应电动机)eMT,ME&机械负载 稳定计算实质稳定计算实质 以遭受大扰动时刻(以遭受大扰动时刻(t=0t=0)的运行状态为初始状)的运行状态为初始状态,对上述方程组用某种数值方法推算态,对上述方程组用某种数值方法推算t=0t=0后系统运后系统运行状态的变化过程,并随时根据系统故障的演变和行状态的变化过程,并随时根据系统故障的演变和操作修改上式的具体内容。操作修改上式的具体内
25、容。核心问题核心问题机网接口的处理机网接口的处理微分方程求解的数值稳定性问题微分方程求解的数值稳定性问题微分方程与代数方程交替求解的交接误差问题微分方程与代数方程交替求解的交接误差问题故障与操作的处理故障与操作的处理t稳定的判据稳定的判据 电网遭受每一次大扰动后,引起电力系统电网遭受每一次大扰动后,引起电力系统各机组之间功角相对增大,在经过第一或第二各机组之间功角相对增大,在经过第一或第二个振荡周期不失步,作同步的衰减振荡,系统个振荡周期不失步,作同步的衰减振荡,系统中枢点电压逐渐恢复。中枢点电压逐渐恢复。1 1)相对角才是同步的表征)相对角才是同步的表征2 2)绝绝对对角角不不能能用用来来判
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