试述电力系统分析中的暂态稳定问题

刘伟

【摘 要】随着国家各项基础设施建设的日益完善，对能源的需求量也日益增加，其中，电能已经成为现代社会发展进程中最为重要的基本能源之一，给我们的生活带来了诸多的便利。基于此，国家电力系统安全稳定运行是老百姓维系正常生活的重要前提。在现实生活中，电力系统的运转优劣直接影响着社会当中各个环节的运行秩序。为了防止电力系统出现异常状况，给居民用电带来影响，有关部门对电力系统的暂态稳定、紧急控制等领域进行探究。

【关键词】电力系统；暂态稳定；紧急控制

引言

随着电力技术逐步成熟，电力并网规模不断增大，电力场接入对电力系统的影响越来越显著，电力系统在电压稳定、频率稳定、电能质量、次同步振荡等方面都呈现出更为复杂的特性，电力系统的安全稳定运行面临新的挑战，其中，大规模电力接入下电力系统的暂态稳定性也是人们关心的热点问题之一。

1、暂态过程的数学表达式

为了能够得到扰动过程中功舞变化曲线，就需要进行暂态的斤算。以下就针对发电机的经典模型，即发电机直轴暂态电抗Xd′后电势E′可以在暂态过程中始终保持一直不变的状态，并利用此电势的近似角度来对电极功角进行表示；其中，负荷采用的是恒阻抗模型的形式。

1.1动态方程

1.2初值方程

初值方程是以静态潮流方程的解来求解状态变量初值和，作为暂态计算的初值：

即

其中，；是第台发电机的功角初值，是第台发电机的有功和无功输出。

1.3网络方程

网络方程是各台发电机和负荷相联系的纽带，通过注入网络电流，可以确定各节点的电压值。为了提高求解网络方程的效率，需要对发电机节点和负荷节点做一定的处理。对于发电机节点，可以将电压源模型的等值电路转化为电流源模型的等值电路。如图所示：

对于负荷节点，如果采用恒定阻抗模型，则同样可将其阻抗并入到网络导纳矩阵当中，但是没有注入电流。这样，将发电机暂态电抗和负荷阻抗并入到网络导纳矩阵后的网络方程为：YV=I

其中，是处理后的网络导纳矩阵，是节点电压向量；是节点注入电流向量；需要注意的是，每次发生故障或其他操作时，导纳矩阵元素需要进行相应的修改。当在直角坐标系下求解网络方程时，上式可以写成如下实数形式：

2、电力系统暂态稳定分析

2.1电力系统暂态稳定分析的理论描述

在现实环境中，供电系统是一个较为复杂的体系，因其结点分布较为广泛，是众多国家基础設施建设及人们工作生活的重要支柱。对于电力系统的整体规划及运行过程而言，如若保证电网运行的高效性与稳定性，则要进行大量的暂态稳定分析，并针对相关的分析结果制定出电力系统的紧急控制策略，以便在实践过程中降低风险发生时的损失。

2.2电力系统暂态稳定分析的主要内容

一般情况下，电力系统在实际运行中可能会遇到各种因素的干扰，因此，就可能会造成系统内部发电机的输入机械功率与输出电磁功率失衡，在这种情形下，电力系统中各个机组的转子速度就会发生晃动，则会引起两种不同的后果：其一是晃动后停止，系统延续之前的运行状态继续运行，我们就可以评定该系统在受到干扰后是暂态稳定的；其二是机组发生晃动以后，导致发电机组内部出现了震荡，导致系统功率或电压不稳，则称其为电力系统处于非暂态稳定状态。

2.3暂态稳定分析的目的及方法概述

暂态稳定分析是通过模拟某种故障场景，使电力系统受到较大干扰后，来测定电力系统的挡干扰能力的强弱，以便与采取一定的措施来控制系统维系暂态稳定，提高电力系统在运行过程中的安全性与稳定性。暂态稳定分析的方法一般采用数学方法，运用微分方程组的数值求解过程与函数计算过程来实现。在实际计算过程中，可能会产生一定的测量误差，会对分析结果造成影响。但从总体来看，在进行暂态稳定分析时要将可能出现计算误差的情况考虑进去，进而使分析结果更为精准，对实践有利。

例如：某电站为350MW的自备电站电力小系统，日常自备机组发电量300MW，另50MW缺口负荷由一条220KV线路供电，发生雷击事故，220KV线路跳闸，低周减载正确动作，甩去50MW负荷，自备电站电力小系统孤岛运行，小系统稳定。以此来分析电力系统的暂态稳定问题，由于50MW是一个负荷缺口，主要用于对接220KV线路的外接供电，而300MW的自备机组能够在发生雷击，220KV线路跳闸的情况下进行正常运行，这一现象称为暂态稳定。

3、电力系统暂态稳定控制措施

当电力系统受到大的扰动冲击时，发电机组输入的机械功率和输出的电磁功率会失去平衡，引起转子速度及角度变化，各机组间发生相对摇摆。经过一段时间后，系统或是逐步趋向同步运行或是趋向失步运行。如果这种摇摆最后平息下来，系统中各发电机组能够达到稳态运行，则认为系统是暂态稳定的；如果发电机转子之间的相对角度不断增大，直到发电机失去同步，则认为系统失去了暂态稳定。暂态稳定破坏会引起非常严重的后果，尤其对于大规模电力系统而言，如果失去暂态稳定往往引起大规模停电事故，给国民经济造成巨大损失。我国《电力系统安全稳定控制技术导则》将大扰动按照严重程度和出现概率分为三类：

第1类，单一故障（出现概率较高的故障：任何线路单相瞬时接地故障重合成功；同级电压的双回线或多回线和环网，任一回线单相永久故障重合不成功或无故障三相断开不重合，任一回线三相故障断开不重合；任一发电机跳间或失磁；受端系统任一台变压器故障退出运行；任一大负荷突然变化；任一回交流联络线故障或无故障断开不重合；直流输电线路单极故障。

第2类，单一严重故障（出现概率较低的故障）：单回线单相永久性故障重合不成功或无故障三相断开不重合；任一段母线故障；同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障重合不成功，双回线三相同时跳开；直流输电线路双极故障。

第3类，多重严重故障（出现概率很低的故障）：故障时开关拒动；故障时继电保护、自动装置误动或拒动；自动调节装置失灵；多重故障；失去大容量发电厂；其他偶然因素。为了保证电力系统发生第类较严重故障时的安全稳定运行，应由防止系统稳定破坏和运行参数严重越限的紧急控制措施，构建保证电力系统安全稳定的第二道防线。对于防止暂态稳定破坏的紧急控制措施按作用方式大体分为两类：

（1）减轻由扰动引起的发电机功率过剩和输电断面输送能力降低的实现手段，包括送端切除发电机、汽轮机快速控制汽门（简称快控汽门）、动态电阻制动、集中切负荷和局部解列等；（2）增强输电断面输送能力的实现手段，包括发电机励磁紧急控制、串联或者并联电容装置强行补偿、切除并联电抗器和功率紧急调制等。

以下简单介绍几种控制措施。

切除发电机：在暂态期间不平衡功率较大时使用，以达到快速降低送端电源加速能量的目的。汽輪机起停时间长、启动费用大，而水轮机起停方便、控制代价小，因而通常优先考虑水电机组。汽轮机快控汽门：送端汽轮机组快速控制阀门，通过降低输入机械功率达到减少不平衡功率的目的，分为短暂减功率和持续减功率两种方式。动态电阻制动：在发电机出口或者高压母线处并联接入电阻，暂态期间吸收加速功率以消除扰动引起的发电机过剩功率。

切负荷：受端系统切除一定比例不重要的负荷可以减小送受端发电机组的摆开程度；或者由于送端大量切机引起受端电网出现较大的功率缺额，在受端相应切除一部分负荷。

解列：弱联系的联络线一般是互联电网暂态稳定的薄弱环节，如果通过计算发现解列联络线损失最小，此时宜采取解列互联电网联络线的控制措施。在实际工程中，应用较多而且简单直接的措施就是切除发电机，本章的研究也是围绕切机控制措施展开的。

总之，暂态稳定分析与控制是电力系统正常运转过程中较为关键的管理步骤。关于电力系统暂态稳定分析和控制的研究内容较多，大部分的研究内容都需要首先假定关于电力系统运行情况的前提，但在现实运行过程中，往往与预设前提不符，因此，之前针对系统暂态分析与控制方面所进行的模拟分析与评估结果就会出现差异。所以，在实践过程中，要不断增强电力系统的暂态稳定控制过程的效果。

结束语

我国的能源分布决定了大规模、远距离的输电格局，多个电源集中基地会形成多个紧密联系的机群，给电网安全稳定运行带来挑战。基于响应的稳定控制可以对系统任意冲击做出实时控制决策，其本质上讲是一种反馈控制，控制措施实施时间较晚，切机量可能比基于策略表型的常规安全稳定控制系统要多，但是该方法灵活有效，适应性强，可以与传统的安全稳定控制系统互为补充。最后通过算例验证了该方法的有效性，其计算量小，灵活可靠的特点，可以构筑一道新的防线避免发生大规模停电事故，具有很好的工程实用价值。

参考文献：

[1]顾卓远.基于响应的电力系统暂态稳定控制技术研究[D].中国电力科学研究院，2014.

[2]郑焕坤.高精度A稳定电力系统暂态稳定计算方法研究及应用[D].华北电力大学，2013.

[3]包黎昕，宋志东，杨长能.直接法在电力系统暂态稳定分析中的应用[J].云南工业大学学报，1996，03：15-21+33.

[4]黄宇保.快速暂态稳定计算方法研究[D].浙江大学，2010.

[5]盛伟.电力系统大扰动分析[D].大连交通大学，2005.