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动态电力系统

发稿时间:2020-08-28 05:25 来源:未知 【 字体:

  下篇 动态电力系统理论与分析 电力系统是一个复杂的动态系统, 一方面它必须时刻保证必要的电能质量及数量; 另一 方面它又处于不断的扰动之中,扰动发生的时间、地点、类型、严重性均有随机性,在扰动 发生后的系统动态过程中一旦发生稳定性问题, 系统可能在几秒内发生严重后果, 造成极大 的经济损失及社会影响。 动态电力系统理论是研究电力系统动态行为的机理与规律、 数学模 型与分析方法、监护与控制对策的一门科学,它是电力系统规划、设计、运行的基础,是电 力系统研究的一个极为重要的方面,对系统的安全稳定运行有极大的意义和作用。 现代电力系统有一系列新特点,如采用大容量机组,超高压、长距离、重负荷输电,交 直流联合输电, 大区电网互联, 同时还出现了大量新型负荷等等, 由此产生了一系列新问题, 如长距离重负荷输电线上的功率振荡问题, 大功率机组与串联电容、 直流输电引起的次同步 振荡问题等等,亟须解决。同时计算机技术、信息技术及现代控制理论等现代科学技术在电 力系统中的应用也要求对动态电力系统理论有透彻的理解, 以便使各种控制能充分协调, 使 各种先进技术为确保电力系统的安全稳定运行服务。 所有这一切, 使得动态电力系统理论与 方法也在不断发展。 动态电力系统研究要解决的一个核心问题是系统的稳定问题, 即系统在受到各种扰动后 能否保持稳定运行。直接应用自动控制理论中的稳定性定义及分类对于电力系统不太实用, 工程中一般根据电力系统的特点对电力系统的稳定性进行定义及分类。 但到目前为止, 各种 分类方法不十分严格,也不十分统一。例如,可按电力系统过渡过程的时间域特点分为转子 第一摇摆稳定(约 1s 左右)、转子多摇摆稳定(3~10s)和中期稳定(长达几十秒到几分钟)。更 长时间的问题属长期动态问题(长达几十分钟到 l 小时)。对于不同的时间域问题,分析所用 的元件模型和计算方法有很大不同。另外,可按所研究的物理问题的性质对稳定问题分类, 如功角稳定、电压稳定、低频振荡、次同步振荡问题等等。另外,常根据扰动大小划分为大 扰动稳定问题(此时非线性元件用非线性微分方程描写,可汁及离散的操作、故障和控制)和 小扰动稳定问题(此时系统元件都用运行工况下的系统线性化微分方程描写)。上述各种划分 方法各有优缺点, 而且划分并非十分严格, 用时间域特点来分类时, 时域界线也不严格等等。 国际电气与电子工程师协会 (1EEE)把稳定分为暂态稳定 (transient stability)和 静态稳 定 (steady-state stability)两大类,并给出了相应的定义。 对于某一特定的稳定运行状态,以及对于某一特定的扰动,如果在扰动后系统可以达 到一个可以接受的稳定运行状态,则对此初始状态及对此扰动而言,称之为暂态稳定的。这 一定义实质上和大扰动稳定对应, 只要求最后达到一个可以接受的运行状态。 显然对于不同 初始工况及不同扰动, 要做大量计算, 以便确定系统的暂态稳定性。 由于系统呈现强非线性, 因此要用非线性微分方程描写, 分析目的为判别非线性系统的稳定性问题, 目前主要有时域 仿真法(又称“逐步积分法” ,或“step by step”法)及李雅普诺夫直接法(简称“直接法” ,又 称 “暂态能量函数法” 相应英文名称为 , “direct method” “transient energy function method” 或 , 即 TEF 法)。 对于某一特定的稳态运行状态,遭受一个微小的扰动(理论上扰动量趋近于零),系统经 历一个过渡过程后,趋于恢复扰动前的运行工况,则称该系统在此特定运行工况下,具有小 干扰稳定性。 对系统在小扰动下的动态行为进行分析,可将描写系统动态行为的非线性微分方程组 在运行工作点线性化,化为线性微分方程组,然后用线性系统理论及相应的分析方法 (如特 征根分析、扫频分析等)进行分析。系统的模型可以计及系统元件和调节控制器的动态特性, 从而实现严格准确的小干扰稳定性分析,工程中称之谓动态稳定分析。 在实际小扰动稳定性分析时, 常对线性化微分方程作进一步简化假定, 即忽略元件及调 节器动态, 系统的电磁回路部分及调节控制部分化为线性化代数方程描述, 并利用代数判据 来作稳定分析,如功角稳定分析中用的 dP 判据等等。为区分这两类系统模型及相应的分析 dδ 方法,本书中将计及元件及调节器动态,用线性化微分方程描述的系统稳定分析称为“动态 稳定分析” ,而将忽略元件及调节器动态基于系统线性化代数方程,用代数判据进行的系统 稳定分析称为“静态稳定分析” ,这和我国有关规程的分类法是基本一致的。显然动态稳定 分析是严格的小扰动稳定分析,而静态稳定分析是简化的小扰动稳定分析。 将电力系统稳定问题分为暂态稳定、 动态稳定和静态稳定三大类时, 要注意这种分类法 没有突出问题的物理本质, 但在电力系统研究中却是十分重要的。 例如电力系统低频振荡和 电力系统机电耦合互作用引起的次同步振荡和轴系扭振均属动态稳定范畴,但二者数学模 型、分析方法、物理本质及控制对策有很大的不同。低频振荡是发电机—原动机轴系作为一 个刚体时各机组相互之间的摇摆,其频率一般在 0.2~2.5Hz 左右。而轴系扭振是由于发电 机—原动机轴系作为一个多质块弹性轴,各质块间的扭转振荡,其频率一般在 8~70Hz 左 右。由此可见,动态电力系统研究最根本的是抓住物理问题的本质、机理,并据此选择正确 的数学模型和分析方法。 类似的例子还有功角稳定问题和电压稳定问题, 二者在小扰动下均 属动态或静态稳定问题范畴, 但功角稳定与电压稳定的机理有很大差异, 对元件模型的要求 也有很大不同,这点要特别注意。本书中将兼顾通常的稳定分类及研究问题的物理本质,以 便了解问题的个性和共性,从而得到对动态电力系统行为特征的正确认识。 在下篇中将介绍暂态稳定、 动态稳定及静态稳定问题的一般模型及分析方法, 并对电力 系统一些重要的稳定问题, 如低频振荡、 次同步振荡和轴系扭振问题作了系统的研究及分析, 对于大规模电力系统的动态等值问题、 交直流联合输电系统的稳定分析也作了简要论述和介 绍。