| 单词 | 电力系统稳定性与控制 |
| 释义 | 【电力系统稳定性与控制】 国内外的运行经验表明：电力系统稳定性的破坏是事故扩大、系统瓦解的重要原因。由于诸多因素，如电源向大容量化发展，且远离负荷中心，需要充分利用输电路径及设备等，使得系统的稳定有恶化的趋势。 电力系统稳定性是一个内容丰富又十分复杂的课题，而且发展也比较迅速。经典稳定理论和现代稳定理论区分的标志之一，是有否自动控制。控制的引入对于稳定性的重要影响有：(1)改变了稳定性主要取决于网络强度的传统观念，将自然的、松弛联系的系统改变为受控的、紧密联系的系统，因而提高了系统的稳定性。(2)改变了对稳定性传统分析的方法，增强了系统的“刚性”，提高了对数值计算的稳定性要求。美国C．Concordia(1985)曾提出：快速励磁及其控制“为电力系统(稳定)分析开辟了一个全新的方向”。(3)促进了分析小干扰稳定性的状态空间特征根分析法(或称复频域法)的发展。(4)促进了对新现象、新规律的探索，如从改善系统全局的稳定性出发，协调设计及管理所有控制装置等。(5)改变了电力系统稳定性的分类法。电力系统稳定性及控制是电力系统安全性及控制的组成部分。电力系统安全控制由3部分组成：正常状态下的预防控制；紧急状态下的紧急控制，即稳定性控制和耐受性控制；恢复状态下的恢复控制。50年代，中国一直采用静态稳定性及动态稳定性来描述电力系统的稳定性。1958年，前苏联B．A．Beникoв将系统进行状态分为：稳态下的小偏差小变速状态(相当于静态稳定性)；大干扰小变速状态(相当于暂态稳定)；大干扰大变速状态，系指失去同步级再同期恢复同步的整个过程，也包括同步机异步运行。但这个提法，未能被广泛采纳。1965年，R．T．Byerly及E．W．Kim．-bark提出：静态稳定性，主要指发电机之间的功角过大，同步能力较低，致使失去稳定；动态稳定性，系统受扰动后产生等幅或增幅振荡，这种振荡带有自发性，频率在0．2～2Hz之间；暂态稳定性，描述系统遭受大干扰后，在第一摇摆内保持同步的能力。IEEE电力系统动态过程及行为分委会于1982年提出的稳定性分类意见为：小干扰稳定性，又称静态稳定性，表示在某运行点所得到的描述系统的一组线性微分方程是稳定的；大干扰稳定性，又称暂态稳定性，系指系统在某运行点经受某扰动后，趋于可以接受的运行状态。此时系统可用一组非线性微分方程描述。另外，IEEE(1982)也提出时域分析法是分析系统稳定性的主要方法。暂态稳定分析程序已达到了相当先进的水平，在规模上已可包括几千条母线、几千条线路、几百台发电机以及各种元件(包括控制和保护装置)的详尽模型，不仅可用以研究系统摇摆过程，而且可模拟系统在频率和电压异常情况下的运行和系统解列等过程。在计算方法上，除了探索并行计算求解网络代数方程外，改进并不太大。也就是说，目前的计算方法基本上已能够满足现代电力系统稳定分析的要求。比较关心的有：(1)数学模型。(2)输出结果的处理分析方法。模式识别：按照典型的运行方式，通过大量的离线计算，构成样本集，从中抽取表征系统稳定性的特征量(如电压或输出功率)，并拟合出特征量的空间分界面或判别式。该法的改进主要有两方面，一是如何减少计算量，二是网络结构改变后是否需重新确定判别，模式识别法可用于快速在线判别，并已被用于综合自动切机装置上。在模式识别中也已开始用人工智能原理。概率法：是将故障类型、地点及切除时间等分布曲线作为原始数据，进行随机定分析。例如，故障发生地点按一定规律在全线路上分布；短路切除时间在其均值10%范围内变化；系统输出功率0．9时，在3个周波内切除故障，可保持稳定概率100%，6个周波内切除故障，则将降低到75%。这种用稳定度来度量稳定性的方法可为系统规划提供有用信息，但对运行来说实用性较差。该法也存在需大量离线计算的问题，目前还不能用于大规模电力系统。暂态能量函数法(直接法)是快速分析、减少计算量的一种方法。频域转换算法采用富里叶变换可将时域输出响应变成相应的频谱曲线，由此确定出振荡频率。如适当选择时域响应的观察窗口的宽度及时间间隔，就可由两个窗口的傅里叶积分之比精确地计算出衰减系数，从而得到系统动态品质的定量指标。该方法的应用规模及模型的详尽程度与暂态稳定程序相同，而且可求出系统内任何变量的频域响应。(3)动态等值。目前使用的各种动态等值方法(如同调等值、模式等值及估计等值法)是建立在线性化模型等值的基础上的，应用于暂态稳定计算显得论据不足，但仍是很有吸引力的研究课题。(4)输出的自动化处理。复频域法是以求解系统在某运行点上线性化微分方程式的特征根为基础的分析小扰动稳定性的一种方法，亦称状态空间－特征根法。其优点是：能够求出系统固有特征根(振荡模式)及其阻尼比，从而可定量地衡量频域内的稳定性；能够确定转子摇摆时组之间的相位关系；能够帮助找出振荡的来源及原因；能够计算出稳定性对参数的灵敏度，是进行控制器综合协调设计的有力工具。在这些方面，时域分析法不如频域分析法有效。但复频域法也受到特征根数值计算精度的限制，状态方程的阶数一般认为最大不能超过200阶，所以不能满足大规模电力系统小干扰稳定性分析的需要。为此，提出了复频响应法和降阶法。复频域响应法，亦称电力系统自发主振荡模式分析法(AESOPS)。它对发电机逐台施加外部转矩扰动，从一个初始估计值开始搜索，直到共振频率为止。它可以确定各台机组最大的转子摇摆模式(即主振荡模式)。该法能有效地节省计算工作量及存贮量。如果事先能大致了解系统中弱阻尼的模式，则该方法还可用于大规模系统，且能很快得出结果，已成功地用于834台机、8867条母线的一个系统。但这种方法只能计算转子摇摆模式，不能直接用来作为控制器的协调设计工具。Y．Obato等(1981)提出的S－矩阵法，与此方法的原理及特点基本相同。另有一种是逆迭代法，它可以有效地求取主高阶稀疏矩阵的部分特征值，对初值要求较高，否则当某些特征值非常接近时，可能不收敛于期望的特征值。降阶法主要有两大类：奇异摄动法及集结法。奇异摄动法是把状态变量分成快变化及慢变化两组。该法用于分离与电压崩溃有关的极缓慢的单调变化模式有效，但不能满意地用于具有控制器的电力系统低频振荡分析。集结法的优点是可以集结任意的模式，但必须知道全阶系统的所有特征根。这种方法只适用于弱阻尼模式以及与其相关的变量已知的情况。由电力系统动态特性可知：多机系统小干扰稳定性主要取决于转子摇摆模式；机组与模式之间的关联特性可在一个2n×2n阶模型上(n为机组数)用特征根灵敏度来描述。利用灵敏度矩阵的稀疏性，可将所有转子的摇摆模式集结到2n×2n的降阶矩阵中，一次求出所有的转子摇摆模式，这就是所谓的二阶集结法。利用机组－模式的关联特性也可将机组分解，求出与这群机组有关的摇摆模式及相关的其他所有模式，这就是所谓的外部系统分割降阶法。这种方法只能处理机组数不超过100台的系统。状态空间——特征根法还可用于分散设置控制器的协调配置及参数设计。发电机附加励磁控制器的配置及参数设计方法已受到普遍关注。但对于某种模式的低频振荡，相应的抑制振荡的励磁附加控制有合理配置及优化设计的问题。大系统理论或现代控制理论为解决这类问题提供了非常有用的工具。如采用机组－模式关联特性，可较满意地解决合理配置问题。为解决参数优化问题，采用的随机搜索、线性规划法、分散最优控制和极点配置等方法都有大量的报导。从实用上看，与主导极点配置有关的一类方法比较有前途，因为它们都是依据电力系统动态特性主要取决于主导极点这一特点，因而概念清楚、算法简单，且可和现场调试法联系起来。多维奈魁斯特判据也可用来分析多机系统小干扰稳定性，但它不能给出特征根法那样多的稳定信息，特别是不能给出参数稳定性之间的关系，因而很难用它来确定振荡源及设计抑制振荡的控制器。特征根法也是研究次同步振荡、发电机轴系扭振的有力工具。直接法(即暂态能量函数法)已取得了重要进展，成为时域分析法重要的辅助方法。其主要优点有：计算速度快，可快速“扫描”系统暂态过程，能给出系统稳定方程。其主要的局限性是：模型较简单，发电机采用经典模型，负荷为恒定阻抗，并只考虑单一摇摆的稳定性；在一些特殊运行工况及扰动下，很难判别失稳模式，一旦发生误判，则计算结果误差很大。直接法已取得的进展主要有：在数学模型方面，已初步计入励磁系统的影响，发电机用四阶实用模型，并可计及双端直流系统，可考虑负荷的静特性。计算方法上，计算稳定平衡点(SEP)及不稳定平衡点(UEP)中采用了优化方法，加快收敛速度；采用高阶台劳级数展开式计算系统轨迹，提高计算速度；保留网络全部节点，以采用稀疏技术及获得更多信息；或采用单机对无穷大等值以减少计算量及探讨并行算的可能性等。对大系统用分散－集结的方法，以及用矢量李雅普诺夫函数来分析稳定性等。推广应用方面、用直接法原理构成失步继电器、计算传输线功率极限、分析系统稳定度对于参量及运行状态变化的灵敏度、对时域分析结果的处理及加工、在线动态安全分析、离线暂态稳定分析的“筛选”工具、研究电压的不稳定性等，已取得了阶段成果。其中时域法是最主要的方法，频域法和直接法可以提供时域法所不能取得的信息。因此3种方法是互相补充、相辅相成的。模型及参数的正确可靠是稳定性分析及控制器设计的基点。主要进展如下：对于水轮电机来说，采用转子d轴上两绕组和q轴一阻尼绕组模型一般能满足要求。但对于采用快速励磁系统及稳定器(PSS)的汽轮发电机来说，由于转子的集肤效应明显，所以要用d轴三绕组和q轴三绕组来模拟，才与实际吻合良好。研究表明，发电机模型对转子摇摆分析有很大影响。如电机故障时直流分量对转子摇摆的影响有时较大，但实用分析常将之忽略。又如发电机的饱和将显著影响发电机的动态性能及初始工况建立。Xaq的饱和影响初始功角，Xad的饱和影响了起始励磁电压。关于饱和的计入，有的d、q轴采用不同的饱和函数；有的采用由有限元的分析结果，得出d、q轴的饱和函数，使Xad、Xd、Xq随发电机负荷而改变。这两种方法都能得到与现场测试一致的结果。然而对于欠激的情况，特别是当发电机内功角达50°～60°时，计算与测量的一致性还有待验证。另外，当研究非对称故障及单相重合闸过程时，一般计算中不考虑负序电流及其产生的力矩在发电机中的影响，有的是用等效负序电阻上的损耗来近似，因此，还有待于改进。励磁系统的数模对稳定性(包括第一摆及后续摆动)的影响是很显著的。IEEE1968年提出了一套数模，1981年作了重大改进，在交流励磁机数模上计入了交流励磁机的电枢反应及换弧效应。当发电机出现三相短路时，上述效应使交流励磁机输出的直流电压下降，而且励磁机时间常数越小越严重。调速器及汽轮机控制器的数模，由于IEEE1973年公布的数模中，许多重要的非线性影响未包括，因而对频率变动较大和快关汽门的模拟都是不适用的。负荷的数学模型，目前作法是略去负荷的过渡过程，而表示成电压、频率的多项式函数，其中的系数用某些负荷实测的数据代之，对于比较重要的负荷则用同步机式异步机表示。在负荷模型上的进展不够显著，但由于在线监测及辩识技术的应用以及负荷特性的调研和集结，可能对负荷数模会有所改善。有了精确的模型，还必须有准确的参数。电力系统中的发电机、励磁系统、调速系统的参数都是随工况改变的，所以单靠制造厂家用传统的实验方法提供的数据已不能满足要求。利用甩负荷、加扰动等在线测算发电机参数的方法已有不少报导。另一种方法就是辩识技术，例如随机相关识别、最小二乘识别以及以计算机算法为基础的快速富里叶变换、曲线拟合等技术，已能实用于在线测算发电机及控制系统的参数，而且不影响系统的正常运行，这是测量技术上的一个重大突破。这些技术还可以用于在线稳定监视和分析以及在线调整控制器等方面。辩识技术的应用为在电力系统运行中进行试验开辟了道路。在提高系统定性的各项措施中，按效益投资比以及易于实现来说，励磁控制是最有效的，并已取得长足进展，因此有的国家将其列为基本措施。在静态稳定方面，对单机－无穷大系统，维持发电机端电压恒定，可以使稳定极限达到相当于Xd=0的线路功率极限，比没有电压调节器时提高40%～100%。为了达到端电压恒定，提高暂态稳定性，需采用高放大倍数，如200～300倍。但长矩离送电的发电机在这种情况下，有可能产生低频振荡。既可采用高放大倍数，又不发生振荡的办法有两种：一种是用比例－积分－微分(PID)调节器；另一种就是用附加信号(例如速度、频率或功率偏差信号)，经过附加励磁控制(即稳定器PSS)送入电压调节器。实验证实可使系统静稳达到线路功率极限，它可大大提高事故后的静态稳定性。研究表明，这种附加励磁控制在运行情况改变后仍具有良好的适应性，因而得到了广泛的应用。苏联自50年代开始研究的强力式调节器，其原理和效益与PSS基本相同。工业上已普遍采用的稳定器(PSS)本质上是一种复频域上的极点配置法，其设计及现场调试的方法已相当成熟。另一种最优控制器或称多参量优化控制器是建立在时域最优控制理论的基础上的，要求设计人员有丰富的性能指标设定经验(主要表现在权矩阵的选取上)，在多机系统中的设计方法及现场调试方法还不够成熟，其效益与稳定器基本相同。励磁控制，目前正向更高的层次发展，如二次电压控制。它将系统的主要发电机与其他无功设备协调后，共同控制或维持系统内某个枢纽点的电压。在暂态稳定方面，快速励磁系统的应用，尤其静态励磁(自并激)的应用日益普遍。因为这种系统可靠性高，造价低。另外，在快速励磁系统上一般均配以高放大倍数的电压调节器及稳定器。为进一步提高暂稳，可采用励磁继续控制。在有的情况下，可使极限切除时间延长一倍，稳定极限提高10%～15%。过去，交流输电是无法实现相位、阻抗及电压的快速控制的，可以说稳定性问题及潮流不合理分布都与此有关。但是随着功率电子学的出现，这种状况将要得到改变。据预测，2110年内，它将是使系统发生很大变化的技术之一。除了可实现静止补偿、可控制动电阻和串联补偿的可控强补装置外，还可能出现快速的大功率360。移相器，因而可自由地控制两个系统之间的潮流。这些装置的出现会使电力系统变成具有弹性的灵活的交流输电系统。目前静止补偿器已达到实用阶段，其容量如果足够大，则可保持长线中点的电压恒定，从而可提高静稳极限及改善暂态稳定性，还可引入频率及线路功率信号，抑制系统低频振荡。交直流混合输电中，直流输电的功率调制可改善稳定性，如当并行的交流输电线发生故障时，增加直流的输送功率可减小送受端功率不平衡；直流功率调制可保持受端系统的频率；在正常情况下，可增加系统的阻尼，防止功率振荡。随着可控硅阀可靠性的提高及直流输电设备价格的降低，直流输电由于其各种优良性能而得到广泛应用。再同期及解列是系统失去稳定后，最终解决稳定性的两种措施。在解列方面，新型失步继电器和全网协调解列控制均有进展。目前失步继电器主要是按母线感受阻抗的变化轨迹特点设计的。这种继电器只有在失步以后才能判断。正在研制的新型继电器有两种：一种是检测振荡中心电压变化率的，另一种是以能量函数为基本原理的。它们都能在失步前预测失步。全网协调解列控制系统是高度自动化的控制系统，在日本已付诸实现，它是事先计算、整定不同解列点的动作值，并且在解列点之间进行信息交换，以确保不出现两个以上的解列装置同时动作。设想的综合稳定控制应该是一个具有分层结构的控制。它可分为3层：第1层为子系统和各种稳定控制装置的综合层。如励磁、快关、电制动、再同期、解列等，大体上应按时间序列协调配合。(1)结局是稳定的系统。从故障至第1摆峰，应投入快关、励磁断续控制、切机及电制动，当到达第一摆峰值时，快关应停止，电制动应退出；从第1摆峰到第1摆谷，断续励磁应提供最大负向电压；后续摆动主要靠附加励磁控制提供足够的阻尼；事故后，主要靠电压调节器及附加励磁控制提高事故后静稳；当永久性故障时，汽门应关小，以防止事故后失去静稳。(2)经再同期而保持稳定。前面控制失灵，发电机失步，靠调速器减少频率和励磁，增大同步转矩；牵入同步后，靠附加励磁控制改善动态品质。(3)再同期在规定时间内不成功，靠失步继电器解列。上述这些功能(包括自适应)，应该由在线微机控制来实现。第2层为地区综合层。是按地区将控制综合，传输的信息较少，如电压二次控制、模式识别型远方切机、切负荷等。第3层为全局综合层。这层可分三步实现。通过离线计算，协调配置及综合设计各子系统的控制器，使其具有一定的适应性。建立在线实时稳定监视及决策系统，将实际运行状态输入大型计算机，进行预想事故模拟计算，并显示系统是否稳定、各种自动装置保护协调的方案和其他应采用的措施。这是系统预防控制的一部份，要求具有很高的反应速度。建立全系统在线实时闭环稳定控制。近年来由于超小型计算机、高速可靠的通讯技术及计算方法的发展，美国EPRI认为这一步是可能实现的。(清华大学刘取、倪以信撰) 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