【正文】 第一章 電力系統(tǒng)概述 2 電力建設(shè)任務(wù)艱巨 進(jìn)入新世紀(jì) 以后 ，我國(guó)的電力工業(yè) 進(jìn)入 快速發(fā)展時(shí)期， 但隨著目前電網(wǎng)進(jìn)一步擴(kuò)展，技術(shù)更加復(fù)雜，需要協(xié)調(diào)的問題更多， 發(fā)生 事故 后 波及的范圍 會(huì) 更廣，造成的損失會(huì)更大。 然而 當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)尚屬于高投入、高消耗、高排放、不協(xié)調(diào)、難循環(huán)、低效率的粗放 型增長(zhǎng)模式，突出表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)： 。我國(guó)水能 、煤炭較豐富，油、氣資源不足，且分布很不均衡。水能 資源 ， 煤炭探明保有儲(chǔ)量豐富 ， 然而 人均儲(chǔ)量 卻遠(yuǎn)低于世界平均 的水平，風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源發(fā)電受技術(shù)因素 的 限制，多為間歇性 的 能源 。 環(huán)境 、 資源 矛盾日益突出。電力生產(chǎn) 非常 依賴煤炭，大量 的 燃燒 和 開發(fā) 煤炭 將 引發(fā) 嚴(yán)重 的 生態(tài) 環(huán)境問題。火力發(fā)電需要 消耗 大量的水資源，而我國(guó)淡水資源 極度 短缺，人均占有量 僅 為世界平均水平的 四分之一 ，且分布 嚴(yán)重不均。同時(shí)，我國(guó)也是世界上水土流失、土地荒漠化和環(huán)境污染嚴(yán)重的國(guó)家之一。 從 我國(guó)的 現(xiàn) 階段 發(fā)展 分析，未來 很多 年， 都 是 人與自然之間沖突極為激烈 、大量 耗用 資源 的時(shí)期。目前的能源消耗 和發(fā)展方式，是我國(guó)能源、水資源和環(huán)境容量無法支撐的。因此，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式需要根本性轉(zhuǎn)變，以保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。 電力發(fā)展需求強(qiáng)勁 目前我國(guó)處于工業(yè)化的階段，重化工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速， 社會(huì)用電以工業(yè)為主，工業(yè)用電以重工業(yè)為主的格局還將持續(xù)一段時(shí)間。未來十多年，中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)將繼續(xù)持續(xù)較快發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、市場(chǎng)化、國(guó)際化步伐加快，人 民生活進(jìn)一步改善。與此相適應(yīng)，電力需求仍將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長(zhǎng) 。電力 發(fā)展需求 更為 強(qiáng)勁 。用電負(fù)荷增長(zhǎng)速度高于用電量增長(zhǎng)。 我國(guó)目前的開發(fā)方針為大力發(fā)展水電，優(yōu)化發(fā)展煤電， 積極發(fā)展核電。 在此方針的指導(dǎo)下，結(jié)合近期電力工業(yè)建設(shè)重點(diǎn)及目標(biāo)，我國(guó)電力發(fā)展將呈現(xiàn)以下四個(gè)鮮明特點(diǎn)： 、安全性和可靠性受到充分重視。 隨著保護(hù)裝置、自動(dòng)化系統(tǒng)、穩(wěn)定控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。電網(wǎng)網(wǎng) 架結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)、自動(dòng)化水平的提高，發(fā)生 事故 的數(shù)量會(huì) 大幅下降。 、高效和環(huán)保。隨著大容量機(jī)組的應(yīng)用、電網(wǎng)的發(fā)展以及先進(jìn)技術(shù)的廣泛采用，煤耗與網(wǎng)損逐年下降。在電網(wǎng)建設(shè)方面，將采用先進(jìn)技術(shù)提高輸電能金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章 電力系統(tǒng)概述 3 力、降低網(wǎng)損，加強(qiáng)環(huán)境和景觀保護(hù)，城市電網(wǎng)將逐步提高電纜化率、推廣變電站緊湊化設(shè)計(jì)。 調(diào)整力度將會(huì)繼續(xù)加大。將重點(diǎn)加快建設(shè)大型水電基地，因地制宜開發(fā)中小型水電站。提高煤電技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性。全面掌握 新一代 核電站工程設(shè)計(jì)和設(shè)備制造技術(shù)。在電力負(fù)荷中心、環(huán)境要求嚴(yán)格、電價(jià)承受力強(qiáng)的地區(qū)， 建設(shè)適當(dāng)規(guī)模的天然氣電廠 。在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，開發(fā)較大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)；在大電網(wǎng)覆蓋不到的邊遠(yuǎn)地區(qū)，發(fā)展太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電；因地制宜發(fā)展地?zé)岚l(fā)電、潮汐電站 、垃圾發(fā)電 、生物質(zhì)能與沼氣發(fā)電等。 。電力工業(yè) 化要以 科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染小的新型工業(yè)化 為目標(biāo) ， 電力設(shè) 備的創(chuàng)新與設(shè)計(jì)需要重視 。 牢記“引進(jìn)，吸收，創(chuàng)新“的方針。 通過深化電力需求側(cè)管理，通過節(jié)能、節(jié)電，加強(qiáng)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，逐步降低單位產(chǎn)值能耗等綜合措施。 隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，近年來世界各國(guó) 也 建設(shè) 了一些大的電力系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通常具有范圍廣、強(qiáng)非線性的特點(diǎn)。隨著電力市場(chǎng)化和 全國(guó) 聯(lián)網(wǎng)的不斷推進(jìn)，電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)越發(fā)復(fù)雜多變且接近其極限水平 ,在運(yùn)行中，由于某種破壞性的原因，有時(shí)會(huì)引起電力系統(tǒng)崩潰的問題，如發(fā)生在 2021 年 8 月 14 日的美加大停電， 2021 年 7 月 30 日的印度電網(wǎng)大停電。這都給我國(guó)的電網(wǎng)的運(yùn)行帶來 了很多 警 示。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 4 第 二 章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 電力系統(tǒng)穩(wěn)定的研究方法 暫態(tài)能量函數(shù)法的理論基礎(chǔ) 根據(jù) 李亞普洛夫穩(wěn)定性定理 得出 ，該方法是通過系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時(shí)的暫態(tài)能量值 以及 擾動(dòng)結(jié)束時(shí)暫態(tài)能量函數(shù)值 的相互 比較來判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的。暫態(tài)能量函數(shù)法 的缺點(diǎn)在于它 不計(jì)算系統(tǒng)實(shí)際故障后的發(fā)電機(jī)的 轉(zhuǎn)子 的 搖擺曲線，所以從臨界軌跡 處 獲得的都不是臨界能量 的 VCR。 因?yàn)?臨界能量的確定方法 的 不同 ,形成了 許多種 不同方法的暫態(tài)穩(wěn)定 的 分析 ,現(xiàn)如今 國(guó)內(nèi)外研究的 比較多 的主要有勢(shì)能界面法 (PEBS)、基于穩(wěn)定域邊界的 主導(dǎo) UEP(BCU)法、相關(guān)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)法 (RUEP)等 幾種 暫態(tài)能量函數(shù)法。各種方法在計(jì)算 VCR時(shí)都會(huì) 有一些 近似誤差。 (1)在 PEBS 法中 ， 勢(shì)能界面與持續(xù)故障軌跡相交的一點(diǎn)就 可以 近似 的 等于UEP， 可以用這一 點(diǎn)的勢(shì)能作為故障位置的臨界能量。 然而這種近似的缺陷在于它需要一定的條件，所以會(huì)帶來一定的誤差 (2)在 BCU 法中， 我們 近似出口點(diǎn) 是 經(jīng)過主導(dǎo) UEP 的恒值能量面 ， 恒值能量面 用來 代替穩(wěn)定流形。 然而 以偏差功率方程為零確定的主導(dǎo) UEP 點(diǎn)的勢(shì)能作為VCR 也 是有誤差的。 (3)在 RUEP 法中，主導(dǎo)失穩(wěn)模式的準(zhǔn)確 判別是有困難的。而且，實(shí)際多機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡并不經(jīng)過 RUEP 點(diǎn)，所以用 RUEP 點(diǎn)的勢(shì)能作為 VCR,也有一定的誤差。 時(shí)域法是將電力系統(tǒng) 的 各元件 的 模型根據(jù)元件 的 拓?fù)潢P(guān)系形成全系統(tǒng) 的 模型，這是微分 以及 代數(shù) 聯(lián)立的方程組 ，然后以穩(wěn) 態(tài)工況 以及 潮流 計(jì)算 解為初值，求擾動(dòng)下的數(shù)值解，即逐步求得系統(tǒng)狀態(tài)量和 代數(shù)量隨時(shí)間的變化曲線，并根據(jù)發(fā)電機(jī)功角值大于某一特定閥值來判別系統(tǒng)能 否在大擾動(dòng)后維持暫態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。時(shí)域法 的優(yōu)點(diǎn)是 具有廣泛模型的適應(yīng)性，但是 缺點(diǎn)也很明顯 由于 利用 數(shù)值求解，計(jì)算速度 較 慢；閥值的選取 則 是通過工程 經(jīng)驗(yàn)得到的，缺乏 理論依據(jù) 的依托 ；也不能 直接給出 穩(wěn)定裕度 。 總之，直接法 的優(yōu)點(diǎn)在于 無需數(shù)值求解功角搖擺 的 曲線，計(jì)算速度 比較 快，還 能給出穩(wěn)定裕度。但是 缺點(diǎn)比較明顯 模型較簡(jiǎn)單，分析結(jié)果偏保守，且只能判別首擺 的 穩(wěn)定性。 擴(kuò)展等面積 法的基本思想是在給定故障 的 擾動(dòng) 條件 下系統(tǒng)的機(jī)組 可以 分為臨界機(jī)組 以及 非臨界機(jī)組兩 種 ，基于 保穩(wěn)變換 和 軌跡聚合 ，分別 使用 等值機(jī) 對(duì)這兩 種 機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)等效，進(jìn)而又 可以 等值 成 單機(jī)－無窮大系統(tǒng)， 進(jìn)而 可 以 利用等面積法則 來 評(píng)估系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。 擴(kuò)展等面積 法 還 包括 SEEAC、 DEEAC 和 IEEAC金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 5 三種形式。與直接法相比， 擴(kuò)展 等面積 法 法 還 可實(shí)現(xiàn)多擺 的 穩(wěn)定性判別， 然而 它評(píng)估的正確性 比較 依賴于同調(diào)群的正確識(shí)別。 直接法、 時(shí)域仿真法、混合法、 擴(kuò)展等面積 法 都是基于電力系統(tǒng) 的 數(shù)學(xué)模型和理論暫穩(wěn) 的 評(píng)估方法，計(jì)算 速度 和 精度 都 難以協(xié)調(diào)。 然而 人工智能方法可 以 進(jìn)行非模型的電力系統(tǒng) 的 暫態(tài)穩(wěn)定判別，具有 在線計(jì)算速度快 、 容易生成 的啟發(fā)規(guī)則等優(yōu)點(diǎn)，因此 傳統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法 與 其 構(gòu)成了良好的互補(bǔ)。目前，人工智能方法主要有： 支持向量機(jī)法、 模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 模式識(shí)別 。 對(duì) 用 傳統(tǒng)方法 很難 解決 的 輸入特征選擇的問題 ， 人工智能方法 有 一種 采 用多信息融合技術(shù)的支持相量機(jī)暫態(tài)穩(wěn) 定 的 評(píng)估方法。但是人工智能法 在實(shí)際 中 很 難 應(yīng)用 ：難以獲取 準(zhǔn)確的、 大量的學(xué)習(xí)樣本，而實(shí)際電力系統(tǒng) 運(yùn)行方式 、 擾動(dòng)地點(diǎn)、 擾動(dòng)類型 復(fù)雜多變，所以 借助于模擬仿真 所 得到的樣本 的 數(shù)據(jù) 有 可能與電力系統(tǒng) 的 實(shí)際 運(yùn)行情況 不一定 相符 ； 而且 由于 缺乏 在線自動(dòng)學(xué)習(xí)有效算法， 所以 很 難 從大量數(shù)據(jù)中提取 出有效信息。 目前電力系統(tǒng) 的 靜態(tài)穩(wěn)定分析的方法 也 有很多 ,其中 特征值分析法是電力系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定分析 廣泛采用 和 比較成熟 的方法。特征值分析法是通過狀態(tài)方程 中系數(shù)矩陣的特征值 判斷 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若狀態(tài)方程系數(shù) 的 矩陣特征值的實(shí)部全為負(fù)， 那么系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則 系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性的 分析時(shí)，我們不僅 要對(duì)系統(tǒng)是否穩(wěn)定進(jìn)行研究 ，對(duì) 如何提高 電力 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 以及 不穩(wěn)定的原因 也同樣需要研究 。特征值法 之所以 得到廣泛應(yīng)用的原因是它不僅能夠?qū)ο到y(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷 ,而且 還 可以得到與系統(tǒng)穩(wěn)定性 有 關(guān) 的 信息。例如 特征值的虛部提供振蕩模式的頻率信息 , 由 特征值的實(shí)部提供振蕩模式的阻尼信息 ,而特征向量則反映 出 在該振蕩模式下 系統(tǒng)狀態(tài)變量 參與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的行為等信息。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定的判定方法 等面積定則 當(dāng)不考慮震蕩中的能量損耗時(shí)，可以在功角特 性上，根據(jù)等面積定 則確定最大搖擺角 max? ，并判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。從前面的分析可知，在 功角由 0? 變到 X 的過程中，原動(dòng)機(jī)輸入的能量大于發(fā)電機(jī)輸出的能 量，多余的能量將使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高并轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的能量而存在于轉(zhuǎn)子中；而當(dāng) 功角由 C? 變到 max? 時(shí)，原動(dòng)機(jī)輸入的能量小于發(fā)電機(jī)輸出的能量，不足部分由發(fā) 電機(jī)轉(zhuǎn)速降低而釋放的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電磁能來補(bǔ)充。 轉(zhuǎn)子由 0? 到 c? 移動(dòng)時(shí)，過剩轉(zhuǎn)矩所做的功為 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 6 ??? ???? dPdMW cc aaa ?? ???? 00 （ 21） 因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏離同步速度 很小，近似認(rèn)為在這個(gè)過程中 用標(biāo)幺值計(jì)算時(shí)1?? 于是 ? ? ?? ???? dPPdPW C Taa ?? ?????? 0m a x0 （ 22） 公式（ 22） 左 邊的積分，代表 ??P 平面上的積分 。如果不計(jì)能量損失時(shí)，加速時(shí)期 過剩轉(zhuǎn)矩所作的功，將全部轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子 的 動(dòng)能。在標(biāo)幺值 的 計(jì)算中，可以認(rèn) 為轉(zhuǎn)子在加速過程中獲得的動(dòng)能增量就等于面 積 abceA 。這塊面積叫做 加速面積。當(dāng)轉(zhuǎn)子由 c? 變動(dòng)到 max? 時(shí)，轉(zhuǎn)子動(dòng)能增量為 ? ? ??? ?????? dPPdPdMW ccc Taab ??? ????????? m a xm a xm a x （ 23） 由于 aP? 0，公式（ 23）積分為負(fù)值。也就是說， 這部分 動(dòng)能增量為負(fù)值，如果不計(jì)損失， 這意味著轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的動(dòng)能減小了，即轉(zhuǎn)速下降 了，減速過程中 釋放的動(dòng)能 所對(duì)應(yīng)的面積稱為減速面積。 顯然，當(dāng)滿足 ? ? ? ? 0m a x0 ?????? ?? ????? ?? ???? dPPdPPWW cc TTba （ 24） 的條件時(shí)，動(dòng)能增量 是 零，即短路后得到 了 加速使其轉(zhuǎn)速 等于同步速的發(fā)電機(jī)重新恢復(fù)了同步。根據(jù)這點(diǎn) ，并將 0PPT? ，以及 ??P 和 ?P 的表達(dá)式代入，便可求得max? 。式 (34)也可寫成 edfgabce AA ? （ 25） 即 表示加速面積等于減速面積 ，這就是等面積定則。同理，根據(jù)等面積定則 ，可以確定搖擺的最小角度 min? ，即 ? ? ? ? 0minm a x ???? ?? ?????? ?? ???? dPPdPP ss TT （ 26） 可 以看到，在給定的計(jì)算條件下，當(dāng)切除角 c? 一定時(shí)，有 一個(gè)最大 的 可能的減速面積 esdfA? 。如果這塊面積的數(shù)值沒有 加速面積 abceA 大 ，發(fā)電機(jī)將 會(huì)失去同步。因?yàn)樵谶@種狀態(tài) 下，當(dāng)功角增至臨界角 cr? 時(shí)，轉(zhuǎn)子在加速過程之中所增加的動(dòng)能沒有 完全耗盡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速仍高于同步速度，功角 繼續(xù)增大而越過 臨界 點(diǎn) s? ，過剩功率 就會(huì)變成加速性 ， 會(huì) 使發(fā)電機(jī)繼續(xù)加速而失去同步。 所以 ，最大可能的減速面積大于加速面積，是保持暫態(tài)穩(wěn)定的條