【正文】 第一章 電力系統(tǒng)概述 2 電力建設任務艱巨 進入新世紀 以后 ，我國的電力工業(yè) 進入 快速發(fā)展時期， 但隨著目前電網進一步擴展，技術更加復雜，需要協(xié)調的問題更多， 發(fā)生 事故 后 波及的范圍 會 更廣，造成的損失會更大。 然而 當前我國經濟尚屬于高投入、高消耗、高排放、不協(xié)調、難循環(huán)、低效率的粗放 型增長模式，突出表現(xiàn)為以下兩點： 。我國水能 、煤炭較豐富，油、氣資源不足，且分布很不均衡。水能 資源 ， 煤炭探明保有儲量豐富 ， 然而 人均儲量 卻遠低于世界平均 的水平，風能和太陽能等新能源發(fā)電受技術因素 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 非常 依賴煤炭，大量 的 燃燒 和 開發(fā) 煤炭 將 引發(fā) 嚴重 的 生態(tài) 環(huán)境問題?；鹆Πl(fā)電需要 消耗 大量的水資源，而我國淡水資源 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 嚴重不均。同時，我國也是世界上水土流失、土地荒漠化和環(huán)境污染嚴重的國家之一。 從 我國的 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 的時期。目前的能源消耗 和發(fā)展方式，是我國能源、水資源和環(huán)境容量無法支撐的。因此，經濟增長方式需要根本性轉變，以保證國民經濟可持續(xù)發(fā)展。 電力發(fā)展需求強勁 目前我國處于工業(yè)化的階段，重化工業(yè)產業(yè)發(fā)展迅速， 社會用電以工業(yè)為主，工業(yè)用電以重工業(yè)為主的格局還將持續(xù)一段時間。未來十多年，中國國民經濟將繼續(xù)持續(xù)較快發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、市場化、國際化步伐加快，人 民生活進一步改善。與此相適應，電力需求仍將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長 。電力 發(fā)展需求 更為 強勁 。用電負荷增長速度高于用電量增長。 我國目前的開發(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。 在此方針的指導下，結合近期電力工業(yè)建設重點及目標，我國電力發(fā)展將呈現(xiàn)以下四個鮮明特點： 、安全性和可靠性受到充分重視。 隨著保護裝置、自動化系統(tǒng)、穩(wěn)定控制系統(tǒng)的廣泛應用。電網網 架結構的加強、自動化水平的提高，發(fā)生 事故 的數(shù)量會 大幅下降。 、高效和環(huán)保。隨著大容量機組的應用、電網的發(fā)展以及先進技術的廣泛采用，煤耗與網損逐年下降。在電網建設方面，將采用先進技術提高輸電能金陵科技學院學士學位論文 第一章 電力系統(tǒng)概述 3 力、降低網損，加強環(huán)境和景觀保護，城市電網將逐步提高電纜化率、推廣變電站緊湊化設計。 調整力度將會繼續(xù)加大。將重點加快建設大型水電基地，因地制宜開發(fā)中小型水電站。提高煤電技術水平和經濟性。全面掌握 新一代 核電站工程設計和設備制造技術。在電力負荷中心、環(huán)境要求嚴格、電價承受力強的地區(qū)， 建設適當規(guī)模的天然氣電廠 。在風力資源豐富的地區(qū)，開發(fā)較大規(guī)模的風力發(fā)電場；在大電網覆蓋不到的邊遠地區(qū)，發(fā)展太陽能光伏電池發(fā)電；因地制宜發(fā)展地熱發(fā)電、潮汐電站 、垃圾發(fā)電 、生物質能與沼氣發(fā)電等。 。電力工業(yè) 化要以 科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染小的新型工業(yè)化 為目標 ， 電力設 備的創(chuàng)新與設計需要重視 。 牢記“引進，吸收，創(chuàng)新“的方針。 通過深化電力需求側管理，通過節(jié)能、節(jié)電，加強全國聯(lián)網，調整產業(yè)結構，逐步降低單位產值能耗等綜合措施。 隨著社會的進步和科技的發(fā)展，近年來世界各國 也 建設 了一些大的電力系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通常具有范圍廣、強非線性的特點。隨著電力市場化和 全國 聯(lián)網的不斷推進，電網運行狀態(tài)越發(fā)復雜多變且接近其極限水平 ,在運行中，由于某種破壞性的原因，有時會引起電力系統(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 日的印度電網大停電。這都給我國的電網的運行帶來 了很多 警 示。 金陵科技學院學士學位論文 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 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)定時的暫態(tài)能量值 以及 擾動結束時暫態(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 的缺點在于它 不計算系統(tǒng)實際故障后的發(fā)電機的 轉子 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。 因為 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 國內外研究的 比較多 的主要有勢能界面法 (PEBS)、基于穩(wěn)定域邊界的 主導 UEP(BCU)法、相關不穩(wěn)定平衡點法 (RUEP)等 幾種 暫態(tài)能量函數(shù)法。各種方法在計算 VCR時都會 有一些 近似誤差。 (1)在 PEBS 法中 ， 勢能界面與持續(xù)故障軌跡相交的一點就 可以 近似 的 等于UEP， 可以用這一 點的勢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，所以會帶來一定的誤差 (2)在 BCU 法中， 我們 近似出口點 是 經過主導 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 UEP 點的勢能作為VCR 也 是有誤差的。 (3)在 RUEP 法中，主導失穩(wěn)模式的準確 判別是有困難的。而且，實際多機系統(tǒng)的運動軌跡并不經過 RUEP 點，所以用 RUEP 點的勢能作為 VCR,也有一定的誤差。 時域法是將電力系統(tǒng) 的 各元件 的 模型根據(jù)元件 的 拓撲關系形成全系統(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 計算 解為初值，求擾動下的數(shù)值解，即逐步求得系統(tǒng)狀態(tài)量和 代數(shù)量隨時間的變化曲線，并根據(jù)發(fā)電機功角值大于某一特定閥值來判別系統(tǒng)能 否在大擾動后維持暫態(tài)穩(wěn)定運行。時域法 的優(yōu)點是 具有廣泛模型的適應性，但是 缺點也很明顯 由于 利用 數(shù)值求解，計算速度 較 慢；閥值的選取 則 是通過工程 經驗得到的，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)點在于 無需數(shù)值求解功角搖擺 的 曲線，計算速度 比較 快，還 能給出穩(wěn)定裕度。但是 缺點比較明顯 模型較簡單，分析結果偏保守，且只能判別首擺 的 穩(wěn)定性。 擴展等面積 法的基本思想是在給定故障 的 擾動 條件 下系統(tǒng)的機組 可以 分為臨界機組 以及 非臨界機組兩 種 ，基于 保穩(wěn)變換 和 軌跡聚合 ，分別 使用 等值機 對這兩 種 機組進行動態(tài)等效，進而又 可以 等值 成 單機－無窮大系統(tǒng)， 進而 可 以 利用等面積法則 來 評估系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。 擴展等面積 法 還 包括 SEEAC、 DEEAC 和 IEEAC金陵科技學院學士學位論文 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， 擴展 等面積 法 法 還 可實現(xiàn)多擺 的 穩(wěn)定性判別， 然而 它評估的正確性 比較 依賴于同調群的正確識別。 直接法、 時域仿真法、混合法、 擴展等面積 法 都是基于電力系統(tǒng) 的 數(shù)學模型和理論暫穩(wěn) 的 評估方法，計算 速度 和 精度 都 難以協(xié)調。 然而 人工智能方法可 以 進行非模型的電力系統(tǒng) 的 暫態(tài)穩(wěn)定判別，具有 在線計算速度快 、 容易生成 的啟發(fā)規(guī)則等優(yōu)點，因此 傳統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法 與 其 構成了良好的互補。目前，人工智能方法主要有： 支持向量機法、 模糊理論、神經網絡、 模式識別 。 對 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 用多信息融合技術的支持相量機暫態(tài)穩(wěn) 定 的 評估方法。但是人工智能法 在實際 中 很 難 應用 ：難以獲取 準確的、 大量的學習樣本，而實際電力系統(tǒng) 運行方式 、 擾動地點、 擾動類型 復雜多變，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 實際 運行情況 不一定 相符 ； 而且 由于 缺乏 在線自動學習有效算法， 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 矩陣特征值的實部全為負， 那么系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則 系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。對電力系統(tǒng)進行穩(wěn)定性的 分析時，我們不僅 要對系統(tǒng)是否穩(wěn)定進行研究 ，對 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 得到廣泛應用的原因是它不僅能夠對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行判斷 ,而且 還 可以得到與系統(tǒng)穩(wěn)定性 有 關 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 當不考慮震蕩中的能量損耗時，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，原動機輸入的能量大于發(fā)電機輸出的能 量，多余的能量將使發(fā)電機轉速升高并轉化為轉子的能量而存在于轉子中；而當 功角由 C? 變到 max? 時，原動機輸入的能量小于發(fā)電機輸出的能量，不足部分由發(fā) 電機轉速降低而釋放的動能轉化為電磁能來補充。 轉子由 0? 到 c? 移動時，過剩轉矩所做的功為 金陵科技學院學士學位論文 第二章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 6 ??? ???? dPdMW cc aaa ?? ???? 00 （ 21） 因發(fā)電機轉速偏離同步速度 很小，近似認為在這個過程中 用標幺值計算時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 。如果不計能量損失時，加速時期 過剩轉矩所作的功，將全部轉化為轉子 的 動能。在標幺值 的 計算中，可以認 為轉子在加速過程中獲得的動能增量就等于面 積 abceA 。這塊面積叫做 加速面積。當轉子由 c? 變動到 max? 時，轉子動能增量為 ? ? ??? ?????? dPPdPdMW ccc Taab ??? ????????? m a xm a xm a x （ 23） 由于 aP? 0，公式（ 23）積分為負值。也就是說， 這部分 動能增量為負值，如果不計損失， 這意味著轉子儲存的動能減小了，即轉速下降 了，減速過程中 釋放的動能 所對應的面積稱為減速面積。 顯然，當滿足 ? ? ? ? 0m a x0 ?????? ?? ????? ?? ???? dPPdPPWW cc TTba （ 24） 的條件時，動能增量 是 零，即短路后得到 了 加速使其轉速 等于同步速的發(fā)電機重新恢復了同步。根據(jù)這點 ，并將 0PPT? ，以及 ??P 和 ?P 的表達式代入，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，在給定的計算條件下，當切除角 c? 一定時，有 一個最大 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)電機將 會失去同步。因為在這種狀態(tài) 下，當功角增至臨界角 cr? 時，轉子在加速過程之中所增加的動能沒有 完全耗盡，發(fā)電機轉速仍高于同步速度，功角 繼續(xù)增大而越過 臨界 點 s? ，過剩功率 就會變成加速性 ， 會 使發(fā)電機繼續(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