电力系统稳定性的定义与分类

1电力系统稳定性的定义与分类

IEEE给出电力系统稳定性定义：电力系统稳定性是指电力系统这样的一种能力—对于给定的初始运行状态，经历物理扰动后，系统能够重新获得运行平衡点的状态，同时绝大多数系统变量有界，因此整个系统仍保持其完整性.
同时，IEEE将电力系统稳定问题分类为功角稳定，电压稳定以及频率稳定三大类。其中，频率稳定是指系统在扰动或故障下维持系统整体频率在可接受的范围内的能力。下面仅对功角稳定和电压稳定做一简单介绍。
电力系统稳定性分类

时间框架	发电机驱动	负荷驱动
=
短期	功角稳定、小扰动功角稳定、大扰动功角稳定	短期电压稳定
长期	频率稳定	长期电压稳定

2 功角稳定

功角稳定是指系统经历扰动后发电机保持同步的能力。功角稳定依赖于在每台发电机的机械转矩和电磁转矩之间维持或恢复平衡的能力。按照扰动的大小，功角稳定又可分为：

2.1 小扰动的功角稳定

“小扰动的功角稳定”是指电力系统受到小的扰动后，维持发电机同步的能力。从数学上讲，“小扰动”指的是扰动要足够得小，因而可以用线性化的系统模型来分析非线性系统“扰动后”的特性；从运行上讲，“小扰动”指的是不改
变网络拓扑结构和运行参数的扰动，如小的冲击负荷，线路正常操作。从数学模型角度分析，小扰动失稳指系统的微分方程在扰动后失去稳定的平衡点。
小扰动功角稳定性取决于系统的初始运行状态，因此其更深刻的含义是表征了平衡点的稳定性。这种稳定平衡点的失去(分岔)，在物理上就表现为系统在很小的扰动下就发生失步或振荡。具体来讲，系统失去小扰动功角稳定的模式有两种：①由于缺乏同步转矩，发电机功角之间以非振荡或非周期方式持续增大；②由于缺乏阻尼转矩，发电机功角之间出现增幅振荡。
通过在系统中的发电机上普遍装设自动电压调节器(AVR)，非周期失稳模式已经被极大地消除了，然而当运行趋紧迫使发电机励磁达到极限后，该失稳模式会依然存在。在现代大区域弱互联电力系统中，由于缺乏振荡阻尼，振荡失稳模式时有发生，主要表现为越来越普遍的低频和超低频振荡现象。
对于上图所示的单机无穷大系统，当保持网络接线结构不变，更换不同容量的机组，持续增大输送容量，系统表现为阻尼不断降低直至出现负阻尼情况，此时给系统任加一微小扰动，均可出现小扰动稳定问题。小扰动稳定问题实际上是系统局部阻尼降低，系统受到任意扰动后机组发生同步振荡。

2.2 大扰动的功角稳定

“大扰动的功角稳定”又称为“暂态功角稳定”，是指系统经历大扰动后发电机维持同步的能力。“大扰动”是指系统发生短路、断线、切机等情况。暂态功角失稳通常表现为发电机功角之间非周期地单调摆开，又称作“一摆失稳
。然而，在大规模电力系统中，暂态功角失稳不仅仅表现为“一摆”失稳的模式，在某些情况下，也可能出现机组与系统或者机群之间功角彼此振荡，从而表现为系统功角在“多摆”后失稳的模式。
在大扰动下，系统的故障诊断以及保护设备一般会短时间或者永久地切除系统中的故障部分，这样可能会很大程度地改变或削弱系统的网架结构。系统结构的变化，导致系统能量交换发生问题，部分机组瞬时能量无法输送，转化为推动机组脱离同步运行的动力。

3电压稳定

IEEE给出的电压稳定的定义是：“系统在给定的初始运行点处，经历扰动后，所有母线能够维持稳态电压的能力”。系统能够保持电压稳定依赖于在负荷需求和电能供应之间维持或恢复功率平衡的能力。电压稳定问题实质上
是系统的承载能力问题，即供需不平衡问题。

3.1电压不稳定的概念

电压不稳定的定义是：“电压不稳定起源于动态负荷企图恢复其所消耗的功率，而这种功率恢复超出了传输和发电系统所能提供电能的能力”。系统发生电压不稳定时，通常的表现形式是系统母线电压发生大幅度的，不可控制的持续性下降，某些情况下也可能出现振荡形式的电压不稳定。

3.2电压崩溃的概念

系统发生电压不稳定后，一些母线电压大幅度、持续性降低，系统保护相继动作跳闸，从而使得系统的完整性遭到破坏，导致系统大面积停电或者解列，功率不能正常输送到用户，这种灾难性的后果则是电压崩溃。

3.3电压稳定破坏事故的触发

电压不稳定主要由以下两种情况触发：
①电网负荷增长，使系统的承载力达到极限而发生电压稳定破坏事故。
②系统发生较大事故后，负荷恢复超过系统的承载力，导致系统发生电压
稳定破坏事故。一般呈现稳定运行一慢动态瓦解一迅速崩溃三个过程。

3.4依据时间框架划分电压稳定问题

与功角稳定类似，电压稳定依扰动的性质可分为“小扰动电压稳定”和“大扰动电压稳定”。电压稳定问题的一个重要特点是和其发生的时间框架紧密相关，时间跨度从几秒到几十分钟。故电压稳定按其发生的时间框架可划分为短期电压稳定和长期电压稳定。
短期电压稳定的时间框架：是同步发电机、自动电压调节器(AVR)、调速器、感应电动机、HVDC以及静止无功补偿器(SVC)动作的时间框架，通常持续几秒钟。系统经历扰动后，如果短期动态是稳定的，并且最终平息，则系统就进入了相对较慢的长期动态过程。
长期电压稳定的时间框架：是综合负荷恢复、二级电压控制以及过励磁保护等装置动作的时间框架，通常是分钟级的。

4功角稳定和电压稳定的关系

判断电力系统的失稳到底是“功角失稳”还是“电压失稳"并不容易，因为通常情况下系统失稳时电压的持续跌落和功角的持续摆开是相伴随的，是由于“电压的持续跌落，产生十分压抑的电压波形，从而造成发电机失步’’还是由于“发电机功角的持续摆开造成母线电压的持续下落”?这只有对事故场景进行详细分析后才能回答。单纯的功角失稳仅存在于单机无穷大母线系统，单纯的电压失稳仅存在于单机单负荷系统。
功角稳定问题和电压稳定问题研究的侧重点不同，正如上表所示，功角失稳是发电机驱动的，侧重研究发电机和功角，功角稳定就是发电机的稳定；而电压失稳是负荷驱动的，侧重研究负荷和电压，电压稳定就是负荷的稳定。由于功角稳定和短期电压稳定同属于相同的时间框架，因而这两种稳定问题所用的数学模型基本上是完全相同的。换言之，在短期时间框架下，在负荷驱动和发电机驱动的稳定问题之间没有清晰的界限。