電力系統穩定性

電力系統正常運行的一個重要標誌，乃是系統中的同步電機（主要是發電機）都處於同步運行狀態。所謂同步運行狀態是指所有並聯運行的同步電機都有相同的電角速度。在這種情況下，表徵運行狀態的參數具有接近於不變的數值，通常稱此情況為穩定運行狀態。

隨著電力系統的發展和壯大，往往會有這樣一些情況：例如，水電廠或火電廠通過長距離交流輸電線將大量的電力輸送到中心繫統，在輸送功率大到一定的數值后，電力系統稍微有點小的擾動都有可能出現電流、電壓、功率等運行參數劇烈變化和振蕩的現象，這表明系統中的發電機之間失去了同步，電力系統不能保持穩定運行狀態；又如，當電力系統中個別元件發生故障時，雖然自動保護裝置已將故障元件切除，但是，電力系統受到這種大的擾動后，也有可能出現上述運行參數劇烈變化和振蕩現象；此外，甚至運行人員的正常操作，如切除輸電線路、發電機等，也有可能導致電力系統穩定運行狀態的破壞。

通常，人們把電力系統在運行中受到微小的或大的擾動之後能否繼續保持系統中同步電機（最主要的是同步發電機）間同步運行的問題，稱為電力系統同步穩定性問題。電力系統同步運行的穩定性是根據受擾后系統並聯運行的同步發電機轉子之間的相對位移角（或發電機電動勢之間的相角差）的變化規律來判斷的，因此，這種性質的穩定性又稱為功角穩定性。

電力系統中電源的配置與負荷的實際分佈總是不一致的，當系統通過輸電線路向電源配置不足的負荷中心地區大量傳送功率時，隨著傳送功率的增加，受端系統的電壓將會逐漸下降。在有些情況下，可能出現不可逆轉的電壓持續下降，或者電壓長期滯留在完全運行所不能容忍的低水平上而不能恢復。這就是說電力系統發生了電壓失穩，它將造成局部地區的供電中斷，在嚴重的情況下還可能導致電力系統的功角穩定喪失。

電力系統穩定性的破壞，將造成大量用戶供電中斷，甚至導致整個系統的瓦解，後果極為嚴重。因此，保持電力系統運行的穩定性，對於電力系統安全可靠運行，具有非常重要的意義。

國際大電網會議（CIGRE）和國際電氣與電子工程師學會電力工程分會（IEEE/PES）穩定定義聯合工作組於2004年重新對電力系統穩定性進行了定義和分類，電力系統穩定性是指系統在給定的初始運行方式下，受到物理擾動后仍能夠重新獲得運行平衡點，且在該平衡點大部分系統狀態變數都未越限，從而保持系統完整性的能力。

IEEE/CIGRE穩定定義聯合工作組根據電力系統失穩的物理特性，受擾動的大小及研究穩定問題必須考慮的設備、過程和時間框架，將電力系統穩定分為功角穩定、電壓穩定和頻率穩定三大類，如圖所示。

功角穩定是指互聯繫統中的同步發電機受到擾動后，保持同步運行的能力。功角失穩可能由同步轉矩或阻尼轉矩不足引起，其中，同步轉矩不足引起非周期失穩，阻尼轉矩不足將引起振蕩失穩。

根據擾動的大小，將功角穩定分為小擾動功角穩定與大擾動功角穩定。

小擾動功角穩定是指系統遭受小擾動后保持同步運行的能力，它取決於系統的初始運行狀態。由於擾動足夠小，因此，在分析時，可在平衡點將描述系統的非線性方程線性化，在此基礎上對穩定問題進行研究。小擾動功角穩定可表現為轉子同步轉矩不足引起的非周期失穩，以及阻尼轉矩不足引起的轉子增幅振蕩失穩，小擾動失穩研究的時間範圍通常是10~20s。

大擾動功角穩定又稱暫態功角穩定，是指電力系統遭受線路短路、切機等大擾動時，保持同步運行的能力，它由系統的初始運行狀態和受擾動的嚴重程度共同決定。由於擾動足夠大，因此，必須用非線性微分方程來研究。大擾動功角穩定表現為非周期失穩和振蕩失穩兩種模式。非周期失穩大擾動功角穩定問題，研究的時間範圍通常是受擾后3~5s，振蕩失穩的研究時間範圍通常是10~20s。

小擾動功角穩定與大擾動功角穩定均是一種短期現象。

電壓穩定是指處於給定運行點的電力系統在經受擾動后，維持所有節點電壓為可接受值的能力。它依賴於系統維持或恢復負荷需求和負荷供給之間平衡的能力。根據擾動的大小，IEEE/CIGRE將電壓穩定分為小擾動電壓穩定和大擾動電壓穩定。這符合一般的非線性系統和線性系統的穩定性定義。

小擾動電壓穩定是指系統受到小的擾動后，如負荷的緩慢增長等，維持電壓的能力。

這類形式的穩定受某一給定時刻負荷特性、離散和連續控制影響。藉助適當的假設，在給定運行點對系統動態方程進行線性化處理，從而可以用靜態方法對小擾動電壓穩定進行研究。從線性化計算可以得到有價值的靈敏度信息等。這些信息在確定影響系統穩定的主要因素時非常有用。

大擾動電壓穩定是指系統受到大的擾動后，如系統故障、失去負荷、失去發電機等，維持電壓的能力。這類形式的穩定取決於系統特性、負荷特性、離散和連續控制與保護及它們之間的相互作用。確定這種穩定形式需要在一個足夠長的時間周期內，檢驗系統的動態行為，以便能夠捕捉到諸如電動機、有載調壓變壓器、發電機勵磁電流調節器等設備的運行及它們的相互作用。一般用包含合適模型的非線性時域模擬法來研究大擾動電壓穩定問題。根據需要研究時間範圍可從幾秒到幾十分鐘。

電壓穩定可能是短期的或長期的現象。短期電壓穩定與快速響應的設備有關，必須考慮負荷的動態，及鄰近負荷的短路故障，研究時間大約在幾秒鐘；長期電壓穩定與慢動態設備有關，它通常由連鎖的設備停運引起，與初始擾動程度無關，研究時間可以是幾分鐘或者更長的時間。

值得一提的是，IEEE/CIGRE對於正確區分功角穩定和電壓問題給出了明確的解釋，功角穩定和電壓穩定的區別並不是基於有功/功角和無功/電壓幅值的弱耦合關係。實際上，對於重載情況下的電力系統，有功/功角和無功/電壓幅值之間具有很強的耦合關係，功角穩定和電壓穩定都受到擾動前有功、無功潮流的影響。

頻率穩定是指電力系統受到嚴重擾動后，發電和負荷需求出現大的不平衡，系統仍能保持穩定頻率的能力。電力系統功率不平衡量是變化的，頻率的變化是一個動態過程。頻率穩定可以是短期的或長期的現象。

我國DL 755—2001《電力系統安全穩定導則》規定，電力系統穩定性是指電力系統受到事故擾動后保持穩定運行的能力。根據動態過程的特徵和參與動作的元件及控制系統，將電力系統穩定分為功角穩定、電壓穩定和頻率穩定三大類，如圖所示。

根據受擾動的大小以及導致功角不穩定的主導因素不同，功角穩定分為靜態穩定、小擾動動態穩定、暫態穩定和大擾動動態穩定。

靜態穩定是指系統受到小擾動后不發生周期性失穩，自動恢復到初始運行狀態的能力。它是由於同步力矩不足引起的，屬於小擾動動態穩定的一種，主要用來定義系統正常運行和事故后運行方式下的靜態穩定儲備情況。

小擾動動態穩定是指系統受到小擾動后，不發生周期性振蕩，保持較長過程穩定運行的能力。它是由阻尼力矩不足引起的，主要用於分析系統正常運行和事故后運行方式下的阻尼特性。

暫態穩定是指系統受到大擾動后，各同步機保持同步運行並過渡到新的或恢復到原來穩定運行方式的能力。它通常指第一、二搖擺不失去穩定性，主要用於確定系統暫態穩定極限和穩定措施。

大擾動動態穩定是指系統受到大擾動后，在系統動態元件和自動裝置的作用下，保持系統穩定性的能力。它主要用於分析系統暫態穩定后的動態穩定性。

電壓穩定是指電力系統受到小的或大的擾動后，系統電壓能夠保持或恢復到允許的範圍內，不發生電壓崩潰的能力。根據受擾動程度的大小分為靜態電壓穩定和大擾動電壓穩定。

靜態電壓穩定是指系統受到小擾動后，系統電壓能夠保持或者恢復到允許的範圍內，不發生電壓崩潰的能力。它主要用來定義系統正常運行和系統事故后運行方式下的電壓靜態穩定儲備係數。

大擾動電壓穩定是指電力系統受到大擾動后，系統不發生電壓崩潰的能力，包括暫態電壓穩定、動態電壓穩定和中長期電壓穩定。暫態電壓穩定主要用於分析快速的電壓穩定問題；中長期電壓穩定主要用於分析在響應較慢的動態元件和控制裝置作用下的電壓穩定性。

頻率穩定是指系統受到嚴重擾動后，出現較大的有功功率不平衡，系統頻率仍能夠保持或恢復到允許的範圍內，不發生頻率崩潰的能力。它主要用於分析系統的旋轉備用容量和低頻減載負荷配置的有效性與合理性，以及機網協調控制等問題。

提高系統穩定的措施可以分為兩大類：一類是加強網架結構，另一類是提高系統穩定的控制和採用保護裝置。

(1)加強電網網架，提高系統穩定。線路輸送功率能力與線路兩端電壓之積成正比，而與線路阻抗成反比。減少線路電抗和維持電壓，可提高系統穩定性。增加輸電線迴路數、採用緊湊型線路都可減少線路阻抗，前者造價較高。在線路上裝設串聯電容是一種有效的減少線路阻抗的方法，比增加線路迴路數要經濟。串連電容的容抗佔線路電抗的百分數稱為補償度，一般在50%左右，過高將容易引起次同步振蕩。在長線路中間裝設靜止無功補償裝置（SVC），能有效地保持線路中間電壓水平（相當於長線路變成兩段短線路），並快速調整系統無功，是提高系統穩定性的重要手段之一。

(2)電力系統穩定控制和保護裝置。提高電力系統穩定性的控制可包括兩個方面：①失去穩定前，採取措施提高系統的穩定性；②失去穩定后，採取措施重新恢復新的穩定運行。