电力系统稳定性问题常见的原因和解决方法

上面介绍了电力系统稳定性问题的多种分类方法，其中根据稳定机理进行的分类直接指出了稳定性问题的物理本质，与数学模型和分析方法密切联系，是一种广泛使用的分类方法。表1-1给出了常见稳定现象与稳定机理之间的相关性，其中第一列是几种常见的稳定现象，第一行则是内在机理的分类，而▲的多少表示该种稳定机理在对应现象中起主导作用的可能性。需要说明的是，这里给出的是通常情况下的结果，而在特定条件中，这种相关性强弱程度有可能会与该表格不同。例如，负荷稳定现象通常与电压稳定、转差稳定关系较大，但是在特定的系统结构和运行条件下，频率稳定也可能成为更重要的因素。

表1-1 常见稳定现象与稳定机理的相关性

下面根据图1-2所示的基本分类体系对主要稳定性问题进行介绍，对其中涉及的机理和现象进行了介绍，同时补充了扭振稳定、转差稳定等概念，以形成更全面电力系统稳定问题的认识。

功角稳定性指互联系统中的同步发电机（包括等效固定频率电源）之间功角差不发散、保持同步运行的能力，主要与发电机及输电系统有关，也常常被称为发电机稳定性。功角稳定性常分为静态功角稳定性、小扰动动态功角稳定性、暂态功角稳定性和大扰动动态功角稳定性，功角失稳包括振荡失稳和爬行失稳两种情况，分别对应阻尼能力不足和同步能力不足两种原因。小扰动动态功角稳定性是指电力系统受到小扰动后保持同步运行的能力，它由系统初始运行状态决定。静态功角稳定性可以视为小扰动动态功角稳定性的简化形式，一般只考虑同步能力而不涉及阻尼能力，主要关注静稳极限和静稳储备问题，表现为系统“准稳态”变化时的稳定性，因而被称为“静态”稳定性。暂态功角稳定性是指系统发生大扰动后，保持同步运行的能力，与扰动类型和控制保护措施关系密切，一般要求系统在三相短路和单相永久短路及相应保护动作后能够保持暂态稳定。大扰动动态功角稳定性是指电力系统受到大的扰动后，在包括调速器等慢速装置的全部控制装置的作用下，保持长时间同步运行的能力。

电压稳定性指扰动后系统电压能恢复到原先的电压值或是另一个允许的稳定平衡点的能力。由于电压是电力系统的基本参量，电压稳定性涉及各种动态现象。电压稳定性包括同步电压稳定性和异步电压稳定性两类，但是后者的影响较小，通常所说的电压稳定性就是指同步电压稳定性。

同步电压（工频电压）由电源激励产生，与潮流分布直接相关，局部电压失稳或崩溃后，将阻碍电能的有效传输，严重时可能导致全系统崩溃，造成巨大的经济与社会损失，因此受到了高度重视。同步电压的频率固定为工频，其稳定性表现为幅值的单调失稳，包括静态电压稳定性、暂态电压稳定性和中长期电压稳定性三种情况。与功角稳定性不同的是，电压稳定性对应特征方程中的实根，不存在振荡现象以及由此而来的同步和阻尼概念，因此静态电压稳定性就能够概括其小扰动下的稳定性。而在大扰动下，一些缓慢动作的控制器也会参与电压的调节过程，因此根据是否考虑慢速控制器的调节作用，将大扰动电压稳定性分为暂态电压稳定性和中长期电压稳定性。同步电压稳定性主要与无功功率的平衡有关，尤其在缺少无功支撑的大负荷中心容易出现这方面的问题。(www.xing528.com)

异步电压稳定性问题包括异步发电机效应，轴系扭转振荡和暂态扭矩放大作用也可能伴随产生异步过电压现象。但是，由于电力系统正常运行时没有异步电源，产生异步电压稳定问题的范围和影响都是有限的。

频率稳定性指系统在发电机跳闸、系统解列、失去大负荷等大扰动导致有功功率不平衡下，通过调节系统的热备用出力和自动切除部分负荷，维持全系统或者解列后各子系统的频率不超出允许范围的能力。实现区域互联提高了电力系统调节有功功率平衡的能力，但是也容易产生区域间、区域内多种模态相结合的振荡，由此会导致关键线路被断开、关键机组被切除，从而威胁系统频率的稳定性。

扭振稳定性是随着大容量发电机组和远距离、大负荷输电技术应用而产生的问题，是指发电机-汽轮机轴系各质量块之间相对扭转振荡的稳定性，要求不发生持续、增幅扭转或者大幅度暂态扭转。在通常条件下，因为转子轴系刚度都很大，所以扭振稳定性只会发生振荡失稳而不会发生爬行失稳，关心的主要是扭转振荡的幅值和收敛性。扭振稳定性主要通过直接破坏轴系或者造成轴系疲劳寿命损耗累积而威胁发电机组的安全，对电网的影响范围和程度都比较小。

转差稳定性又称电动机稳定性，是指电动机负荷在扰动下保持正常运行，不出现大规模堵转或者被切除的问题。因为出现转差稳定性问题时，可以通过大量切除负荷保持系统稳定，所以传统上转差稳定性并不被电力系统视为重要的稳定性问题，而只是作为影响电压稳定性的因素之一。但是，转差稳定性具有独立于电压稳定性的机理和过程。实际运行经验和研究结果都说明，电动机动态特性及其控制保护功能对系统稳定性具有重要影响，以其为关键的负荷模型是提高电力系统分析准确性的最大的制约因素与难点^[7]。而且随着负荷敏感性的增加，切除负荷造成的损失也越来越大，必须尽量予以避免。因此，对转差稳定性机理与影响也需要开展更多的研究。

在现代大规模电力系统中，引起重大损失的往往是多种稳定性问题结合产生的联锁故障，在故障初期，一般功角稳定、电压稳定、扭振稳定问题更容易发生，随着部分元件被切除和时间的延续，频率稳定、转差稳定等问题也开始加剧，这时候如果系统中出现某些不恰当的控制和保护动作时，就有可能进一步扩大事故甚至导致系统崩溃。