如何提高电力系统稳定性？

为了确保稳定性，只要想到系统不稳定的后果，必须采取最有效的最经济的对策。

表4.3总结了提高稳定性的方法和效果，下面简单加以说明。

表4.3　提高稳定性的各种对策及其效果

1.提高静态稳定

提高电力系统静态稳定的方法大体可分为三类：

（1）缩短“电气距离”或等值地缩短“电气距离”，加强电气联系，使电力系统在电气结构上更加紧密，这是从根本上加强系统阻尼，避免稳定破坏的措施之一。

（2）尽量减小机械与电磁、负荷与电源的功率或能量的差额，并使之尽可能地防止运行情况进一步恶化，这是电力系统稳定有破坏危险时运用的临时措施。

（3）当电力系统稳定破坏已不可避免时，为了限制事故的进一步扩大，减少稳定破坏造成的危害，可以对电力系统进行部分解列，这是一种权宜措施，具体可采取以下措施：

1）采用高压输电。由式（4-5）可知，通过输电线可以输送的静态稳定极限功率几乎与电压的平方成正比例，因此通过提高输送电压，可以在小的δ下运行，从而提高系统的静态和暂态稳定性。正是在这个意义上，随着电力系统的扩大，高压输电被广泛采用。现在，超高压输电干线多采用500kV。而且750～1000kV级的特高压UHV输电技术的开发，也在进行中。

2）减小发电机或变压器电抗。降低送受端间的电抗也可以提高输电系统的稳定能力，作为具体对策，采用分裂导线，增加输电回路数，装设串联电容器等。但是，串联电容器可能会引起低频震荡和汽轮机轴发生电磁共振，在国外有的国家很少采用。

3）采用快速励磁装置。当线路发生接地或短路故障时，发电机会加速，有时会使发电机失步。短路故障时的电流，其相位是滞后的，由于发电机电反应的去磁作用，使发电机的主磁通量减少，使发电机的内电势降低。为了补偿发电机内电势，可以加快发电机的励磁，这就需要快速励磁装置。快速励磁装置广泛地采用晶闸管励磁方式。

4）提高系统运行电压水平，也有利于提高自然功率极限。

此外为了保证系统静态稳定，还可事先规定系统某些输电线的送端与受电端之间的功角的上限值，并通过遥测装置经常监视这个角度。当运行功角接近这个上限值时，系统运行人员可采取措施，减轻输电线路的负荷，防止系统失去稳定。

2.提高暂态稳定

（1）发电机采用电阻电气制动。当线路发生故障时，立即短时间内在发电机端上，接上一定的大容量制动机组（或投入并联制动电阻负荷），来吸收发电机的加速能量，尽可能保持机械的输入功率和输出功率平衡。见图4-11。

当输电线路L1发生短路故障时，继电保护一方面发出跳闸脉冲切除故障线路，另一方面制动电阻开关发出合闸脉冲。加了电阻电气制动后，短时投入大容量的负荷电阻，从而吸收发电机的加速能量。使减速面积增大（S减＝Sedf＋Segfh），从而达到提高了暂态稳定的目的。

PⅠ——事故前P—δ曲线；

P′Ⅲ——事故中（制动电阻投入后）P—δ曲线；

PⅢ——事故除去后（制动电阻开放）P—δ曲线；

PⅡ——事故中（制动电阻投入前）P—δ曲线。

（2）加入电力系统稳定器PSS。

图4-11　电阻制动控制暂态稳定性

（a）控制原理接线图；（b）制动时功角特性曲线1—测量控制；2—开关操作控制；3—制动电阻

快速励磁装置的方式对提高电力系统稳定性是有效的，但是，对静态稳定性的影响比较弱，因此，增加PSS（电力系统稳定器：PowerSystemStabilizer），可以同时使静态稳定性和暂态稳定性得到提高。它的主要作用是增强电力系统的阻尼、防止低频振荡。为了快速地抑制功率量等信号，控制发电机励磁系统，使发电机的内电势发生变化，改变发电机的功率输出。

电力系统稳定器（PSS）的信号接入励磁系统如图4-12所示。

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图4-12　电力系统稳定器PSS框图

（3）采用快速调速器，快速控制汽轮机气门。

当线路发生故障时，降低发电机的电磁功率的输出，快速地减少发电机的机械功率的输出，抑制发电机转速的升高，这对提高暂态稳定性是很有效的。因此，就有了电子式的快速器和汽轮机的快速气门控制，见图4-13。后者在火力发电厂，核能发电厂中，在热蒸汽进入汽缸的管路上，安装拦截阀，如果检测出输入输出功率不平衡的话，就暂时关闭这个阀门一段时间（约10s），然后再打开，以抑制发电机的加速。

从图4-13可以看出，没有快关汽门时A＞B，系统是不稳定的。当调速器系统具有关闭气门功能时，一旦系统发生故障调速控制装置使气门快速进行关闭，原动机的输出功率迅速下降，此时减速面积变为（B＋B′），大于加速面积A，从而使系统在第一个摇摆周期保持稳定。

PⅠ——事故前P-δ曲线；

PⅡ——事故发生后P-δ曲线；

PⅢ——事故中（快速关闭汽门）P-δ曲线。

图4-13　快速控制汽机气门增大减速面积原理图

（4）安装静止无功补偿装置。这种装置在维持长距离输电线中间点的电压，防止因发电机功角扩大使发电机同步功率下降的同时，也能提高阻尼系统摇摆的效果，能提高电力系统稳定性。

其作用主要有：改善电压的合理分布；提高静态和暂态稳定；对次同步振荡进行阻尼；降低过电压；减小电压闪烁。见图4-14。

图4-14　无功补偿装置提高静态稳定作用

（5）采用同期断路器和快速重合闸装置。在系统发生故障时，为了提高系统的暂态稳定性，必须尽可能地抑制发电机的转速。因此，从故障发生到切除之间的时间，使其尽可能短。现在的超高压系统中，继电保护的动作时间是1.5～2个周波，断路器的切断时间是2～3个周波左右。无电压的时间尽可能短，因此多采用快速重合闸。自动重合闸提高暂态稳定性的原理见图4-15。

图4-15　自动重合闸提高暂态稳定性的原理

从图4-15（a）可见，不装自动重合闸装置时，因为Sabcd＞Sedf系统不能保持暂态稳定。装设自动重合闸后，如图4-15（b）所示，运行点到k点时，自动重合闸装置重合成功，运行点将从功角特性曲线PⅢ上的k点跃升到功角特性曲线PⅠ上的g点，使S减速面积＝Sadef＋Sgkf＞Sabcd系统减速面积增加了，系统可以保持暂态稳定。

输电线故障大多是瞬时性的，是由鸟害、雷电、大风引起的。在瞬时性故障发生时依靠继电保护切除故障，电弧熄灭故障消失后，此时依靠自动重合闸装置再次将线路投入，便可以继续工作，提高供电的可靠性。若由于雷击使绝缘子串与避雷器间发生闪络，就会形成对地放电电弧，形成接地故障。在故障线路上，经过3～4个周波之后，断路器会切断线路，线路失去电压，所以电弧也消失了。电弧消失后，再投入断路器，故障线路的恢复供电。通常经过30个周波左右（0.5s）再投入断路器，故障线路的恢复程度是85%左右，所以可以再次投入供电。这叫作快速重合闸。从电弧消失来看，希望无电压的时间长些好，但是，从系统稳定性的要求来看，希望时间短些好。此外，快速重合闸成功后，通常要回到原来的状态，一般扰动比较大，所以成为讨论的对象。

（6）采用系统稳定控制器。考虑到系统分离等重大事故，为了维持系统的功率平衡，正常需要根据在线数据，通过计算机反复地计算，采取必要的对策。实际发生故障时，采取恰当的措施。这就是系统稳定控制器。

（7）输电线路采用串联电容补偿控制。串联电容补偿控制是指在超高压远距离输电线路上串联电容器，以便减小线路的总电抗值。按照其接入方式有正常接入方式，主要用以提高系统的静态稳定性；故障时强行接入方式，主要用以提高系统的暂态稳定性。

故障时强制接入补偿电容器的主要目的是提高电力系统的暂态稳定性，如图4-16所示。

发生输电线路L1发生不对称故障时，一回线被断开，则功角特性曲线按照abcef次序进行变化，此时，加速面积A大于减速面积B，所以电力系统不稳定。如果在L1输电线路被断开后，通过串联电容的控制装置CE将串联电容强制投入，则由于此时总的线路电抗减小功角特性曲线PⅢ变为P′Ⅲ此时，减速面积B＋Sedf可能会大于加速面积A，从而使系统由不稳定变成稳定。采用串联电容进行强制补偿的方法，补偿度愈大提高暂态稳定的效果愈显著。

图4-16　串联电容强制补偿控制提高暂态稳定

送电线路中串联电容补偿了导线电抗，相当于使线路变短，从而提高稳定性。这种方法适用于因用地困难，送电回路不能增加的情况，在使用中应注意以下几个问题：

1）线路发生故障时，为了保证串联电容，通过间隙将它短路，故障后再投入。这就要求继电保护高速化，高可靠性。

2）在提高串联电容的补偿度时，送电系统的电气系统和发电机的机械轴系统间，可能发生轴扭振。

3）由于是串联补偿，尤其在大容量的输电线中，要求电容器能通过大的潮流。