多时间尺度电力系统的模型降阶及稳定性分析:(二)电力系统的降阶与中长期失稳

从元件的基本方程出发，导出了电力系统的三时间尺度模型。利用慢流 形和快流形的概念，研究了电力系统三时间尺度动态模型降阶的条件。在感应电动机并联线 性阻抗的负荷模型下，证明了在静态稳定和暂态稳定分析中略去发电机定子绕组阻尼磁链和 负荷感应电动机转子绕组磁链动态的合理性；证明了在静态稳定分析中固定发电机组原动机 力矩的合理性；通过一个利用固定负荷慢动态的降阶模型判断暂态稳定性导致 误判的实例，说明了在暂态稳定分析中随意地固定负荷慢动态是不可取的，并指出未建模负 荷慢动态是造成电力系统发生中长期失稳的原因。     

3种感应电动机综合负荷模型的比较

感应电动机综合负荷模型是电力系统动态计算和稳定分析等的基础，已 提出了多种模型。文中从计算精度、参数获取以及应用场合等角度对3种感应电动机综合负 荷模型（即三阶机电暂态模型、一阶机械暂态模型以及一阶电压暂态模型）进行比较，为应 用和选择提供了参考依据。     

负荷特性对特高压紧急直流功率支援的影响

采用互补群能量壁垒/扩展等面积准则分析多机系统中特高压直流紧急直流功率支援（EDCPS）提高暂态稳定性的机理，研究了大扰动下恒阻抗 — 恒电流 — 恒功率（ZIP）静态负荷模型、感应电动机（IM）负荷模型对特高压EDCPS效果的影响，深入分析了送、受端网区ZIP静态负荷模型中不同比例的恒功率有功负荷、恒电流有功负荷、恒阻抗有功负荷及其不同比例感应电动机动态负荷对特高压EDCPS策略的影响。研究表明，大扰动下IM比ZIP负荷吸收更多有功。送、受端IM负荷对大扰动后EDCPS下的功角稳定性影响是相反的，送端改善其支援效果而受端则恶化其效果;至于全网采用综合模型后相对于ZIP模型对功角的影响，要衡量送、受端网区负荷量的大小，若送端负荷小于受端负荷则恶化支援下的功角稳定性，需适当增大直流提升量或适时提前投入功率支援。     

三相重合时序对暂态电压稳定性的影响

发现合于永久故障时三相重合闸时序对系统暂态电压稳定性有较大影响,以单负荷无穷大系统为例探讨其机理。分别在恒阻抗、恒电流和恒功率3种静态负荷模型以及感应电动机动态负荷模型下,考虑故障点位置变化,推导出交流线路从发生三相短路至三相断路器跳闸、三相重合于永久故障直到后加速三跳的整个过程中,负荷侧母线电压的解析表达式。通过比较2种重合时序下的负荷侧母线电压发现,在恒阻抗、恒电流及动态负荷模型下,由远离负荷的线路首端重合,可增大负荷侧母线电压,动态负荷模型下还可减小保护再次跳闸时的电动机转差率,有利于提高系统暂态电压稳定性;而在恒功率负荷模型下,重合时序受故障位置影响,推导出了影响重合时序的故障距离解析式。鉴于实际系统中运行方式变化,提出了离线计算与在线结合的实用三相重合时序整定策略,以提高系统暂态电压稳定性。对单负荷无穷大系统和2010年南方电网的仿真结果验证了其正确性和有效性。     

暂态电压稳定的模型要求和快速判断

用时域仿真重现了感应电动机负荷引起的电压暂态失稳现象。从保证足够精度并尽量加快仿真暂态电压稳定过程的角度讨论了发电机、电动机负荷以及励磁控制系统的模型选择问题，证明随着故障切除时间的增大，大型电力系统从稳定变为功角失稳的中间可能存在故障切除时间的一个区间，后者对应于功角稳定但电压却失稳。该文改进了作者以前提出的一个感应电动机负荷电压暂态失稳的判据，以便尽早地停止积分过程，其正确性在华中系统、新英格兰系统和浙江系统中得到了验证。     

双时间尺度电力系统动态模型降阶研究(一)——电力系统奇异摄动模型

电力系统是一个多时间尺度的大规模非线性系统，其稳定性分析非常复杂。为提高稳定计算的效率，对复杂的电力系统模型进行化简，以实现系统化降阶非常必要。文中以电力系统物理电路为基础，导出了一个计及电磁快动态的电力系统奇异摄动模型。推导中，以感应电动机并联线性阻抗为负荷模型，并考虑了线路充电电容与负荷补偿电容。该模型是一个标准的双时间尺度模型，为电力系统的系统化降阶与分析奠定了基础。     

电力系统微分代数模型的奇异性和多能量函数面（续完）

研究了电力系统微分代数模型的奇异性和定义在约束流形上的能量函数面等，将抽象的概念在简单的2机单负荷3节点系统中以图形形象地说明，考察了该系统在恒功率负荷模型和一种动态负荷模型下的代数约束曲面、奇异点、多能量函数面、平衡点等随系统负载的变化情况。采用小扰动稳定性分析法、结构保持能量函数法和时域仿真法证实了该小系统在恒功率负荷模型下存在非正常运行点的稳定平衡点，并解释了一般时域仿真法不能处理该平衡点的原因。所得研究成果揭示了微分代数模型与奇异扰动模型的本质区别、奇异性与系统模型和系统负载的联系、结构保持能量函数法可能具有的内在保守性等，这对深入理解电力系统微分代数方程模型的拓扑结构、结构保持能量函数法和暂态电压稳定及其与功角稳定的关系具有一定的价值。     

配网侧接入电源对负荷建模的影响

研究了配网侧接入电源对负荷建模的影响。发现当配网侧电源的发电容量逐渐增大时，原有的感应电动机并联恒阻抗、恒电流、恒功率（ZIP）模型的负荷模型将不再能很好地反映该区域的负荷特性，进而提出了一种新的负荷模型结构———异步发电机并联ZIP模型。通过仿真计算，验证了该新负荷模型的有效性，并进一步统一了上述2种负荷模型，称为异步机并联ZIP负荷模型。     

基于强跟踪滤波器的快速实时负荷建模方法

电力系统负荷的时变性和随机性给实时或超实时暂态稳定分析带来了困难。提出一种可用于实时或超实时暂态稳定分析的快速负荷建模方法，为解决这一难题提出了新思路。该方法以实时辨识、实时使用为主要思想，采用强跟踪滤波器进行暂态稳定分析的快速负荷建模，并用辨识结果实时更新超实时暂态稳定程序中的负荷模型。仿真结果表明，所提出的快速负荷建模方法能够满足暂态稳定分析对负荷建模的实时或超实时需求。     

电力系统负荷建模理论与实践

从电力负荷对系统暂态稳定、静态稳定、电压稳定、系统阻尼的影响等方面分析了电力负荷 建模的要求，综述了现有的电力负荷模型结构、参数辨识方法，介绍了国内外电力负荷建模 的实践，对电力负荷建模今后的研究提出了4点建设性意见。认为在现代电力系统中，必须 立足本地区系统和负荷的实际情况，开展负荷模型实测工作。     

送端感应电动机负荷无功特性对送出极限的影响

通过分析计及转子电磁暂态的三阶感应电动机负荷模型在定子三相接地过程中的响应，指出位于系统送端的感应电动机负荷的无功倒送特性在一定时段内对系统送端电压有一定的支撑作用。分析了电压支撑作用对系统送出极限的影响。将华北电网典型送端张家口地区实测综合负荷模型（以感应电动机为主）应用于沙岭—昌平线极限切除时间的计算，并与采用不同比例ZIP负荷模型的计算结果进行比较，验证了理论分析的结果。说明张家口地区（送端）负荷模型对系统送出极限的灵敏度很高；动态负荷模型具有静态负荷模型难以模拟的特性。强调了在电网稳定计算中采用动态负荷的必要性，从无功角度研究了负荷模型在暂态稳定计算中的应用，提供了新的思路。     

静止无功补偿器提高电力系统暂态电压稳定性

提出一种新的研究电力系统暂态电压稳定性的数字仿真方法，应用该方法对静 止无功补偿器提高辐射性网络因大型感应电动机负荷引起的暂态电压稳定性问 题进行了研究。表明静止无功补偿器能够防止因大型感应电动机负荷引起的电 压崩溃，且使电压恢复并维持在扰动前值附近，为进行电力系统暂态电压稳定性 研究和静止无功补偿器及其控制系统参数的选择提供了一种实用的分析工具。     

我国电力负荷建模工作的若干建议

从我国电力负荷建模实际出发，指出电力负荷建模的可用性、实用性和针对性原则，建议将现阶段的目标定位在为电力系统机电暂态计算建立重要负荷的分区、分时、分类的模型和参数范围。探讨了电力负荷模型结构的选择，建议采用感应电动机加ZIP模型。对几种电力负荷参数的获取方法进行了比较，提出了综合化的建议。最后,对电力负荷建模工作的实施提出建议。     

牵引供电系统综合负荷模型结构

随着电气化铁路在现代铁路运输中的广泛应用,牵引负荷在电力负荷中所占比重越来越高,对电网产生的影响不容忽视,但当前对牵引变电站综合负荷特性的研究比较薄弱。在系统分析电气化铁路牵引供电系统的组成结构及运行特性的基础上,提出一种基于电气化铁路牵引供电系统实际负荷构成特性的“感应电动机并联牵引电机和恒阻抗”的机理负荷模型。该模型结构简单,物理意义明确,使用方便。基于Simulink仿真平台测量数据的总体测辨建模表明,模型具有良好的描述能力,可以作为研究电气化铁路牵引负荷对电力系统影响的实用负荷模型。     

双时间尺度电力系统动态模型降阶研究(二)——降阶与分析

电力系统是一个多时间尺度的大规模非线性系统，其稳定性分析非常复杂。在实际的电力系统稳定分析中，具有快变特征的电磁变量的动态通常被略去，通过系统降阶使稳定性分析得以简化。然而，一个十分重要的问题是在什么条件下系统的降阶不会引起质的错误。同时，降阶后的系统代数方程的特征也需要进行充分的研究，以便对降阶后的系统模型进行分析。文中以基于物理电路的计及快慢动态的电力系统奇异摄动模型为基础，研究了系统降阶的条件，得到了当系统负荷模型为感应电动机和并联线性阻抗时系统降阶对系统稳定分析不会引起质的错误的重要结论。另外，文中还证明了在上述负荷模型下，系统降阶后的代数方程解流形是正则子流形。     

感应电动机暂态电压失稳的定量分析

用时域仿真重现了感应电动机负荷引起的暂态电压失稳现象，进一步改进了感应电动 机暂态电压稳定的判据，以便尽早地中止仿真过程；还提出了暂态电压稳定裕度的概念和定 义，直接求取与暂态电压稳定相应的故障临界切除时间，以及与给定故障切除时间相应的极 限动态负荷。算法的有效性和强壮性在华中系统、浙江系统和新英格兰系统中得到了验证。     

可控串联补偿(TCSC)的分析研究(上) 计及TCSC详细模型的电力系统稳态、暂态仿真研究

在建立TCSC的物理数学模型的基础上，通过求解描述其特性的微分方程组，得到解析解，并 进一步导出了稳态及暂态情况下TCSC装置的基波阻抗公式和电感、电容元件支路的电压、电 流表达式；提出了含有TCSC装置的电力系统仿真的原理和方法，将TCSC模型与系统分析程序 接口，实现了详细计入TCSC影响的稳态及暂态稳定仿真计算；通过仿真验证了TCSC能 够显著地改善系统的阻尼，提高电力系统的稳定性。     

计及感应电动机的负荷节点暂态电压稳定解析评估方法

不利的负荷特性是引起暂态电压稳定问题的主要原因之一,然而目前尚缺乏用来评估负荷节点暂态电压稳定状况的有效方法。针对3阶感应电动机负荷,给出了一种解析方法。通过把负荷节点及其外部系统等效为2节点简化系统,能够计算出各负荷母线在简化系统中的极限切除时间。所获取的极限切除时间指标反映了各负荷节点的暂态电压稳定状况,从而为动态安全评估提供了有效的信息。在多节点系统中的仿真结果验证了所述方法的有效性。     

小干扰电压稳定性判别中个别负荷行为的考虑

在文献［１］中曾将负荷节点模拟成一个恒定阻抗和一台等值感应电动机，在考虑电 动机机械暂态过程的情况下，提出了一种通过比较两个潮流雅可比矩阵行列式的符号来判别 小干扰电压稳定性的原理和方法。此文中将证明，这种判别电压稳定性的原理和方法，实际 上可以计及每个具体的感应电动机动态行为对稳定性的影响，从而开创了在电压稳定性分析 中考虑实际分散负荷行为的先例，并说明这种判别方法更符合电力系统的实际情况。     

考虑暂态稳定指标的负荷经济分配新算法

基于最大可调裕度和暂态安全代价的概念，给出了考虑暂态稳定性的负荷经济分配模型及其算法。该方法用高阶泰勒级数快速仿真故障轨迹，在求得暂态能量的同时计算暂态稳定裕度对控制变量的灵敏度，并用于负荷分配。试验算例证实了该方法的有效性。由于暂态稳定问题的非线性，如何处理多故障场景和合理分摊暂态安全费用有待进一步研究。