基于模态分析理论的电力系统电压稳定性研究

论文摘要

随着电力需求的持续增大和相关科学技术的发展,电力系统进入了以电网互联、大机组、超特高电压远距离交直流输电、高度自动化控制和市场化运营为特征的现代电力系统时代。20世纪70年代以来,世界上一些大电网发生了一系列以电压崩溃为特征的电网瓦解事故,导致大面积停电,这就促使电力系统电压稳定性的研究成为一个日益受到关注的研究课题。文章通过总结已有的关于电压稳定性的定义和分类,并联系实际的电压失稳事故,认为从时间延续和扰动大小的角度来认识电压稳定性问题具有更合理的解释；列举总结出了目前静态电压稳定性研究中使用最多的五种方法,给出了每种方法的数学模型及其应用现状；分析了电力系统从发电机、输电网络到用电负荷的数学模型,重点分析了负荷特性对系统电压稳定性的影响和负荷建模的理论方法。详细分析了模态分析法在静态电压稳定性研究中的应用,指出了传统V-Q（无功电压）模态分析法和基于无功电压雅可比矩阵、有功角度雅可比矩阵的全电压模态分析法存在的不足,考虑到系统在临界失稳点处,不可以忽略有功功率的变化对电压幅值失稳所产生的影响,提出了对现有V-Q（无功电压）模态分析法的改进。以传统的电力系统潮流计算为基础运算平台,以IEEE10机39节点标准测试系统为仿真模型,使用V-Q（无功电压）模态分析法计算系统进在稳定运行和临街失稳两种状态下雅可比矩阵的特征值、特征向量、参与因数、系统整体稳定度和系统局部稳定度,分别计算基于恒功率和ZIP两种负荷模型时系统的特征值,得出的结论是：系统使用ZIP两种负荷模型比使用恒功率负荷模型时具有更高的稳定裕度；使用考虑有功功率变化影响的改进模态分析法,通过比较在临界失稳点处和稳定运行两种情况下计算得到的修正雅克比矩阵的特征值,得出的结论是：在系统稳定运行或者运行稳定裕度较大时,有功功率对雅可比矩阵特征值的影响很小,可以忽略不计,而当系统运行在临界失稳或稳定裕度很小时,是否考虑有功功率对系统的影响会对雅可比矩阵特征值产生较大的影响,这对于以确定系统的稳定裕度为重要特征的电力系统静态安全分析和电压稳定机制研究具有一定的价值。为了使系统雅可比矩阵的特征值更直观的表征系统稳定性,文章找到了一种进一步处理雅可比矩阵特征值的方法,即：根据概率论与数理统计中关于期望和方差的概念,设计了系统整体稳定度和系统局部稳定度两个参数。另外,在验证测试系统的节点处于临界失稳运行状态时,使用基于e指数的变步长连续潮流法绘制PV曲线。考虑到模态分析法可以较为完整的给出关于电压稳定性机制的信息,文章认为可以将模态分析法作为电力系统静态安全分析的一种有效的辅助工具。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 电力系统电压稳定性研究的现状分析
• 1.2.1 电压稳定性的定义
• 1.2.2 电压稳定性的分类
• 1.2.3 电压稳定性的分析方法
• 1.2.4 电压稳定性的失稳机理
• 1.3 模态分析理论概述
• 1.4 本文的工作
• 1.4.1 目的和内容
• 1.4.2 方法和流程
• 第二章 静态电压稳定性研究
• 2.1 引言
• 2.2 静态电压稳定性分析的理论基础
• 2.2.1 静态电压稳定性分析与常规潮流计算
• 2.2.2 静态电压稳定性分析与连续潮流计算
• 2.3 静态电压稳定性分析方法
• 2.3.1 特征结构分析法
• 2.3.2 奇异值分解法
• 2.3.3 灵敏度分析法
• 2.3.4 VQ模态分析分析法
• 2.3.5 静态分叉失稳分析法
• 第三章 电力系统元件模型及其对电压稳定性影响
• 3.1 电压稳定性的数学模型
• 3.1.1 发电机及其调节系统模型
• 3.1.2 电力网络模型
• 3.1.3 负荷模型
• 3.2 负荷特性及其对电压稳定性的影响
• 3.2.1 负荷特性和负荷建模
• 3.2.2 考虑负荷特性的电压稳定性
• 第四章 模态分析理论在电力系统电压稳定中的应用分析
• 引言
• 4.1 状态矩阵的特征值分析
• 4.1.1 动态系统的线性化
• 4.1.2 线性系统的状态矩阵及其特征行为
• 4.1.3 动态系统的自由运动
• 4.1.4 特征值和系统稳定性的关系
• 4.2 线性系统的模态分析
• 4.2.1 模态和特征向量
• 4.2.2 特征值灵敏度
• 4.2.3 参与因数
• 4.3 V-Q模态分析和全模态分析法
• 4.3.1 V-Q模态分析
• 4.3.2 全模态分析法
• 4.4 对模态分析法的进一步分析
• 4.4.1 V-Q模态分析法和全模态分析法存在的问题
• 4.4.2 在靠近临界失稳点处考虑有功功率变化对电压幅值的影响
• 4.4.3 对雅可比矩阵特征值的进一步处理
• 4.4.4 模态分析法在在线电压稳定性评估中的应用分析
• 第五章 基于MATLAB的电压稳定静态计算仿真与结果分析
• 5.1 关于MATLAB
• 5.2 算例分析
• 5.2.1 基于无功雅可比矩阵的特征分析
• 5.2.2 基于修正和无功电压两种雅可比矩阵的特征分析
• 5.2.3 关于无功雅可比矩阵和修正雅可比矩阵
• 5.3 防止/抑制电压失稳
• 5.3.1 短期电压不稳定抑制措施
• 5.3.2 中长期电压不稳定抑制措施
• 5.3.3 进行电压安全评估
• 总结与展望
• 全文总结
• 展望部分
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研项目