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1、动态电力系统动态电力系统20122012年秋季年秋季研究生课程研究生课程第四章直接法暂态稳定分析主要内容直接法基本原理直接法基本原理能量函数构造能量函数构造RUEPRUEP法法PEBSPEBS法法EEACEEAC法法参考文献电力系统暂态稳定性的能量函数分析刘笙 上海交通大学出版社 1995直接法稳定分析付书裼、倪以信、薛禹胜 中国电力出版社 1999一、一、概论概论 从能量的角度分析稳定问题从能量的角度分析稳定问题,从而快速判别稳定性。从而快速判别稳定性。优点：优点：可计及非线性大系统可计及非线性大系统 计算速度快，不必逐步仿真受扰运动轨迹计算速度快，不必逐步仿真受扰运动轨迹 能给出稳定裕度指
2、标能给出稳定裕度指标 缺点：缺点：模型较简单模型较简单 结果偏于保守结果偏于保守稳定性分析历史回顾稳定性分析历史回顾 1818世纪末，由于瓦特发明的离心式调速器有时会世纪末，由于瓦特发明的离心式调速器有时会造成系统的不稳定造成系统的不稳定使蒸汽机产生剧烈的振荡。到使蒸汽机产生剧烈的振荡。到了了1919世纪又发现船舶上自动操舵机的稳定性问题。世纪又发现船舶上自动操舵机的稳定性问题。这就迫使一些数学家用微分方程来描述和分析系这就迫使一些数学家用微分方程来描述和分析系统的稳定性问题。统的稳定性问题。1867年英国物理学家年英国物理学家J.C.麦克斯韦发表麦克斯韦发表论调速器论调速器的文章的文章总总结
3、了无静差调速器的理论。结了无静差调速器的理论。1876年俄国机械学家维什涅格拉年俄国机械学家维什涅格拉茨基在法国科学院院报上发表茨基在法国科学院院报上发表论调节器的一般理论论调节器的一般理论的文的文章章进一步总结了调节器的理论。进一步总结了调节器的理论。1877年英国数学家年英国数学家E.J.劳思提劳思提出代数稳定判据出代数稳定判据即著名的劳思稳定判据。即著名的劳思稳定判据。1895年德国数学家年德国数学家A.胡尔维茨提出代数稳定判据的另一种形式胡尔维茨提出代数稳定判据的另一种形式即著名的胡尔维茨即著名的胡尔维茨稳定判据。稳定判据。Maxwell,J.C.“OnGovernors”.Proce
4、edingsoftheRoyalSocietyofLondon，Vol.16(1867-1868):270283.Lyapunov第一法第一法通过求解微分方程的解来分析运动稳定性，通过求解微分方程的解来分析运动稳定性，即通过分析非线性系统线性化方程特征值分布来判别原非线性即通过分析非线性系统线性化方程特征值分布来判别原非线性系统的稳定性；系统的稳定性；Lyapunov第二法第二法是一种定性方法，它无需求解困难的非是一种定性方法，它无需求解困难的非线性微分方程，而转而构造一个线性微分方程，而转而构造一个Lyapunov函数，研究它函数，研究它的正定性及其对时间的沿系统方程解的全导数的负定的正定性
5、及其对时间的沿系统方程解的全导数的负定或半负定，来得到稳定性的结论。或半负定，来得到稳定性的结论。直接法发展历程直接法发展历程 18921892年，年，LyapunovLyapunov经典论文经典论文 关于运动稳定性的一般理论关于运动稳定性的一般理论发表发表李亚普诺夫李亚普诺夫（18571918）Lyapunov，AleksandrMikhailovich俄罗斯数学家，物理学家。1857年生于雅罗斯拉夫尔，1918年11月3日卒于敖德萨。1876年入圣彼得堡大学，1892年获博士学位，1893年起任哈尔科夫大学教授。曾先后在圣彼得堡大学、哈尔科夫大学和喀山大学执教。李亚普诺夫最初从事流体静力学
6、理论研究，李亚普诺夫最初从事流体静力学理论研究，1892年开创性地提年开创性地提出求解非线性常微分方程的李亚普诺夫函数法，亦称直接法，由于这出求解非线性常微分方程的李亚普诺夫函数法，亦称直接法，由于这个方法的明显的几何直观和简明的分析技巧，从而在科学技术的许多个方法的明显的几何直观和简明的分析技巧，从而在科学技术的许多领域中得到广泛的应用和发展，奠定了常微分方程稳定性理论的基础。领域中得到广泛的应用和发展，奠定了常微分方程稳定性理论的基础。成为研究常微分方程定性理论的重要手段。成为研究常微分方程定性理论的重要手段。LyapunovLyapunov第二法第二法 由力学经典理论可知，对于一个振动系
7、统，当系统总能由力学经典理论可知，对于一个振动系统，当系统总能量（正定函数）连续减小（这意味着总能量对时间的导数为量（正定函数）连续减小（这意味着总能量对时间的导数为负定），直到平衡状态时为止，则此振动系统是稳定的。负定），直到平衡状态时为止，则此振动系统是稳定的。LyapunovLyapunov第二法是建立在更为普遍意义的基础上的，即如第二法是建立在更为普遍意义的基础上的，即如果系统有一个渐近稳定的平衡状态，则当其运动到平衡状态的吸果系统有一个渐近稳定的平衡状态，则当其运动到平衡状态的吸引域内时，系统存储的能量随着时间的增长而衰减，直到在平稳引域内时，系统存储的能量随着时间的增长而衰减，直到
8、在平稳状态达到极小值为止。然而对于一些纯数学系统，毕竟还没有一状态达到极小值为止。然而对于一些纯数学系统，毕竟还没有一个定义个定义“能量函数能量函数”的简便方法。为了克服这个困难，的简便方法。为了克服这个困难，LyapunovLyapunov定义了一个虚构的能量函数，称为定义了一个虚构的能量函数，称为LyapunovLyapunov函数。当函数。当然，这个函数无疑比能量更为一般，且其应用也更广泛。实然，这个函数无疑比能量更为一般，且其应用也更广泛。实际上，任一纯量函数只要满足际上，任一纯量函数只要满足LyapunovLyapunov稳定性定理的假设条稳定性定理的假设条件，都可作为件，都可作为L
9、yapunovLyapunov函数（其构造可能十分困难）。函数（其构造可能十分困难）。若(,t0)与初始时刻t0无关,则称平衡态xe是李雅普诺夫意义下一致渐近稳定的。对于线性定常系统来说,上述定义中的实数(,t0)可与初始时刻t0无关,故其渐近稳定性与一致渐近稳定性等价。但对于时变系统来说,则这两者的意义很可能不同。必要条件：必要条件：只有一个平衡点。只有一个平衡点。对于非线性系统,渐近稳定性是一个局部性的概念,而非全局性的概念。2x0 x)(tx1x0)(002221xVCxx=+12221Cxx=+22221Cxx=+1x2x0 x0)(tx线性系统的稳定性与非线性系统的稳定性比较线性系统
10、的稳定性与非线性系统的稳定性比较在线性定常系统中，若平衡状态是局部渐近稳定的，则它是大范在线性定常系统中，若平衡状态是局部渐近稳定的，则它是大范围渐近稳定的。然而在非线性系统中，不是大范围渐近稳定的平衡状围渐近稳定的。然而在非线性系统中，不是大范围渐近稳定的平衡状态可能是局部渐近稳定的。因此，线性定常系统平衡状态的渐近稳定态可能是局部渐近稳定的。因此，线性定常系统平衡状态的渐近稳定性的含义和非线性系统的含义完全不同。性的含义和非线性系统的含义完全不同。如果要具体检验一个实际非线性系统平衡状态的渐近稳如果要具体检验一个实际非线性系统平衡状态的渐近稳定性，则仅用前述非线性系统的线性化模型之稳定性分
11、析，定性，则仅用前述非线性系统的线性化模型之稳定性分析，即即Lyapunov第一法是远远不够的，必须研究没有线性化的非线性第一法是远远不够的，必须研究没有线性化的非线性系统。为此有如下几种基于系统。为此有如下几种基于Lyapunov第二法的方法可达成这一第二法的方法可达成这一目的。如克拉索夫斯基方法、目的。如克拉索夫斯基方法、Schultz-Gibson变量梯度法、鲁里变量梯度法、鲁里叶叶(Lure)法，以及波波夫方法等。法，以及波波夫方法等。在电力系统中的应用：在电力系统中的应用：2020年代初，等面积定则年代初，等面积定则19581958年，年，AylettAylett，能量积分判据，能量
12、积分判据19661966年，年，GlessGless等，明确提出等，明确提出7070年代末，取得重大进展。三大主导流派：年代末，取得重大进展。三大主导流派：加速度法：加速度法：Ribbens-pavella RUEP法：法：Kakimoto，Athy etc.相关不稳定平衡点法相关不稳定平衡点法 RUEPRelated Unstable Equilibrium Point PEBS法：势能界面法法：势能界面法 PEBSPotential Energy Boundary Surface8080年代以来：年代以来：单机能量函数法：单机能量函数法：IMEFIMEF，19831983 结构保留能量函数
13、法：结构保留能量函数法：SPEF，1987 EEAC法：薛禹胜法：薛禹胜，扩展等面积法，扩展等面积法，1988 EEACExtended Equal Area Criteria BCU法法：江晓东，：江晓东，1991 Boundary of Stability based Controlling Unstable Equilibrium Point Method 基于稳定域边界的主导不稳定平衡点法基于稳定域边界的主导不稳定平衡点法 直接法的简单类比：直接法的简单类比：，对于一个滚球系统，当滚球系统无扰动时，滚球位于稳定平衡点SEP。受扰后，滚球位于高度h处时，其速度为v。设球的质量为m，则滚球
14、具有的总能量为当滚球到达UEP点 速度v=0，这时滚球的总能量为 Vcr称为临界能量根据运动学原理，若关键：关键：如何对一个实际系统构造一个合适的能量函数。如何确定与系统临界稳定状态相对应的临界能量，从而通过比较 判别稳定性。二、单机无穷大系统直接法暂态稳定分析二、单机无穷大系统直接法暂态稳定分析XLXT2XT1若发电机采用经典数学模型，忽略原动机和调速器动态，忽略励磁系统的动态，则系统的数学模型可写为：式中，为转子角，为转子角速度与的偏差M为发电机惯性时间常数为机械输入功率为电磁功率。受扰条件假设为：在t=0时线路II发生某种短路故障，时切除故障线路。故障前、故障期间及故障切除后的电磁功率
15、与功角的关系如图PuSSoCPmPIPIIPIIIABC故障切除瞬间的动能可表示为：故障切除瞬间的动能可表示为：故障切除瞬间，系统的势能定义为以故障切除后系统的稳定平衡点s为参考点到故障切除后的点c的减速面积，即：从而，系统在扰动结束时的总暂态能量为：将系统处于不稳定平衡点u时，系统以s点为参考点的势能作为临界能量 ，则：若，即面积(A+B)面积(B+C)或面积A面积C则系统第一摇摆稳定 等面积定则等面积定则三、三、多机系统直接法暂态稳定分析多机系统直接法暂态稳定分析目标目标 预想事故条件下的临界切除时间预想事故条件下的临界切除时间t tcrcr步骤：步骤：构造构造故障后故障后系统的系统的Ly
16、apunovLyapunov函数或能量函数函数或能量函数V(X)V(X)对给定的故障，寻找对给定的故障，寻找V(X)V(X)的临界值的临界值V Vcrcr 对故障后系统的暂态方程进行仿真对故障后系统的暂态方程进行仿真,直至直至 V(X)=Vcr,V(X)=Vcr,对应时刻为对应时刻为tcrtcr关键关键Vcr1.多机电力系统暂态能量函数多机电力系统暂态能量函数经典模型：经典模型：发电机：发电机：n+m个节点个节点 n个节点个节点负荷：恒定阻抗负荷：恒定阻抗网络：收缩至发电机内节点网络：收缩至发电机内节点电磁功率 可写为：其中为发电机的内电势为仅保留发电机内电势节点后导纳短阵中的对角元和非对角元
17、对应的自导纳和互导纳。暂态稳定研究的是发电机相对运动，需确定参考暂态稳定研究的是发电机相对运动，需确定参考坐标的相位角。坐标的相位角。MARMAR坐标坐标（machine angle referencemachine angle reference）以第以第n n台发电机为参考机台发电机为参考机 COICOI坐标坐标（center of inertiacenter of inertia）以系统惯性中心为参考以系统惯性中心为参考定义：这里，并满足COI坐标下坐标下，定义新的发电机转子角度和角速度，定义新的发电机转子角度和角速度显然，显然，COI坐标下发电机转子运动方程为：其中推导利用了关系式：能
18、量函数推导能量函数推导:为简化起见，将由变量 所组成的矢量表示为（），也表示为状态空间的点。对于故障切除后系统的稳态平衡点和不稳定平衡点，可由下式中的右端项等于零来确定，即其中稳定平衡点用表示不稳定平衡点用表示多机系统的暂态能量函数实际上是单机无穷大系统中能量函数的一种推广，即定义为：推导利用了关系式：注记能量函数由三部分组成：动能项 势能项（转子位能与电磁储能）耗散项与积分路径有关，近似以线性 路径计及或忽略 函数正定性无法确定与单机系统类似，系统的临界能量将由不稳定平衡点（）处的暂态势能决定，即：多机电力系统在故障后，系统暂态稳定的判据为：2.稳定域估计稳定域估计经典法经典法：又称：又称C
19、losest UEPClosest UEP 法。求出全部法。求出全部UEPUEP，共有（共有（2n-1-1）个。每一个失稳模式对应一个临界势）个。每一个失稳模式对应一个临界势能能，取最小者作为，取最小者作为Vcr，十分保守，耗时。，十分保守，耗时。不稳定平衡点不稳定平衡点UEP 经典法没有考虑故障地点对稳定的影响，因经典法没有考虑故障地点对稳定的影响，因而十分保守而十分保守，无法实用。，无法实用。研究表明，对于一特定故障，在所有研究表明，对于一特定故障，在所有 种失稳模式中，必有一种是真正合理的，即系统种失稳模式中，必有一种是真正合理的，即系统以这种模式趋于失稳。由于这种模式所对应的与以这种模
20、式趋于失稳。由于这种模式所对应的与故障地点、故障类型等有着紧密的关系，因此，故障地点、故障类型等有着紧密的关系，因此，在以后的研究中提出了在以后的研究中提出了RUEP 法等方法为暂态能法等方法为暂态能量函数法稳定分析向实用法迈进了一大步。量函数法稳定分析向实用法迈进了一大步。加速度法加速度法在t=0时刻求各发电机的加速度 设第i台发电机加速度最大，选取近似临界能量 仿真受扰动态方程至 ，重新计算加速度并排列。仿真受扰动态方程至 RUEPRUEP法法又称又称CUEP 法。法。RUEPRelated Unstable Equilibrium PointCUEPControlling Unstabl
21、e Equilibrium Point 不稳定平衡点不稳定平衡点UEPUEP是方程是方程的解。的解。一般用一般用NewtonNewton法求法求稳定平衡点稳定平衡点SEP，仅一个。，仅一个。用用DFPDFP法求不稳定平衡点法求不稳定平衡点UEPUEP较合适。即求标量函数：较合适。即求标量函数：RUEP法步骤：（1）对于给定的故障情况，沿系统持续故障轨迹求出使函数取极大值时的转子角度，并将它表示为（2）由 形成一个指向UEP的向量 并规格化为方向向量h（3）从 出发，沿h方向求解一维极小化问题，即其中（4）以 为起点，用DFP法求解（5）仿真受扰动态方程至 PEBSPEBS法法思路：对复杂系统寻
22、求一种低维系统的稳定边界，思路：对复杂系统寻求一种低维系统的稳定边界，从从 空间转向空间转向 子空间，即在角度空间寻求势能子空间，即在角度空间寻求势能最大的点，作为最大的点，作为V Vcrcr的一种估计。的一种估计。在在 空间，空间，是一族曲面（线），可以是一族曲面（线），可以映射到映射到 空间，并转换成空间，并转换成 的的一族曲面（线）一族曲面（线）等势面（线）等势面（线）PEBSPEBS定义定义通过各通过各UEPUEP，并和，并和等势面（线）正交，从而反映等势面（线）正交，从而反映Vp梯梯度方向的曲面。度方向的曲面。性质性质在在PEBSPEBS内内在在PEBSPEBS上上在在PEBSPEB
23、S外外持续故障轨迹与持续故障轨迹与PEBSPEBS相交的点接近相交的点接近RUEPRUEP，且此时，且此时与与RUEPRUEP法的区别：法的区别：V Vcrcr的确定。的确定。单机无穷大系统：单机无穷大系统：PEBS RUEP 在在 上，上，多机系统多机系统：RUEPRUEP难求，于是在难求，于是在持续故障轨迹上搜索持续故障轨迹上搜索V Vp p最最大的点大的点 VcrPEBS法步骤：（1）对于给定的故障情况，沿系统持续故障轨迹计算每一时段的Vp。（2）求Vp的最大值。比较 与前一时段之值，若，用插值法求出最大的Vp 在每一时段，计算，直至，认为此时的Vp最大（3）仿真受扰动态方程至 SEP0
24、SEPRUEP持续故障轨迹持续故障轨迹临界故障轨迹临界故障轨迹tcrPEBSBCU法是Chiang等提出的基于稳定域边界的主导不稳定平衡点方法。用来改进对RUEP的识别。该方法先按持久故障轨迹积分，直到故障中的角度矢量和故障后的功率失配矢量的内积改变符号为止；然后从该点开始，对一组梯度动态方程积分，并搜索梯度最小的点；再以后者为起点用一般方法计算RUEP。BCU法是PEBS方法与主导不稳定平衡点方法的结合。BCU法可以避免给出临界能量的错误估计,改进了PEBS方法,但仍然没有克服其保守性。Chiang H,Wu F F,Varaiya P P.A BCU Method for Direct A
25、nalysis of Power System Transient Stability.IEEE Trans on PWRS,1994,9(3)与PEBS法的区别：是一种改进的PEBS法。BCU法主要是利用相关UEP处的势能作为Vcr，而PEBS法则是使用逸出点（Exit Point）的势能作为Vcr。前者比后者更合理。EEAC法多机系统临界群余下群单机单机单机无穷大系统分解分解等值等值等值等值等值等值对n机电力系统：假设1：失稳模式已知失稳群称为S群，余下群称为A群。定义S与A的角度与角速度为：假设2：群内转子角度无相对摆动则S与A群惯性中心的运动方程为：二机等值进一步，作单机无穷大系统等值。令：定义单机惯性时间常数：则：其中：这里：EEACEEAC的应用的应用 系统规划系统规划 快速扫描工具快速扫描工具 运行规划运行规划 在有限时间内，根据经济目标作出满足暂态安全约在有限时间内，根据经济目标作出满足暂态安全约束的最优决策。束的最优决策。在线运行和预防控制在线运行和预防控制 紧急控制紧急控制 事故后，事故后，200ms200ms四、四、直接法研究动态直接法研究动态 提高模型的适应性提高模型的适应性 提高计算速度提高计算速度 与与SBSSBS法相结合法相结合 用于电压稳定分析用于电压稳定分析 直接法灵敏度分析直接法灵敏度分析