国际大电网会议(CIGRE)和国际电气与电子工程师学会电力工程分会(IEEE/PES)稳定定义联合工作组于2004年重新对电力系统稳定性进行了定义和分类,电力系统稳定性是指系统在给定的初始运行方式下,受到物理扰动后仍能够重新获得运行平衡点,且在该平衡点大部分系统状态变量都未越限,从而保持系统完整性的能力。
IEEE/CIGRE稳定定义联合工作组根据电力系统失稳的物理特性,受扰动的大小及研究稳定问题必须考虑的设备、过程和时间框架,将电力系统稳定分为功角稳定、电压稳定和频率稳定三大类,如图1所示。
功角稳定是指互联系统中的同步发电机受到扰动后,保持同步运行的能力。功角失稳可能由同步转矩或阻尼转矩不足引起,其中,同步转矩不足引起非周期失稳,阻尼转矩不足将引起振荡失稳。
根据扰动的大小,将功角稳定分为小扰动功角稳定与大扰动功角稳定。
小扰动功角稳定是指系统遭受小扰动后保持同步运行的能力,它取决于系统的初始运行状态。由于扰动足够小,因此,在分析时,可在平衡点将描述系统的非线性方程线性化,在此基础上对稳定问题进行研究。小扰动功角稳定可表现为转子同步转矩不足引起的非周期失稳,以及阻尼转矩不足引起的转子增幅振荡失稳,小扰动失稳研究的时间范围通常是10~20s。
大扰动功角稳定又称暂态功角稳定,是指电力系统遭受线路短路、切机等大扰动时,保持同步运行的能力,它由系统的初始运行状态和受扰动的严重程度共同决定。由于扰动足够大,因此,必须用非线性微分方程来研究。大扰动功角稳定表现为非周期失稳和振荡失稳两种模式。非周期失稳大扰动功角稳定问题,研究的时间范围通常是受扰后3~5s,振荡失稳的研究时间范围通常是10~20s。
小扰动功角稳定与大扰动功角稳定均是一种短期现象。
电压稳定是指处于给定运行点的电力系统在经受扰动后,维持所有节点电压为可接受值的能力。它依赖于系统维持或恢复负荷需求和负荷供给之间平衡的能力。根据扰动的大小,IEEE/CIGRE将电压稳定分为小扰动电压稳定和大扰动电压稳定。这符合一般的非线性系统和线性系统的稳定性定义。
小扰动电压稳定是指系统受到小的扰动后,如负荷的缓慢增长等,维持电压的能力。
这类形式的稳定受某一给定时刻负荷特性、离散和连续控制影响。借助适当的假设,在给定运行点对系统动态方程进行线性化处理,从而可以用静态方法对小扰动电压稳定进行研究。从线性化计算可以得到有价值的灵敏度信息等。这些信息在确定影响系统稳定的主要因素时非常有用。
大扰动电压稳定是指系统受到大的扰动后,如系统故障、失去负荷、失去发电机等,维持电压的能力。这类形式的稳定取决于系统特性、负荷特性、离散和连续控制与保护及它们之间的相互作用。确定这种稳定形式需要在一个足够长的时间周期内,检验系统的动态行为,以便能够捕捉到诸如电动机、有载调压变压器、发电机励磁电流调节器等设备的运行及它们的相互作用。一般用包含合适模型的非线性时域仿真法来研究大扰动电压稳定问题。根据需要研究时间范围可从几秒到几十分钟。
电压稳定可能是短期的或长期的现象。短期电压稳定与快速响应的设备有关,必须考虑负荷的动态,及邻近负荷的短路故障,研究时间大约在几秒钟;长期电压稳定与慢动态设备有关,它通常由连锁的设备停运引起,与初始扰动程度无关,研究时间可以是几分钟或者更长的时间。
值得一提的是,IEEE/CIGRE对于正确区分功角稳定和电压问题给出了明确的解释,功角稳定和电压稳定的区别并不是基于有功/功角和无功/电压幅值的弱耦合关系。实际上,对于重载情况下的电力系统,有功/功角和无功/电压幅值之间具有很强的耦合关系,功角稳定和电压稳定都受到扰动前有功、无功潮流的影响。
频率稳定是指电力系统受到严重扰动后,发电和负荷需求出现大的不平衡,系统仍能保持稳定频率的能力。电力系统功率不平衡量是变化的,频率的变化是一个动态过程。频率稳定可以是短期的或长期的现象。