电气和电子工程师协会同步发电机建模实践和电力系统
稳定性分析应用指南
概述和目标
1.1 介绍
研究同步发电机相互连接稳定性的基本技术源于十九世纪末和上个世纪初期。Blondel[B1]和Park([B62], [B63])等人开发了将定子变量转化为与转子同步旋转的量的关键概念，并且仍然是当今同步机器分析的基础。
在一定程度上，直到20世纪的最后三四十年，这些早期发展起来的技术仍然保持相对不变。尽管理论上有可能在此之前开发相对复杂的发电机模型，但有限的计算能力意味着这种模型对于用于大规模稳定性研究是不切实际的。然而，随着数字计算机的出现，图像发生了显着变化，计算能力继续快速增长。此外，电力系统越来越复杂，再加上更复杂的发电机和系统控制（如高速固态励磁系统）的出现，大大增加了对稳定性方案的需求。
作为回应，二十世纪的后期对同步发电机建模的兴趣增加了。这种兴趣采取了多种形式。 例如，初步调查试图将同步电机模型的性能与电力系统瞬时扰动后特定电机的测量性能相关联（Chorlton and Shackshaft[B6], Dandenoet al.[B12])。其他研究人员开发了用于确定机器参数的替代技术（Manchur et al.[B57]）。直到今天，与此相关工作的是为了提高现有分析和预测电力系统动态行为的能力。 随着电力系统不断增长的规模和复杂性以及放松管制明显改变这些系统的运行和控制方式，这项工作变得越来越重要。
本指南的目标是总结用于电力系统稳定性研究的同步电机模型的可用实践。 正如将要讨论的那样，计算能力已经达到使对发电机（以及它们的励磁系统和其他控制器）进行建模成为可能，且可以从中形成模型的适当可用的数据。
1.2 特殊问题的稳定性方面本指南未讨论
本指南不尝试针对非标准或非典型情况下的机器表示建议特定程序，如发电机跳闸和超速运行或谐波或非平衡运行模型。同样，Dandeno和Iravani记录了对次同步共振（SSR）研究的建模建议[B9] 和IEEE[B35]。最近的研究表明，基于静止频率响应数据的小信号分析模型也适用于SSR调查。这适用于已经发现三阶模型对于覆盖从15Hz到50Hz的频谱是必需的情况（IEEE[B35]).
1.3 指南概述
条款3 讨论了电力系统研究中常用的各类稳定性研究和相应的同步发电机建模要求。条款4 然后回顾一些同步发电机建模的基本原理，并讨论了可用于研究同步发电机动态行为的模型范围，如表1的条款4.本条款强调只有在确定模型的结构（例如转子中假定导电路径的数量）及其参数（如从测试数据或分析技术中获得的）时才能唯一确定一个模型。 条款5 接下来介绍了如何在条款中讨论的各种模型4 可以应用于条款中讨论的各种类型的稳定性研究3.
条款6 然后讨论饱和对同步电机性能的影响以及为将这些效应纳入同步发电机模型而开发的各种技术。 包括在附件中D 是直轴和交轴饱和函数的发展。 由于饱和度本质上是一种非线性现象，而常用的发电机模型是线性的，因此用于将饱和效应并入发电机模型的技术有点特殊。 这是一个需要进一步调查的领域。
最后，条款7 讨论了为获得同步发电机模型参数而开发的技术。 这些参数可以通过测试找到，如IEEE Std 995中所述，或者由制造商计算得出。将参数从d轴和q轴模型的电感和电阻转换为还讨论了瞬态和疏远电抗和时间常数或传递函数形式。
2.参考
本指南应与下列出版物一起使用。 如果下列出版物被批准的修订版所取代，则修订版应适用。
IEEE标准115-1995，IEEE指南：同步机测试程序，第I部分 - 验收和性能测试，第II部分 - 动态分析的测试程序和参数确定
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2关于参考的信息可以在条款中找到2.
3条款中引用的IEEE标准或产品2 是电气和电子工程师协会所拥有的商标。
4IEEE出版物可从美国新泽西州Piscataway的PO Box 1331 Hoes Lane 445号的电气和电子工程师协会获得，其地址为：USA08855-1331（http://standards.ieee.org/）。
以及在电力系统稳定性分析中的应用
3 电力系统稳定性分类和同步电机建模要求
3.1 一般背景
传统上，电力系统稳定性研究主要集中在系统在严重干扰后保持同步运行的能力上。 然而，随着相互连接的持续增加，更多地使用新技术，以及在高度紧张的条件下运行电力系统的需求增加，其他形式的稳定性比过去而言获得了更多的关注。
显然，取决于系统配置，运行模式和扰动形式，电力系统的不稳定性可能以许多不同的方式表现出来。将稳定性问题进行分析，包括识别造成不稳定性的基本因素，并设计改善稳定运行的方法，通过分类到适当的类别可以大大方便。这些基于以下考虑：
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- 由此导致的不稳定性的物理性质，即可观察到不稳定性的主要系统参数；
- 考虑到扰动的大小，影响分析的适用方法。
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根据现象的物理性质，电力系统稳定性可以分为三大类：（a）转子角稳定性，（b）电压稳定性和（c）频率稳定性（Kundur和Morrison[B51], Kundur [B54]).
3.2 转子角度稳定
转子角稳定性（或角稳定性）涉及电力系统的互联同步电机在正常工作条件下和受到干扰之后保持同步的能力。稳定性这方面的一个基本因素是同步电机的转矩或功率输出随转子振荡而变化的方式。 同步电机彼此保持同步的机制是通过每当有力趋于相对于彼此加速或减速机器时产生恢复力矩。
在扰动之后的同步电机的电磁转矩的变化可以被分解为两个分量：（i）与转子角度偏差同相的同步转矩分量和（ii）与转速相位相同的减振转矩分量偏差。 缺乏足够的同步转矩会导致非周期性不稳定，而缺乏阻尼转矩会导致振荡不稳定。一台机器与系统的其他部分之间或机器组之间可能发生同步失去，可能在彼此分离之后在每个组内保持同步。
为了便于分析和深入了解稳定性问题的性质，根据所考虑的扰动大小将角度稳定性描述为以下子类别是有用的：
- 通常称为暂态稳定性的大扰动角稳定性与电力系统在遭受严重干扰（例如传输电路上的瞬时故障或大型发电机损失）时保持同步的能力有关。 由此产生的系统响应涉及发电机转子角度的大幅偏移，并受到同步电机的非线性功率角关系的影响。通常，干扰会改变系统，使得干扰后的状况与干扰之前的状况不同。由于同步转矩不足，不稳定性呈转子角度非周期性漂移的形式。 在大功率系统中，由于与单模相关的第一次摆动不稳定性，瞬时不稳定性可能不总是会发生；这可能是由叠加引起的峰值偏差增加的结果。几种振动模式导致超出第一次摆动的大的转子角偏移。对瞬态稳定性的兴趣期通常限制在干扰后约3至5秒。
- 小扰动角度稳定性与电力系统在小干扰（例如在电力系统正常运行中持续出现的那些干扰）下保持同步的能力有关。 为了分析的目的，扰动被认为足够小以至于允许系统方程的线性化。 使用线性技术的小信号分析提供了有关电力系统固有动态特性的有价值信息。 可能导致的不稳定性可以有两种形式：（i）由于缺乏同步转矩，通过非振动模式或非周期模式增加转子角度，或（ii）由于缺乏足够的减振转矩而导致振幅增加的转子振荡。
在当今的电力系统中，小扰动角度稳定性问题通常是振荡阻尼不足的问题之一。以下类型的振荡的稳定性值得关注：
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- 局部设备模式振荡，与电站中的单元相对于电力系统的其余部分摆动相关联。
- 区域间振荡，与一个区域内的一组发电机相对于另一区域内的一组发电机摆动有关。
- 扭转模式振荡，与涡轮发电机轴系统各发电机的旋转部件相关联。
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3.3 电压稳定
电压稳定性与电力系统在正常工作条件下和受到干扰后在系统中所有总线上保持稳定的可接受电压的能力有关。可能导致的不稳定性以一些总线的电压逐渐下降或升高的形式出现，只有适度的发电机角度偏移。造成电压不稳定的主要因素是电力系统无法在整个系统中保持无功功率的适当平衡。这受到系统负载和电压控制设备（包括发电机及其励磁系统）的特性的显着影响。
就角度稳定性而言，根据所考虑的扰动大小将电压稳定性分为以下两个子类别是有用的：
- 大扰动电压稳定性与系统在严重干扰后维持稳定电压的能力有关。 对稳定性的评估通常需要在足够长的时间内检查电力系统的动态性能，以捕获诸如负载不足的变压器分接开关和发电机励磁限流器等设备的相互作用。 学习时间可能会从几秒钟延长到几分钟。
- 小扰动电压稳定性与系统在小扰动（例如负载的增量变化）之后维持稳定电压的能力有关。 使用线性技术的小扰动分析从系统范围的角度给出了有价值的电压稳定性相关信息，并清楚地标识出有潜在问题的区域。
3.4 频率稳定
频率稳定性关系到电力系统在严重系统失常之后将频率维持在标称范围内的能力，这可能导致系统被划分为子系统（电岛），也可能不导致该系统被分成子系统。 这取决于能否以最小的负载损失来恢复系统生成和负载之间的平衡。
使用时域仿真进行频率稳定性分析，时域仿真包括所有适当的快速和慢速动态，足以建模响应大频率偏移的控制和保护系统，以及随之而来的电压和其他系统变量的大幅变化。 在大型互联电力系统的情况下，所需的模拟可能包括超出正常设计标准的严重干扰，这导致电力系统级联和分裂成多个独立的岛，每个岛中的发电机保持同步。 在这种情况下的稳定性是一个问题，即每个岛是否会以最小的负荷损失达到可接受的平衡状态。
在导致频率不稳定的扰动过程中，由频率和其他系统变量的大变化激活的过程和设备的特征时间将在几秒钟内变化，对应于诸如发电机控制的设备的响应到几分钟，对应于原动机能量供应系统和负载电压调节器等设备的响应。
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