2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析與設(shè)計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、小干擾穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性的主要區(qū)別。并各舉一個影響相應(yīng)穩(wěn)定性的典型因素。二、在電力系統(tǒng)中，什么是功角？簡述功角特性曲線的物理意義。在簡單電力系統(tǒng)中，影響功角特性曲線形狀的主要參數(shù)有哪些？三、何謂電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性？如何利用Routh-Hurwitz判據(jù)判斷一個線性化系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性？四、簡述自動調(diào)節(jié)勵磁裝置（AVR）對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。為什么AVR的整定對穩(wěn)定性至關(guān)重要？五、什么是電力系統(tǒng)的低頻振蕩？簡述其產(chǎn)生的原因。常用的抑制低頻振蕩的控制措施有哪些？六、簡述電力系統(tǒng)電壓崩潰現(xiàn)象的基本過程。影響電壓穩(wěn)定性的主要因素有哪些？七、什么是電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性？簡述頻率崩潰的基本原因。電力系統(tǒng)中通常采用哪些措施來維持頻率穩(wěn)定性？八、同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)對其穩(wěn)定性有何影響？簡述勵磁調(diào)節(jié)器的基本作用。九、在電力系統(tǒng)中引入靜止同步補償器（STATCOM）對系統(tǒng)的穩(wěn)定性（功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性）有哪些積極作用？十、結(jié)合系統(tǒng)科學(xué)中的“整體性”和“關(guān)聯(lián)性”觀點，論述提高電力系統(tǒng)抗干擾能力（特別是穩(wěn)定性）的重要性，并說明可以從哪些系統(tǒng)層面提出改進思路。十一、考慮一個簡單的兩機系統(tǒng)，發(fā)電機分別連接到無窮大系統(tǒng)，忽略線路電阻，只考慮功角阻尼。已知兩機之間的傳輸功率P為P0，功角δ。請寫出描述該系統(tǒng)暫態(tài)過程的微分方程（派克方程的簡化形式）。若系統(tǒng)發(fā)生擾動導(dǎo)致功率特性發(fā)生變化，如何判斷該擾動是否會引起系統(tǒng)失去暫態(tài)穩(wěn)定？十二、電力系統(tǒng)中采用備用電源自動投入（ATS）裝置的主要目的是什么？簡述ATS裝置的基本工作原理及其可能帶來的風(fēng)險。十三、在大型復(fù)雜電力系統(tǒng)中，進行穩(wěn)定性分析時，除了傳統(tǒng)的計算方法（如功角法、小信號分析法），系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域提出了一些什么新的分析視角或工具可以輔助進行穩(wěn)定性評估？十四、高比例可再生能源（如風(fēng)能、太陽能）接入電力系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性（特別是電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性）帶來了哪些新的挑戰(zhàn)？請列舉至少三種應(yīng)對策略，并簡述其基本原理。試卷答案一、暫態(tài)穩(wěn)定性研究系統(tǒng)在遭受大擾動（如短路、投切大型負荷/發(fā)電機）后，能否恢復(fù)到原始運行狀態(tài)或穩(wěn)定運行在新運行狀態(tài)的能力，通常以臨界切除時間衡量。小干擾穩(wěn)定性研究系統(tǒng)在遭受小范圍擾動后，能否自動恢復(fù)到原始運行狀態(tài)的能力，通常用特征值的實部判斷。電壓穩(wěn)定性研究系統(tǒng)在持續(xù)小擾動下，能否保持電壓水平在合理范圍內(nèi)的能力，與有功無功功率平衡密切相關(guān)。影響因素：暫態(tài)穩(wěn)定性主要受短路類型、切除時間、系統(tǒng)連接方式、異步發(fā)電機影響；小干擾穩(wěn)定性主要受系統(tǒng)阻尼、自然功率/電壓偏差影響；電壓穩(wěn)定性主要受負荷特性（特別是非線性負荷）、無功電源、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（N-1）影響。二、功角是指同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子角與系統(tǒng)同步旋轉(zhuǎn)磁場之間的角度差。功角特性曲線描述了發(fā)電機輸出功率與功角之間的關(guān)系，其物理意義在于反映了發(fā)電機作為原動機的機械功率與電磁功率之間的平衡關(guān)系，以及系統(tǒng)傳輸有功功率的能力。主要參數(shù)：發(fā)電機同步電抗、系統(tǒng)電抗、發(fā)電機內(nèi)阻抗、電源電壓、負荷阻抗等。三、靜態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到小擾動偏離平衡狀態(tài)后，能否自動恢復(fù)到原始平衡狀態(tài)的性質(zhì)。利用Routh-Hurwitz判據(jù)判斷靜態(tài)穩(wěn)定性，需要構(gòu)造系統(tǒng)的特征方程（通常是關(guān)于偏差量的代數(shù)方程），然后根據(jù)其系數(shù)組成Routh-Hurwitz陣列。如果所有主導(dǎo)特征根（通常是靠近虛軸的根）具有負實部，則系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定；否則系統(tǒng)靜態(tài)不穩(wěn)定。四、AVR通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電壓來改變發(fā)電機電動勢，從而影響發(fā)電機輸出功率的大小和功角特性曲線的形狀。AVR可以提高同步發(fā)電機的功率極限，加快故障后電壓恢復(fù)速度，從而有助于提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。AVR的整定非常關(guān)鍵，不當?shù)恼ǎㄈ珥憫?yīng)速度過快或過慢、電壓參考值設(shè)置不當）可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩甚至失步或加劇電壓崩潰。五、電力系統(tǒng)低頻振蕩是指系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)頻率較低（通常0.1Hz-2Hz）、振幅較小、持續(xù)時間較長的自激或受激振蕩。其主要原因包括：系統(tǒng)大型機組同步調(diào)相機的搖擺、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的非線性特性、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中長距離重負荷線路的電容效應(yīng)與線路電阻/電抗的相互作用、以及控制系統(tǒng)之間的耦合等。抑制措施：合理配置和整定阻尼器、優(yōu)化發(fā)電機勵磁和調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)、改善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如采用串聯(lián)補償）、解列困難互聯(lián)運行等。六、電壓崩潰是指電力系統(tǒng)在受到持續(xù)擾動（如大規(guī)模負荷增加、無功缺額）下，電壓水平逐漸下降，最終達到無法承受的程度，導(dǎo)致系統(tǒng)大量用戶失電的現(xiàn)象?；具^程：負荷功率（特別是非線性負荷的VAR需求）隨電壓下降而增加，超過可提供無功的電源和系統(tǒng)無功儲備，導(dǎo)致電壓進一步下降，形成正反饋循環(huán)，最終導(dǎo)致電壓崩潰。影響因素：系統(tǒng)無功功率平衡、負荷特性、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無功電源配置、系統(tǒng)運行方式等。七、電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到擾動（如發(fā)電機跳閘、負荷突然變化）導(dǎo)致頻率偏離額定值后，能否自動恢復(fù)到額定頻率或允許偏差范圍內(nèi)的能力。頻率崩潰是指系統(tǒng)頻率因持續(xù)惡化最終超出允許范圍而導(dǎo)致的全面性停電事故?；驹颍喊l(fā)電與負荷功率不平衡，且缺乏有效的頻率調(diào)節(jié)手段。維持頻率穩(wěn)定性的措施：合理配置發(fā)電容量（特別是快速響應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用）、裝設(shè)自動發(fā)電控制（AGC）系統(tǒng)、合理設(shè)置旋轉(zhuǎn)備用容量、采用靜態(tài)頻率支持裝置（如儲能、SVG）等。八、同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)通過提供勵磁電流來建立發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場，直接影響發(fā)電機的電動勢、功率輸出和功角特性。強勵能力可以提高發(fā)電機功率極限和暫態(tài)穩(wěn)定性；合理的勵磁調(diào)節(jié)可以提高小干擾穩(wěn)定性（提供阻尼）；AVR的恰當整定對維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定性至關(guān)重要。九、STATCOM可以通過快速調(diào)節(jié)其無功功率輸出，有效補償系統(tǒng)中的無功功率缺額或過剩，從而提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。STATCOM具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍寬、諧波含量低等優(yōu)點，可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少系統(tǒng)電壓波動和閃變，從而提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性（通過快速提供/吸收有功功率阻尼功角振蕩）。從系統(tǒng)層面看，STATCOM可以作為靈活的源或sink，增強系統(tǒng)的可控性和靈活性，提升整體抗擾動能力。十、電力系統(tǒng)是一個典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，具有整體性，各元件相互關(guān)聯(lián)、相互影響。系統(tǒng)的穩(wěn)定性是整體功能的體現(xiàn)，依賴于各部分協(xié)調(diào)運作。局部擾動可能通過系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜關(guān)聯(lián)放大，引發(fā)全局性的穩(wěn)定性問題（如連鎖故障、電壓崩潰）。因此，提高抗干擾能力至關(guān)重要。系統(tǒng)層面的改進思路包括：優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)靈活性和韌性；加強源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同，提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力；發(fā)展廣域測量與控制技術(shù)，實現(xiàn)快速、精準的擾動定位與控制；應(yīng)用人工智能等技術(shù)進行預(yù)測預(yù)警與智能決策；構(gòu)建多層級、多類型的備用資源體系等。十一、簡化兩機系統(tǒng)暫態(tài)過程的微分方程（忽略阻尼，僅考慮功角）可以近似寫為：M(d2δ?/dt2)=P_max-P?-(E?sinδ?-E?sinδ?)，其中M為兩機系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量（折算到同一點），δ?為第一臺發(fā)電機功角，P_max為傳輸功率極限，P?為原始功率，E?、E?為兩機電動勢（假設(shè)均為無窮大系統(tǒng)電壓）。判斷暫態(tài)穩(wěn)定性通常采用等面積法則或計算特征值。等面積法則：比較故障前后功角特性曲線與功角軸所圍面積的大小。若故障后減速面積小于加速面積，系統(tǒng)將失去穩(wěn)定；反之則保持穩(wěn)定。特征值方法：將系統(tǒng)線性化（小擾動），得到狀態(tài)方程，計算其特征值（通常為復(fù)數(shù)），若主導(dǎo)特征值的實部為正，則系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定。十二、ATS的主要目的是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常，導(dǎo)致斷路器自動跳閘、發(fā)電機或變壓器解列后，能夠自動、快速地投入備用電源或備用設(shè)備（如備用變壓器、備用發(fā)電機），以恢復(fù)用戶的供電，提高供電可靠性。基本工作原理：當檢測到特定斷路器跳閘或系統(tǒng)電壓/頻率異常信號時，ATS控制器根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯判斷是否需要以及何時投入指定的備用電源或設(shè)備。ATS可能帶來風(fēng)險：若整定邏輯或執(zhí)行過程錯誤，可能導(dǎo)致越級投備、非預(yù)期合閘（導(dǎo)致短路）、負荷沖擊過大、或進一步擴大系統(tǒng)擾動等。十三、除了傳統(tǒng)計算方法，系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域可以從以下視角或工具輔助進行穩(wěn)定性評估：1)網(wǎng)絡(luò)理論：將電力系統(tǒng)看作復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，分析網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定性（如小干擾穩(wěn)定性、CascadingFailure）的影響，計算關(guān)鍵節(jié)點/線路的脆弱性。2)系統(tǒng)動力學(xué)：建立描述系統(tǒng)狀態(tài)隨時間動態(tài)演化的方程組，模擬系統(tǒng)在擾動下的行為，分析系統(tǒng)的反饋機制和臨界行為。3)控制理論：應(yīng)用現(xiàn)代控制理論（如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制）設(shè)計更先進的穩(wěn)定控制系統(tǒng)，應(yīng)對不確定性。4)系統(tǒng)辨識：利用系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型，識別系統(tǒng)動態(tài)特性。5)復(fù)雜系統(tǒng)理論：研究系統(tǒng)自組織、混沌、分岔等現(xiàn)象，理解穩(wěn)定性失穩(wěn)的復(fù)雜機制。十四、高比例可再生能源接入對電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來的挑戰(zhàn)：1)波動性和間歇性：導(dǎo)致發(fā)電出力難以預(yù)測，影響有功功率平衡和頻率穩(wěn)定性。2)電壓波動：大量并網(wǎng)逆變器可能引起系統(tǒng)電壓波動和諧波問題，影響電壓穩(wěn)定性。3)缺乏轉(zhuǎn)動慣量：風(fēng)機和光伏陣列通常轉(zhuǎn)動慣量小，無法像傳統(tǒng)同步發(fā)電機那樣提供頻率阻尼，降低系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。應(yīng)對策略：1)加強預(yù)測和調(diào)度：提高可再生能源出力