電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定機理研究

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摘要：在學(xué)到理解電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定概念的前提下，牢固掌握電壓穩(wěn)定機理是研究電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。從失穩(wěn)機理的角度來看，導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的原因包括：負荷的動態(tài)恢復(fù)特性，電力系統(tǒng)受端電壓支撐不足，電力系統(tǒng)送端的供電限制，以及綜合負荷因素。從以上四種角度定義的電壓穩(wěn)定機理進行了綜合分析和評價，并歸納總結(jié)了各類定義方式的特點及優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；電壓穩(wěn)定；機理；負荷動態(tài)特性

在電力系統(tǒng)的研究領(lǐng)域當(dāng)中，電壓穩(wěn)定問題是一項十分重要的課題，因為它直接決定著電力系統(tǒng)能否正常運行⑴。研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定主要有三個步驟：第一，明確理解電壓穩(wěn)定機理；第二，根據(jù)電壓穩(wěn)定機理來建立可以從本質(zhì)上反映系統(tǒng)電壓崩潰的模型；第三，找到分析和控制電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的手段與方法W。其中掌握電壓穩(wěn)定機理是其余兩個步驟的關(guān)鍵性基礎(chǔ)，因此本文就目前國內(nèi)外對于電壓穩(wěn)定機理的研究成果進行系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，并指出其相應(yīng)的優(yōu)缺點。

1電壓穩(wěn)定的定義

目前對于電壓穩(wěn)定的定義，不同文獻資料中的研究成果不盡相同。但從總體上可以歸為兩類，大干擾電壓穩(wěn)定和靜態(tài)電壓穩(wěn)定［3］。其中大干擾電壓穩(wěn)定還包括暫態(tài)電壓穩(wěn)定，動態(tài)電壓穩(wěn)定和中長期電壓穩(wěn)定。這類問題主要反映在系統(tǒng)運行過程當(dāng)中有大擾動介人時，系統(tǒng)不會發(fā)生電壓崩潰的能力。而靜態(tài)電壓穩(wěn)定則指在電力系統(tǒng)運行過程中，小干擾事件發(fā)生并介人電力系統(tǒng)時，系統(tǒng)電壓水平能夠保持或者恢復(fù)到系統(tǒng)可接受的范圍極限內(nèi)，不發(fā)生電壓崩潰的能力⑷。然而，以上定義電壓穩(wěn)定的方法十分宏觀，對于具體定量的研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定不利。因此本文引入電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的最新定義，電壓穩(wěn)定是指：當(dāng)負荷試圖通過增加電流來從系統(tǒng)中獲得更大的功率時，系統(tǒng)電壓的降低不足以抵消功率增大的趨勢，此時稱為電壓穩(wěn)定狀態(tài)［5］。由此電壓穩(wěn)定的概念得到了進一步的具體化，能更好的為反映電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定本質(zhì)而服務(wù)。

2電壓穩(wěn)定機理的研究現(xiàn)狀

關(guān)于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定機理的學(xué)術(shù)研究成果中，影響電壓穩(wěn)定的因素大體上可以分為四類：第一類，負荷的動態(tài)特性；第二類，電力系統(tǒng)受端的電壓支撐情況；第三類，電力系統(tǒng)送端的供電極限；第四類，綜合因素影響。本文將分別就以上四類影響電壓穩(wěn)定的因素進行歸納總結(jié)并加以拓展。

2．1負荷的恢復(fù)特性對電壓穩(wěn)定性的影響

負荷動態(tài)特性對于電壓穩(wěn)定的影響，目前的學(xué)術(shù)成果可分為兩類：一類觀點認為，系統(tǒng)在發(fā)生故障時，負荷為了維持它自身的有功功率平衡，會試圖改變其自身對外的等效電納以此來進行功率調(diào)節(jié)，從而影響了電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性［6］，然而這種調(diào)節(jié)自身導(dǎo)納的方式會因為具體元件的特性而有一定差異。例如，異步電動機常常利用電磁功率的輸入與機械功率的輸出來進行導(dǎo)納調(diào)節(jié)，配電系統(tǒng)中的OLTC（OnLoadTapChanger有載分接開關(guān)）則會在維持其副邊電壓恒定的前提下，通過自動調(diào)節(jié)變比來實現(xiàn)導(dǎo)納的調(diào)節(jié)。含電力電子元件的負荷，調(diào)節(jié)自身導(dǎo)納的情況則更為復(fù)雜［6’7］?？傮w上來看，當(dāng)元件的有功功率平衡被打破以后，若負荷輸出的其他形式功率多于輸人的電磁功率，那么負荷就會根據(jù)自身特點自動選擇恰當(dāng)手段來減小其等效阻抗，從而獲得自身所需要的功率［8］。但是隨著元件恢復(fù)功率過程中電流的增加，負荷元件的漏抗上會消耗更多的無功功率，這一部分的無功消耗，可以加劇整個系統(tǒng)的無功欠缺［9］。無功功率不足，使得系統(tǒng)電壓持續(xù)下降，進而產(chǎn)生電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象［1°］。這種觀點在用于定量研究負荷特性對電壓穩(wěn)定的影響時意義重大，但理論不夠成熟，有待進一步完善。另一類觀點認為，電壓失穩(wěn)與系統(tǒng)所帶負荷的性質(zhì)密切相關(guān)［11］。例如，系統(tǒng)所帶負荷為恒阻抗靜態(tài)負荷時，假定其功率因數(shù)為cosp，阻抗為＆＝札＋）＆，那么負荷消耗的有功功率如式（1）所示：由PL的單調(diào)性可知，當(dāng)滿足｜Z，｜＝丨＆｜時，在恒定功率因數(shù)的負荷模型下，負荷有功功率最大，由于電壓降低時恒阻抗負荷功率會下降，有利于電壓穩(wěn)定［12］，那么當(dāng)系統(tǒng)的功率和電壓水平均低于期望值時，系統(tǒng)電壓會保持穩(wěn)定［13］。當(dāng)系統(tǒng)所帶的負荷為恒功率負荷模型時，一旦負荷端電壓降低，負荷為了保持恒定功率，必然會導(dǎo)致負荷電流的增加，由于輸電線路上阻抗的存在，使得輸電線路的壓降進一步增大，從而造成了更低的負荷端電壓［14］。這也形成了一個電壓下降的正反饋機制，最終必然會導(dǎo)致電壓崩潰［15］。這種觀點在計算和理論發(fā)展上，都比較成熟。但是，在實際電力系統(tǒng)當(dāng)中，特別是系統(tǒng)受到擾動的過程當(dāng)中，實際的負荷很難以恒定功率或恒定功率因數(shù)運行［16］，因此將該理論算法應(yīng)用于計算實際電力系統(tǒng)運行狀態(tài)時會存在一定誤差。

2．2電力系統(tǒng)受端電壓支撐情況對電壓穩(wěn)定的影響

重負荷的電力系統(tǒng)本身就具備很多薄弱環(huán)節(jié)，一方面，受端的發(fā)電機一直處于過載狀態(tài)，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)過載，如果這時出現(xiàn)了大干擾事件，負荷為了恢復(fù)其有功功率的平衡，試圖調(diào)節(jié)自身電流獲得更大的功率［17］。但是發(fā)電機勵磁繞組本身的熱容量存在一定限值。過勵磁限制器會將勵磁電流強制減少到額定值，使得負荷的有功功率無法平衡［18］，同時網(wǎng)絡(luò)中的無功功率大量缺失。這種情況下受端發(fā)電機無法提供足夠的無功功率來支持系統(tǒng)的正常運行，最終導(dǎo)致電壓失穩(wěn)甚至電壓崩潰…］。另一方面由于電力系統(tǒng)的無功功率的大小隨著電壓的平方而發(fā)生變化，如果系統(tǒng)電壓下降，則無功功率會以更快的速度減少，因此HVDC、SVC以及大量安裝并聯(lián)電容器也是造成暫態(tài)電壓失穩(wěn)的重要原因。

2．3電力系統(tǒng)送端供電極限對電壓穩(wěn)定的影響

由于受到線路阻抗、輸電距離、電壓等級的制定以及送端發(fā)電機勵磁繞組的熱容量限制等一系列因素的影響，送端并不能毫無限制的向受端供電，并且送端對全網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)能力有限，因此在研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性時，常常將電壓崩潰的臨界點作為衡量電網(wǎng)輸送能力的指標［2°］。動態(tài)負荷有功功率的恢復(fù)特性，即在電壓下降以后，各類負荷的有功功率和無功功率都會以或快或慢的速度恢復(fù)到一定水平，其中發(fā)電機、調(diào)相機側(cè)勵磁系統(tǒng)、負荷側(cè)同步電動機、電動機靜止無功補償器都屬于反應(yīng)快速的元件，他們在暫態(tài)電壓失穩(wěn)中，起到的作用十分巨大。因此為了提高在工程實踐中對于電壓穩(wěn)定性評估的精確程度，常常使用瞬時有功功率隨暫態(tài)電壓變化的關(guān)系曲線來研究電壓穩(wěn)定性問題［M］。系統(tǒng)向負荷提供的功率隨著電流的增加而增加時，系統(tǒng)負荷元件可以保持自身功率平衡，系統(tǒng)電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，反之系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。

2．4綜合因素對電壓穩(wěn)定的影響

從單一類因素去考慮電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究大多數(shù)意義明確，但是由于考慮因素不夠全面，因此這種理論成果與工程實際情況差距比較大，所以從以上三類因素的綜合作用來解釋電壓穩(wěn)定的機理會更加完善。當(dāng)有干擾事件介人電力系統(tǒng)后，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)會啟動強勵磁作用，系統(tǒng)無功缺失，電壓下降，負荷對于功率的需求也相應(yīng)的減少［21］。此時系統(tǒng)能在短時間內(nèi)保持電壓穩(wěn)定，但是在系統(tǒng)負荷的中心電壓會維持在較高的水平，若負荷中心電壓降低，則該現(xiàn)象會迅速反映到配電系統(tǒng)中，那么在2－4分鐘內(nèi)OLTC會起到連續(xù)調(diào)節(jié)的作用，使負荷的功率和電壓恢復(fù)到故障前水平，同時使OLTC原方電壓下降，并且OLTC每次的分接頭調(diào)整都會導(dǎo)致超高壓線路負荷的增加［22］。由此可得，發(fā)電機需要強制增大無功功率的輸出來滿足系統(tǒng)電流的上升趨勢。但這種無功功率的輸出不會是沒有限制的，一旦造成發(fā)電機無功功率越限的連鎖反應(yīng)，就會使得系統(tǒng)的電壓急劇下降，這個過程最終必然會導(dǎo)致發(fā)電機組失步，最后對受電系統(tǒng)停電［M］。雖然從綜合因素角度來分析電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定機理比較全面，但是影響電壓穩(wěn)定的因素實質(zhì)上是多種因素的有機疊加，該方法只停留在理性階段，在工程實踐的應(yīng)用中，很難形成準確的判據(jù)。

3結(jié)論

研究人員從不同的角度來研究了電壓穩(wěn)定機理，這些理論研究取得了很多成果，但是也確實存在著亟待解決的問題，本文對迄今的研究成果進行了系統(tǒng)的總結(jié)。隨著新的電壓穩(wěn)定理論模型以及研究方法的引人，人們對電壓穩(wěn)定機理的認識將走向成熟。電壓穩(wěn)定問題在電力系統(tǒng)的研究領(lǐng)域當(dāng)中雖然是一個基礎(chǔ)性的課題，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也千差萬別，進而一系列綜合因素的有機疊加必將造成電力系統(tǒng)電壓的失穩(wěn)。在做到考慮全面的前提下，還應(yīng)當(dāng)注重數(shù)學(xué)工具的恰當(dāng)引入，使得完善的理論可以有效的與實際結(jié)合。

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作者：鄭琳，田晨陽 單位：東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院