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电网电压稳定性机理研究 摘要：电网电压的稳定对电网的运行稳定有很大作用，对影响、破坏电网稳定运行的原因进行分析，解决问题存在的根源，对电压稳定性的分类以及电压稳定性的机理分析，为解决电网电压稳定性提供有理的依据。 关键词：电力系统； 电压稳定性； 小扰动电压； 大扰动电压电力系统运行任务是在充分合理地利用能源和运行设备能力的条件下，连续不断地向用户提供数量充足、质量合格、价格便宜的电力和电能，即要可靠、安全、经济地运行。在电力系统运行中，保持系统的稳定性是其重要任务。系统稳定破坏可能导致系统瓦解和大面积停电等灾难性事故，给社会带来巨大的损失。研究认为,电压崩溃日趋严重的主要原因有以下几点:一是由于经济上及其它方面(如环保)的考虑,发、输电设备使用的强度日益接近其极限值;二是并联电容无功补偿大量增加,因而当电压下降时,向电网提供的无功功率按电压平方下降;三是人们长期以来只注意功角稳定的研究，但是线路或设备的投切,引起电压失稳的可能性往往比功角稳定研究中所考虑的三相短路情况要大得多。 一、电压稳定性破坏的原因 电压崩溃机理研究的根本目的是要弄清楚主导电压崩溃发生发展的本质因素，以及电压稳定问题和电力系统中其它问题的相互关系。由于大部分的电压崩溃事故都有一个时间较长的发展过程，因此早期很多研究人员从静态的角度研究电压稳定现象的机理，提出了多种机理解释，例如P-V曲线解释、Q-V曲线解释、潮流多解解释和基于灵敏度系数的物理概念解释。其实，上述从静态角度对电压稳定机理研究得到的结论，其本质都是把潮流Jacobian矩阵奇异作为电压稳定极限的判据。80年代以来，由于认识到仅从静态角度无法合理地解释电压稳定现象，研究人员已经将机理研究的重点转向电压稳定动态机理的方向上来，对负荷的动态特性的研究是当前研究的热点。 电力系统稳定问题的物理本质是系统中功率平衡问题,电力系统运行的前提是必须存在一个平衡点。电力系统的稳定问题,直观的讲也就是负荷母线上的节点功率平衡问题。当节点提供的无功功率与负荷消耗的无功功率之间能够达成此种平衡,且平衡点具有抑制扰动而维持负荷母线电压的能力,电力系统即是电压稳定的,反之倘若系统无法维持这种平衡,就会引起系统电压的不断下降,并最终导致电压崩溃。当有扰动发生的时候,会造成节点功率的不平衡,任何一个节点的功率不平衡将导致节点电压的相位和幅值发生改变。各节点电压和相位运动的结果若是能稳定在一个系统可以接受的新的状态,则系统是稳定的,若节点的电压和相角在扰动过后无法控制的发生不断的改变,则系统进入失稳状态。电力系统的电压稳定和系统的无功功率平衡有关,电压崩溃的根本原因是由于无功缺额造成的,扰动发生后,系统电压无法控制的持续下降,电力系统进入电压失稳状态。无论是来自动态元件的扰动还是来自网络部分的扰动,所破坏的平衡均归结为动态元件的物理平衡。电力系统的动力学行为仅受其动态元件的动力学行为及其相互关系的制约。 二、电压稳定性的分类 将电压稳定性问题适当分类,对电压稳定性的分析,造成不稳定基本因素的识别,以及提出改善稳定运行的方法等都是有利的。 1. 按扰动的规模来讲电压稳定问题可以分为小扰动电压稳定性,大扰动电压稳定性。 一是小扰动电压稳定性是在如系统负荷逐渐增长,送到负荷节点的功率的微小变化之下系统控制电压的能力。小扰动下系统能够稳定运行意味着系统本身能够不断调整以适应变化的情况,系统控制系统有能力在小扰动后令人满意地运行,保证系统发出的无功等于消耗的无功,在出现最大负荷时能成功地供电。这种形式的稳定性由负荷特性、连续作用的控制及给定瞬间的离散控制作用所确定。系统对小扰动的响应特性取决于初始运行条件、输电系统强度以及所用的发电机的励磁控制等因素。依靠负荷和电源自身固有的调节能力,使扰动前后的电压值相同或者相近。 二是大扰动电压稳定性是关于在发生诸如系统故障后，系统控制电压的能力。这些扰动包括输电线上短路、失去一台大发电机或负荷，或者失去两个子系统间的输电线。系统对大扰动的响应涉及大量的设备。此外，用来保护单个元件的装置对系统变量变化的响应也影响系统的特性。 2按照失稳事故的时间场景电压稳定问题可以分为： 一是暂态电压稳定性，稳定破坏的时间框架从0大约10秒，这也是暂态功角稳定性的时间框架。在这类电压不稳定中，电压失稳和功角失稳之间的区别并不总是清晰的，也许两种现象同时存在。这类电压崩溃是由诸如感应电动机和直流换流设备等不良的快速反应负荷元件造成的。对于严重的电压下降感应电动机可能失速，吸收无功功率急剧增加，进而将引起其临近的其它感应电动机失速。除非尽快切除该类负荷，否则会导致电压崩溃。 二是中期电压稳定性，稳定破坏的时间框架通常为30秒到50秒，典型者为2到3分。发生此类电压失稳事故时电力系统一般处于高负荷水平，且从远方电源送入大量功率，当重载条件下运行的系统受到突然的大扰动后，由于电压敏感性负荷的作用，系统能够暂时保持稳定。但扰动后网络无功损耗大量增加，引起负荷区域电压下降，当自动调节分接头的变压器和配电电压调节器动作，而恢复末端变压器负荷侧电压,从而恢复负荷功率时，网络传输电流进一步增大加剧输电网络中电压的下降。同时送端发电机可能因过励磁限制而只发送有功，甚至由于发电机长时间过电流而被切除。这样含电源在内的输电网络已经不可能提供足够的无功功率，以支持负荷消耗与网络无功损耗的需要，就会最终导致电压崩溃对于这类电压崩溃事故，运行人员来不及干预，自动调节分接头的变压器及配电电压调节器，发电机过励限制等因素在此过程中起重要作用。应当指出的是，在这一过程中自动调节分接头的变压器的作用是抑制或加剧电压崩溃的进程，与负荷特性分接头位置及系统无功储备有关。三是长期电压不稳定性，这种场景的电压崩溃发展过程经历一个相当长的时间，其过程可大致描述如下:负荷过速增长，导致主要负荷母线电压单调下降。几分钟内由于自动调节分接头的变压器及调度干预等作用，电压的下降得到遏止后，一方面自动调节分接头的变压器使网上负荷得到恢复，另一方面负荷继续快速增加,电源的增加或当地无功补偿增加，跟不上负荷增长速度的需要，电压下降进一步恶化，最终导致部分地区电压崩溃，系统瓦解，造成大面积停电。在长期电压不稳定事故中，往往没有直接的扰动。其原因是本来已经薄弱的严重过载的结构，不合理的网络中的负荷恢复和快速增长造成的。 三、小扰动电压稳定性的机理分析 小扰动分析法的主要步骤是，根据模型列出系统微分一代数方程(DAE),在平衡点将DAE线性化，消去方程中的非状态变量，得到线性化微分方程，然后根据线性化微分方程雅可比矩阵特征值的实部来判断系统的稳定性。小扰动分析法数学原理清晰，并且从线性化微分方程雅可比矩阵可以得到很多有价值的信息，比如，根据特征值实部的正负可以判断系统稳定性，根据零特征值对应的左右特征向量可以提取出各变量该失稳模式的参与程度。因而小干扰分析法在解释电压失稳机理，分析系统各动态元件对稳定性的影响上，发挥着重要的作用。 电力系统在给定的稳态运行点遭受任意小的扰动后,如果负荷节点的电压与扰动前的电压值相同或者相近,则称系统在给定运行点为小干扰电压稳定,此时系统扰动后的状态位于系统扰动后的吸引域内。从负荷节点可将系统分为两部分,一部分可以看为电源系统,则另一部分看为负荷。小扰动电压稳定性的前提是扰动后的系统电源的无功电压静态特性和负荷的无功电压静态特性必须有交点,并且在该点具有维持电压不变或有微小变化的能力。 四、大扰动电压稳定性的机理分析 小扰动电压稳定性是系统在受到扰动后是否存在平衡点的问题,对于大扰动电压稳定性而言,扰动后的系统存在平衡点是其必要条件,但不是充分条件,系统是否能够恢复到平衡点,还依赖于系统中各元件无功功率的变化速度。当电源自动调节的速率愈快时,对大干扰的稳定性愈有利。在稳定性的评价中所关心的问题是电力系统遭受暂态扰动后的行为。电力系统在给定的稳态运行点遭受一定的扰动后,如果故障后平衡点超出系统运行限制范围,系统没有能力保持在一个静态稳定的运行点,也就是扰动后由于负荷QL增长,QLU向上移动,或电源QG下降QGU向下移动,使QLU完全在QGU上方,两者无交点,表示在任意电压下均有负荷吸收的无功大于电源发出的无功。系统失去发电机或回路的事故之后控制电压的能力,因此电压崩溃,电压稳定性破坏。大扰动的电压稳定性涉及系统中的大量设备,但在任何给定条件下,只有有限数量设备