（电气工程专业论文）宁夏电网静态电压稳定性研究.pdf

重庆大学工程硕士论文摘要 摘要 随着经济的迅猛发展，电力负荷增长迅速，近几年电网间的互联越来越密切， 电压稳定问题的研究对于电网的安全稳定运行具有非常切实的意义。 由于近年来，电压失稳或崩溃事故的不断出现，使电压稳定性问题的研究受 到了高度重视。同时，电压稳定研究特别是在静态电压稳定领域，在近年来也获 得了很大的进展。本文以宁夏电网静态电压稳定作为研究方向，着重在确定电压 稳定极限和薄弱区域方面作了相关的工作，取得了一些实用价值的成果。 宁夏电网位于西北电网的正北方，是西北电网的重要组成部分。近年来，宁 夏电网发展速度较快，负荷增长持续保持在2 0 以上。由于用电负荷的迅猛增长， 发电供不应求，宁夏电网目前是一个典型的受端电网，每年均须从西北电网购入 大量电力电量，才能满足全社会发展的用电需求。电力负荷迅速增长及负荷特性 的变化削弱了宁夏电网自身平衡能力和无功的电压支撑能力，电网电压稳定问题 日益突出。一些线路设备负载率偏高，潮流较重，一些变电站内的变压器容载高， 使网络存在较多的异常运行方式，降低电网供电的可靠性，所有这些都对宁夏电 网的安全运行构成了较大的威胁。 本论文针对宁夏电网的实际情况，使用p s s e ( 电力系统工程仿真工具) 作为 分析工具结合灵敏度分析法、最大功率分析法等分析方法对宁夏电网进行电压 稳定分析。根据宁夏电网的现状以及p s s e 电力系统分析软件的功能构建一种能 够模拟实际系统运行的p v 曲线求取模型。使用p v 曲线、v q 曲线等分析工具 通过计算得到从运行状态到电压失稳点的距离以及电网中各节点的无功支撑情 况。 考虑到对于一个稳定的电网，不仅仅需要满足正常运行方式下的电压稳定， 还应该在n 1 运行方式下能够稳定的运行，所以本文将进一步对n 一1 和n 2 运 行方式下的电网进行电压稳定的分析和计算，并根据分析的结果提出了相应的改 进措施。 关键词：宁夏电网电力系统电压稳定电压稳定极限 草庆大学工程硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p i n gr a p i d l y , p o w e rl o a di n c r e a s e sf a s t t h ec o n n e c t i o no f t h ee l e c t r i cn e t w o r kb e c o m e sm o r ea n dm o r ec l o s e l yr e c e n ty e a r s ，p o w e ri st r a n s m i t t e d t oe a c ho t h e ra m o n gb i ge l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h er e s e a r c ho nv o l t a g es t a b i l i t yh a s p r a c t i c es i g n i f i c a t i o nf o rt h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo fe l e c t r i cn e t w o r k d u r i n gr e c e n ty e a r st h es t u d y o nv o l t a g es t a b i l i t yh a sr e c e i v e ds i g n i f i c a n t a t t e n t i o nb e c a u s ev o l t a g ei n s t a b i l i t ya n dv o l t a g ec o l l a p s ea p p e a rf r e q u e n t l y a tt h e s a m et i m e ，g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d eo nv o l t a g es t a b i l i t y , e s p e c i a l l ys t a t i cv o l t a g e s t a b i l i t y t l l i sd i s s e r t a t i o n c o n c e n t r a t i n go nt h es t a t i cv o l t a g es t a b i l i t yo fn i n g x i ag r i d a n de m p h a s i z i n go nt h ew o r kt oa c q u i r et h es t a t i cs t a b i l i t yl i m i ta n dt h eu n s u b s t a n t i a l r e g i o n ，h a sm a d es o m ep r o g r e s si na p p l i c a t i o n t h en i n g x i ae l e c t r i c a lg r i di sl o c a t e dn o r t ho fn o r t h w e s te l e c t r i c a lg r i d i ti sa n i m p o r t a n tc o n s t i t u e n to fn o r t h w e s t e l e c t r i c a lg r i d t h en i n g x i ae l e c t r i c a lg r i d d e v e l o pq u i c k l yi nr e c e n ty e a r s t h e1 0 a dg r o w t hc o n t i n u e dt om a i n t a i na b o v e2 0 a s t h el o a dg r o w r a p i d l y , t h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nf a l l ss h o r to fd e m a n d n en i n g x i a e l e c t r i c a lg r i da tp r e s e n ti sat y p i c a le l e c t r i c a lg r i dw h i c ha c c e p te l e c t r i cp o w e r s i n o r d e rt os a r i s f yd e m a n do f e l e c t r i c i t yo ft h ee n t i r es o c i e t y , e a c hy e a rn i n g x i ag r i dm u s t b u ym a s s i v ee l e c t r i cp o w e r sf r o mn o r t h w e s te l e c t r i c a lg r i d 耵1 ep o w e rl o a d sr a p i d g r o w t ha n dc h a n g eo ft h el o a dc h a r a c t e r i s t i cw e a k e n e dt h es e l fb a l a n c i n ga b i l i t yo f n i n g x i ae l e c t r i c a lg r i da n dt h ea b i l i t yo fm a i n t a i nv o l t a g es t a b i l i t y t h ep r o b l e mo f e l e c t r i c a lg r i dv o l t a g es t a b i l i t yi ss e r i o u sd a yb yd a y s o m el i n e sw o r ka th i g hl o a d r a t et r a n s f o r m e rw o r ka th i g hr a t ei ns o m et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，c a u s e st h en e t w o r k t oh a v em o r ea b n o r m a lo p e r a t i o ns t a t u s r e d u c e st h et h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i c a lg r i d p o w e rs u p p l y ，a l lt h e s ep o s e dab i g g e rt h r e a tt os a f eo p e r a t i o no f t h en i n g x i ae l e c t r i c a l g r i d i nt e r m o ft h et r a i to fn i n g x i ag r i d t h i sp a p e ru s e dp s s ea sa n a l y s i st o o l ，c o m b i n ew i t hs e n s i t i v i t ya n a l y s i sm e t h o d 、l i m i t e dp o w e ra n a l y s i sm e t h o da n a l y z et h e s t e a d ys t a t u sv o l t a g es t a b i i i t yo fn i n g x i ag r i d s i m u l a t et h em o d e lo ft h ep r a c t i c e s y s t e mo p e r a t i o nb a s e do nn i n g x i ag r i da n dt h et r a i to fp s s e g e tt h em a r g i nf r o m t h eo p e r a t i o ns t a t u st ov o l t a g ei n s t a b i l i t ya n dt h es i t u a t i o no fr e a c t i v ep o w e rb yp v c u r v ea n dv qc u r v e c o n s i d e r e df ls t a b l ee l e c t r i c a ln e t w o r kn o tm e r e l yn e e d st os a r i s f yt h ev o l t a g e s t a b i l i t yu n d e rt h en o r m a lo p e r a t i o ns t a t u s b u ta l s oc a ns t a b i l i z eu n d e rt h en 1 o p e r a t i o ns t a t u s t h e r e f o r et 1 1 i s a r t i c l ef u r t h e rw i l le a r l yo nt l l e v o l t a g es t a b i l i t y a n a l y s i sa n dt h ec o m p u t a t i o nt on 一1a n du n d e rt l l en - 2o p e r a t i o ns t a t u s k e y w o r d ：n i n g x i ag r i d ，p o w e rs y s t e m ，v o l t a g es t a b i l i t y ，v o l t a g es t a b i l i t yl i m i t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废塞堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：事和签字日期：力矿莎年f ，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重送太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位敝储躲翻号 签字日期：卯7 年ef 月乃日 导师签名：) 弋 签字日期：p “年，1 月可丑 重庆大学工程硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 论文课题的提出 近2 0 年来，在发达国家中发生了多起电压崩溃事故1 1 3 】，造成巨大的损失， 也引起了世界各国对电压稳定问题的广泛关注，陆续发表了许多有关的专著 4 - 6 1 、 报告、总结和论文口】。研究认为，电压崩溃日趋严重的主要原因有以下几点：1 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；2 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。3 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【引。近年来，我国电力事业发展迅速，电 网内部存在着引起电压崩溃的因素，如电网网架簿弱，并联电容器增多等。目前 我国由于大多数有载调压器分接头未投入自动运行以及电力部门过早地采用了 切负荷这一最后的措施，因而电压稳定问题似乎显得不那么突出。随着电力市场 化，人们对电能质量要求提高，切负荷这一措施的使用将会受到限制，因此电压 稳定问题的研究具有实用价值。 近年来我国正在进行大区域电网互联，电网建设在向大电网、超高压、远距 离输电方向发展，同时，现有的电力系统正在承担着越来越重的负荷需要，发、 输电设施使用的强度日益接近其极限值；随着电力系统联网容量的增大和输电电 压的普遍提高，输电功率变化和高压线路投切都将引起很大的无功功率变化，系 统对无功功率和电网电压的调节、控制能力要求越来越高。因此电网电压稳定问 题的研究对于电力系统的安全稳定运行具有重要意义。 电力系统稳定性问题是电力工作者极为重视的研究课题，特别受到理论研究 者的青睐。以前，稳定性问题突出的是功角稳定性，即反映发电机转子相对运动 的功角变化的稳定性。因此，大批电力工作者主要精力集中在功角稳定性方面， 而系统稳定性也就变成了功角稳定性的代名词。由于现代控制理论的发展，各种 数学方法的引入，特别是计算机和计算技术的广泛应用，使功角稳定性进入了高 层次的认识水准，各种分析和控制方法日臻成熟并得到实际应用，迄今为止功角 稳定性的研究取得了公认的令人瞩目的成果。 随着现代工业生产的高度发展和能源、环境、投资各方面的改变，现代电力 系统己经发生了较大的变化。这主要表现在：原先小型的、分散在各负荷中心的 多个发电厂，逐渐被单机容量越来越大、远离负荷中心的大型水电厂、核电厂或 坑i z l 电厂所取代；远距离、大容量超高压交直流输电线路得到普遍应用；负荷的高 重庆大学工程硕士论文1 绪论 速增长使得发电设备储备容量越来越少。这些条件的改变使得电压稳定性的问题 变得突出，并在一些系统内造成了严重的事故。例如1 9 7 8 年法国电网的电压崩 溃，直接造成约8 0 的电网瓦解，直接经济损失达数亿美元；1 9 8 7 年7 月2 3 日 发生在东京电力系统的电压崩溃事故，最终导致系统失去8 1 6 8 兆瓦的负荷，涉 及到2 8 0 0 多万用户，造成较长时间的混n , ；1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典发生的电压崩 溃事故，使系统失去1 1 4 0 0 兆瓦负荷等等。我国大连地区和湖北、四川等电网也 出现过电压不稳定性的事故。 电压稳定性问题己成为电力系统安全运行的主要威胁之一，影响电力工业乃 至国民经济的发展。从七十年代后期开始，电压稳定性课题已成为热门的研究课 题和电力系统迫切需要解决的问题，包括探索电压崩溃的机理、建立尽可能反映 电力系统实际的数学模型，以及加强电力系统电压稳定性和安全性的研究。 我国幅员辽阔，水力、煤炭等主要能源分布不均，加上经济条件的限制，经 济比较发达的地区能源奇缺，靠铁路运输大量煤炭到沿海地区又不能满足需要， 因此，超高压、远距离输送电能是必然的趋势。特别是实行改革开放政策以来， 我国经济进入高速度发展的阶段，沿海地区的高速发展便负荷更加集中，近几年 人民生活水平的迅速提高更增大对负荷的需求。与此同时，电力的投资与设备的 投入跟不上整个国民经济的发展，已有的各大电力系统普遍存在着电源侧对系统 的无功输入减小，负荷侧无功支持不足，网络结构不合理等容易导致电压不稳定 性的薄弱环节。曾经发生的局部地区的电压稳定性事故，已显露出更严重的电压 崩溃的“灾难性”书放的兆头，应该引起所有电力科学工作者的警惕和重视。当 前借鉴国外恶性电几崩溃事故的经验和教训，深入探讨电压不稳定性的起因、原 理和特性，研究加强系统安全性和事故时的应急措旌，加深对电压不稳定性现象 的理解和认识，对于避免电压崩溃事故的发生和巨大的经济损失，具有特别重要 的理论意义和实用价值。 1 2 国内外电压稳定研究现状 随着世界经济技术的突飞猛进，电力与人类的发展有着越来越紧密的联系， 成为社会发展不可缺少的动力源泉。电网的安全稳定问题成为国内外学者关注的 焦点。按照系统的特性、网络结构及运行模式的不同，不稳定性可以以多种不同 的方式出现。其中两种极端的情况是：1 、一台同步发电机经由一个电抗接于无 穷大母线( 纯“功角稳定性”) ：2 、一台同步发电机经一个电抗接于“静态”负 荷( 纯“电压不稳定性”) 。 我国电网薄弱，并联电容器大量使用，再加上近几年工业的迅速发展，网络 越来越接近其传输极限，使得我国存在许多电压失稳的因素。目前国内电压稳定 问题暴露得不突出，原因之一可能是由于大多数有载调压变压器分接头( l t c ) 没 2 重庆大学工程硕士论文1 绪论 有采用自动运行方式，之二是由于电力部门采用甩负荷的措施1 9 d “，而后措施 应该是防止电压不稳定问题的最后一道防线，不应过早地或过分地使用。将来电 力市场化之后，甩负荷的使用将受到更大的限制。因此我国更应重视对电压稳定 问题的研究。 i e e e 最早给出了电压稳定性、电压崩溃和电压安全性的定义 6 , t 2 】。所谓的 电压稳定性是指系统维持电压的能力。当负荷导纳增大时，负荷功率亦随之增大， 并且功率和电压都是可控的。所谓的电压崩溃，是指由于电压不稳定所导致的系 统内大面积、大幅度的电压下降的过程。所谓的电压安全性是指在出现任何适当 而又可信的预想事故后，系统维持电压稳定的能力。 i e e e 的定义主要是从工程的概念上建立的。后来c i g r e 又给出了基于 l y a p u n o v 意义下的电压稳定性定义【1 3 】，这套定义使人们更便于应用传统的数学 分析手段。此后在文献【1 4 】中又从物理的起因上定义了电压不稳定性，即定义电 压不稳定性起源于当所要恢复的电力需求( 消费) 超出了发、输电系统的能力时负 荷的动态尝试。 c 1 g r e t f 3 8 0 2 1 0 工作组在1 9 9 3 年提出了与一般动态系统稳定性定义相类 似的电压稳定定义和分类，指出电力系统是一个动态系统，电压稳定是电力系统 稳定的一个子集，小扰动电压稳定是指，处于给定运行点的电力系统在经受任意 小的扰动后，负荷附近的电压保持不变或几乎不变：它对应与线性化动态模型的 特征值都具有负实部。电压稳定指，处于给定运行点的系统在经受某一给定扰动 后，负荷附近的电压趋近扰动后平衡点的值；它对应于扰动后的系统状态在扰动 后的稳定平衡点的吸引域中。电压崩溃指，处于给定运行点的电力系统在经受给 定扰动后，负荷附近的电压低于可接受的极限；电压崩溃可能是系统的，也可能 是局部的。电压不稳定指不满足电压稳定的条件而导致的电压持续下降或上升。 该文献中还指出，电压崩溃和电压不稳定这两个术语经常可以互相替换：电压稳 定亦称负荷稳定；电压不稳定和电压崩溃几乎总由大扰动引起，如负荷的大幅度 增加，尽管如此，运行点处的线性化分析对评估稳定程度仍是有用的。目前 c i g r e 的定义和分类己被国际电力界广泛采纳。 我国在2 0 0 1 年新版的电力系统安全稳定导则中，参照c i g r e 的定义和分类， 并结合新近的研究成果，将电压稳定定义为电力系统受到小的或大的扰动后，系 统电) 一区能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压崩溃的能力。并指出：电 压失稳可表现为静态小扰动失稳、暂态大扰动失稳、长过程失稳。电压失稳可以 发生在正常工况，即电压基本正常的情况下；也可能发生在不正常工况，即母线 电压己明显降低的情况下；还可能发生在扰动以后。 电压不稳定性电压崩溃的研究必须紧紧地依据工业界的需要开展。工业界 重庆大学工程硕士论文1 绪论 需要的是分析工具、规划与运行指南以及预防电压不稳定崩溃的保护方案1 1 2 1 。 其中分析工具应具有以下能力：给出精确定量的载荷能力裕量和网络中某些割集 上的极限传输功率；预测复杂电网中的电压崩溃和识别对电压不稳定敏感的弱节 点或弱节点群；决定l 临界电压水平；识别影响电压不稳定性崩溃的关键因素及 其灵敏度，提供对系统特性的深入认识，以帮助开发校正性动作。目前电压稳定 分析软件国外的有p s s e 、e u r o s t a g 、e x s t a b 、e t m s p 、v s t a b 、d s a ”】 国内的可用于电压稳定分析的软件有清华大学编制的v s a p ( v o l t a g es t a b i l i t y a n a l y s i sp r o g r a m ) “6 】。并且国内各大电网都纷纷开展了电压稳定的研究工作。四 川电网结合其2 0 0 1 2 0 0 2 年运行特点，对电网的不同运行方式( 包括丰水期大 方式、丰水期小方式、枯水期大方式、枯水期小方式) 进行稳态潮流分析、静态 电压稳定分析、以及暂态稳定分析，研究四川电网在发生典型扰动时电网电压稳 定水平【1 ”。广西电网针对2 0 0 1 年典型接线方式、典型负荷状态下的静态电压 稳定性进行分析，指出了电网电压稳定薄弱节点和薄弱区域1 1 引。除此以外，我 国的云南电网1 1 9 1 、天津电网【2 0 1 、山东电网【2 1 1 、黑龙江电n t 2 2 1 、福建电网】等都 进行了各自电网的电压稳定性分析工作。 1 3 宁夏电网现状 宁夏位于西北地区中部，地处黄河上游中段，东临陕西，北靠内蒙，南接甘 肃。总人口5 7 0 万，回族人口占三分之一，地理面积6 6 万平方公里。宁夏煤炭 资源丰富，储量大，煤层厚，埋藏浅，煤炭资源预测总量为2 0 2 7 亿吨，居全国 第五位，人均占有量居全国首位。改革开放以来，宁夏实施“以电带煤，以煤促 电，变输煤为输电，以输电为主”的发展战略，使宁夏电力工业进入持续快速发 展阶段。 宁夏电网位于西北电网的正北方，是西北电网的重要组成部分。受地理位置 的限制，呈东西窄、南北长的狭长带状，分布在贺兰山麓和黄河两岸，由石嘴山、 银川、银南、固原、中卫5 个行政区域电网分网组成，供电面积近7 万平方公里。 目前主网架电压等级为2 2 0 k v ，2 2 0 k v 电网北起石嘴山市，南至中卫市，覆盖全 区大部分地区，已形成南北4 6 回线的2 2 0 k v 环形主网架。宁夏电网最高电压 等级为3 3 0k v ，通过宁安变靖远电厂双回、固原变靖远、固原西峰、中 卫变石城变5 回3 3 0k v 线路与西北电网联网运行。 截止2 0 0 5 年底，宁夏电网( 统调) 总装机容量为5 0 0 9 5 兆瓦，其中火电机 维共2 8 台，总容量为4 4 7 5 兆瓦，水电机组1 5 台，总容量4 2 2 3 兆瓦，风电机 组1 3 2 台，总容量为1 1 2 2 兆瓦。主要发电厂有北部的石嘴山电厂( 2 5 0 m w ) 、石 嘴山二电厂( 4 3 3 0 m w ) 、大武口电厂( 4 x 1 1 0 m w ) 和南部的大坝电厂( 4 x 3 0 0 m w ) 、 中宁二电厂( 3 3 0 m w ) 和青铜峡水电厂( 3 0 2 m w ) 等。宁夏电网( 统调) 变电容 4 重庆大学工程硕士论文 l 绪论 量为8 2 9 0 兆伏安，3 3 0 k v 变电站7 座，降压变9 台，总容量为2 6 2 0 兆伏安；统 调2 2 0 k v 变电站2 0 座，降压变压器4 2 台，总容量为5 6 7 0 兆伏安。 近年来，宁夏电网发展速度较快，负荷增长持续保持在2 0 以上。截至2 0 0 5 年3 月底，最大用电负荷己达4 1 4 0 m w ，最大日用电量达9 2 2 9 万千瓦时，2 0 0 4 年( 统调) 用电量达2 8 3 亿千瓦时，是2 0 0 1 年的两倍。电网负荷主要分布在石 嘴山、银川和卫宁地区。由于用电负荷的迅猛增长，发电供不应求，宁夏电网目 前是一个典型的受端电网，每年均须从西北电网购入大量电力电量，才能满足全 社会发展的用电需求。电力负荷迅速增长及负荷特性的变化削弱了宁夏电网自身 平衡能力和无功的电压支撑能力，电网电压稳定问题日益突出。一些线路设备负 载率偏高，潮流较重，一些变电站内的变压器容载高，使网络存在较多的异常运 行方式，降低电网供电的可靠性，所有这些都对宁夏电网的安全运行构成了较大 的威胁。 一个安全稳定的电网，不仅仅要满足正常运行条件下的各项安全指标，同时 还要能够在n 1 和n 2 的运行方式下稳定运行，所以在进行宁夏电网的电压稳 定分析时除了分析其在正常运行方式下的稳定问题，还进一步分析了其在n 1 和n 2 运行方式下的电压稳定问题。电网发生电压崩溃事故，往往是由于一些事 故的连续发生，使得网络的稳定性逐步遭到破坏，所以分析n 。1 和n - 2 网络运 行方式下的稳定性还能够帮助发现网络稳定遭到破坏的严重程度，进而能够及时 的采取措施来避免电网进一步遭到破坏以及采取一些相应的补救措施来增加网 络的安全程度。所以对于一些n 1 和n 2 网络运行方式下的稳定性分析也是非 常有实际意义的。 1 4 论文主要工作 本论文完成的主要工作有： ( 1 ) 宁夏电网原始数据的收集、整理与校验。 ( 2 ) 模拟电网实际运行的过程，对发电机的有功出力调度方式、无功越限 处理方式、负荷增长方式、外网电力调度方式进行选择和处理。 ( 3 ) 运用p s s e 程序，进行了宁夏电网潮流计算。其主要工作包括将收集 的原始数据录入p s s e 程序；对数据进行处理和调整，最终使其稳定收敛。 ( 4 ) 根据潮流计算结果，结合灵敏度分析法和最大功率分析法，使用p v 曲线、v q 曲线等分析工具对宁夏电网静态电压稳定性进行了分析。 ( 5 ) 在n 1 和n 2 运行方式下对宁夏电网的电压稳定进一步进行分析，根 据电压稳定的分析结果，确定电网的薄弱节点以及由其构成的薄弱区域，并提出 了增强系统电压稳定性的建议等。 重庆大学工程硕士论文 2 宁夏电网现状及使用的分析方法 2 1 引言 2 电压稳定分析方法 系统的电压崩溃往往是由某条母线或某个区域的电压失稳引起的，然后扩散 至整个系统，导致系统瓦解。这些最容易引起电压失稳的母线或区域被称为电压 稳定的薄弱母线或薄弱区域。如何准确快速判断系统电压稳定的薄弱母线或薄弱 区域，成为广大研究者关注的问题。 2 2 静态分析方法 2 2 1 灵敏度分析方法 灵敏度分析方法在电压稳定研究中应用越来越广泛，其突出的特点是物理概 念明确，计算简单。灵敏度分析方法属于静态电压稳定研究的范畴，它以潮流计 算为基础，以定性物理概念出发，利用系统中某些量的变化关系，即它们之间的 微分关系来研究系统的电压稳定性。但是灵敏值计算缺乏统一的灵敏度分析理论 作基础，许多文献都按自己的方法进行灵敏度分析，没有统一的标准；在计算灵 敏度指标时，没有考虑负荷动态的影响，没有计及发电机无功越限、有功经济调 度的影响；灵敏度指标是一个状态指标，它只能反映系统某一运行状态的特性， 而不能计及系统的非线性特性，不能准确反映系统与电压失稳临界点的距离。 目前电压稳定研究中的灵敏度分析大部分是建立在潮流方程基础上，各种灵 敏度分析方法的差别主要体现在所选用指标不同，以及对潮流方程变量的分类和 其相互关系的处理上。基于潮流计算的灵敏度分析的基本方程是节点功率平衡方 程： 只= v f ( qc o s s , j + 蜀s i n s 口) ( 2 1 ) j - l q = e ( g c o s 岛一岛s i n s , j ) ( 2 2 ) j z l 在灵敏度分析中，按照各变量的数学作用，可以将变量分为如下4 类：独立 参数向量a ，包括线路导纳参数g ，b 等不变化的量；状态向量x 3 眦，皖，】； 控制向量u = 哦，q ，名，k ，8 0 ，b ，e r ：输出向量r = 【g ，昂，q o ，丘一，圪一】7 。其中，b 表示有载调压变压器变比；e 表示并联电容补偿等的电纳；置一和 6 重庆大学工程硕士论文2 宁夏电网现状及使用的分析方法 铣一分别为有功网损和无功网损；下标“l ”，“g ”和“0 ”表示所对应的量为p q 节点、p v 节点和平衡节点的量；i ，j 表示节点号，如吒表示p q 节点的有功 功率向量最= 置- ，置：，- ，吃】，其它变量的物理含义依此类推。按照以上变量的 划分，灵敏度分析的数学方程可以写为： f ( z ，u ，口) = 0 ( 2 3 ) y = g ( x ，u ，口) ( 2 4 ) 状态方程( 2 3 ) 中包括p q 节点的有功功率和无功功率平衡方程，以及p v 节 点的有功功率平衡方程，输出方程( 2 4 ) 中可以包含p v 节点的无功功率方程、网 损方程、平衡节点方程、支路潮流方程等各种输出方程。 目前的灵敏度指标很多，有反映负荷节点电压随负荷功率变化的指标 d 圪，d 巴。和d 圪d 骁；有反映发电机无功功率随负荷功率变化的指标d 皱d 骁； 反映网损功率随负荷功率变化和发电机出力变化的指标蛾和 d 鲮。d 骁。等。此外，还有负荷节点电压对p v 节点电压幅值的灵敏度，负荷 电压对串并联电容补偿的灵敏度等 2 5 。2 7 】。但是，所有这些灵敏度指标，从数学上 均可以分为两种类型：状态变量x 对控制变量u 的灵敏度d x d u 和输出变量y 对控制变量u 的灵敏度d y d u ，前者简称为状态变量灵敏度，后者简称为输出 变量灵敏度。 2 2 2 最大功率法 最大功率法是指当负荷需求超出电网极限传输功率时，系统就会出现象电压 失稳这样的异常运行现象。最大功率法的基本原则是将电网极限传输功率作为电 压失稳的临界点，从物理角度讲是系统中各节点到达最大功率曲线族上的一点。 电压稳定裕度是系统中总的负荷允许增加的程度。文献【2 8 】将裕度指标定义为： 从系统给定运行状态出发，按照某种模式，通过负荷或传输功率的增长逐步逼近 电压失稳点，则系统当前运行点到电压崩溃点的距离( m w 和( 或) m v a r ) 可作为判 断电压稳定程度的指标，称之为裕度指标。在裕度指标中主要的分析工具有p v 曲线和v q 曲线。 1 、p v 曲线 p v 曲线反映出电网节点电压随电网中负荷的增长发生变化的情况。负荷功 率需求的持续增长、系统故障或o l t c 的动态调节都可以使系统从正常运行点移 向电压崩溃点。在计算裕度指标时，网络中各负荷节点的功率可按任意方式增长， 以逼近崩溃点。负荷如果从当前的运行点不同的方向增加，就会有不同的电压稳 7 重庆大学工程硕士论文2 宁夏电网现状及使用的分析方法 定临界点，有不同的电压稳定裕度，但在这些方向中总会有一个方向的电压稳定 裕度最小。计算出这个方向和电压稳定临界点，就能为防止电压失稳提出有效的 对策。所以p v 曲线的准确求取对电力系统静态安全以及电压稳定研究具有重要 意义。 大多数文献在计算裕度指标时，都假设负荷功率按全部负荷节点的有功和无 功功率同时增加【2 9 】。按这种负荷增长方式计算出的裕度指标通常比较保守。在 计算裕度指标时，选用的模型不同，所得出的计算结果也不同。其中发电机模型 和负荷模型的选择影响较大。在静态电压稳定分析中，一般将发电机节点作为 p v 节点，当发电机无功功率达到极限时，将p v 节点转变为p q 节点。负荷模型 可分为静态模型和动态模型。静态模型主要有恒功率模型、恒电流模型和恒阻抗 模型。动态模型主要有输入输出模型和状态变量模型。文献 3 1 1 采用了一种参数 随运行状态变化的动态负荷模型计算裕度指标。电压稳定分析中，负荷模型的选 择比较困难。动态负荷模型较难建立，采用恒功率模型所得结论比采用功率随电 压变化的负荷模型所得结论悲观。 从上面的分析中可以看出，如果要得到准确的p v 曲线要解决好两方面的问 题，一是从运行点到临界状态过渡过程的模拟，另一个是模型的选择。 2 、v q 曲线 c i g r e 对电压崩溃十分重视年并在1 9 8 7 年提出电网应按照防止电压崩溃的 准则进行规划设计，并提出了防止电压崩溃的q 法。q v 法是将电网中的某节 点或母线作为研究对象，通过一系列潮流计算，确定其q v 特性曲线，并根据无 功储备准则或电压储备准则，来确定所需的无功功率。该方法的优点是物理概念 明确，缺点主要是潮流方程在电压崩溃点处不易收敛。 电压安全性同无功功率联系密切，而v q 曲线则正好给出了测试母线的无 功裕度。无功裕度用无功功率大小表示，且其可以分为两种，一种表示从当前运 行点到v q 曲线底部的距离；另一种表示从当前运行点到并联电容器特性曲线 与v q 曲线切点的距离。 v q 曲线的斜率表示测试母线的强度( 即相对于q 的a v 大小) 。当邻近发 电机的无功出力极限时，v q 曲线的斜率下降，运行点接近曲线的底部，无功裕 度取从当前运行点到v q 曲线底部的距离。 2 2 3 分岔分析法 对于恒功率的负荷模型而言，其功率不受电压的变化影响，因而其电压失稳 点就处于p v 曲线的拐点上，使用最大功率法能够有效地进行电压稳定分析。 但是对于计及负荷特性的综合负荷模型，如含有恒电流或恒阻抗负荷或其它的负 荷模型，由于其功率随端电压的变化而发生相应的变化，其电压失稳点已不在 8 重庆大学工程硕士论文2 宁夏电嘲现状及使用曲分斩方法 p v 曲线的拐点上，此时最大功率法存在一定的局限性。 分岔理论最初用于动力学的研究，近年来越来越多的学者将其用于电压稳定 问题的研究，并且取得了相当的成效。在计及负荷动态特性的电压稳定分析中逐 渐越来越受到关注。 一般电力系统模型可以用下列非线性微分一代数方程组描述：瓤磊) ，y ( 厶) f z = f ( x ，y ， l o = g ( x , y ，且) ( 2 5 ) 其中，f 为定义发电机、励磁、负荷等的动态特性：g 代表网络的潮流模型； 微分状态变量x 、代数状态变量y 及控制参量 可表示为：x = ( t 毋，e ，局。) i y = ( 以口，) ，a = ( ，q ) 。其中，6 为发电机功角：m 为发电机、电动 机凭速度；e 为发电机、电动机暂态电势，e h 为励磁机输出电势；v 、e 为 p v 、p q 节点电压和相角；兄、姥为负荷有功功率和无功功率。 系统平衡点由下式确定： ，( x ( 凡) ，j ，( 凡) ) = o i g ( 丑a ) ，( 厶) ) = o ( 2 6 ) 在平衡点处对式( 5 ) 进行线性化，得到微扰方程： 阱吲阱m ，嘲 设扩展j a c o b i n 矩阵j ( ) 的特征值为：“( 五) = q ( 丑) 十，照( 丑) ，其中( 、 屈( ) 均为 的实函数，i = 1 2 ，n 。由文献 3 2 1 及l i a p u n o v 第一方法知；当所 有r e 眦( a ) = 0 ，i = l 2 ，n ，则系统在( 凡) ，y ( 厶) 点处，稳定性可能发生质的变 化，在分岔理论中，这样的点即为式( 2 6 ) 确定的系统平衡解曲线上可能的分岔点， 由此可见，分岔点是含参数系统平衡解曲线上有着重要意义的点。 分岔理论常使用的分析工具是分岔曲线，本文使用分岔曲线对不同z i p 负荷 模型进行电压稳定的研究，指出对于在综合负荷模型中，恒阻抗负荷所占比例越 多其临界电压值将越小。并且以宁夏电网为实例验证了这一观点的正确性。 2 3 动态分析方法 电压稳定问题本质上是一个动态问题，系统中的诸多动态因素，如发电机及 其励磁控制系统、负荷动态特性、o l t c 动态、无功补偿设备特性、继电保护动 作情况等，对电压稳定均起着重要的作用。只有在动态分析下，这些因素对电压 稳定的影响才能充分体现，这对于深入了解电压崩溃的机理，电力系统稳定性的 本质，以及检验静态分析的结果都具有十分重要的意义。 9 重庆大学工程硕士论文 2 宁夏电阿现状及使用的分析方法 2 3 1 小扰动电压稳定分析 小扰动分析是电力系统稳定性分析的一般方法，也适用于电压稳定分析。它 将描述电力系统的微分一代数方程在当前运行点处线性化，消去代数约束后形成 系统矩阵，通过该矩阵的特征值和特征向量来分析系统的稳定性和各元件的作 用。由于电压稳定问题涉及到的时间框架很广，从几秒一直到几十分钟，几乎牵 涉到全部电力系统机电和机械动态元件，这给完全意义上的小扰动分析造成了困 难。实际使用时，研究人员总是根据所研究的时间范围采取一些简化，故而，如 何根据研究对象考虑恰当的动态元件、建立尽可能简化而又较精确地反映了系统 动态过程的分析模型成为小扰动分析的关键。 有载调压变压器( o l t c ) 是电压稳定研究的一个热点，很多学者认为负荷侧 的o l t c 对电压崩溃起着推波助澜的作用，在电压崩溃形成过程中闭锁o l t c 可以避免电压崩溃。发电机及其励磁控制系统是影响电压稳定性的另一个关键因 素，很多学者从不同的角度研究了这一问题。 负荷模型及其对电压稳定性的影响是电压稳定研究的一个重点。但由于负荷 自身的复杂性，目前己有众多模型，研究人员各取所需甚至提出自己的模型，各 自得到了一些结论，时常出现争论，因此如何整理和统一这些观点还有待研究人 员的努力。另一个有分歧的问题是如何理解以感应电动机为代表的负荷稳定性和 电力系统电压稳定性的关系。目前c i g r e 的定义将负荷稳定等同于电压稳定， 并为很多研究人员接受。然而从经验和概念上来说，负荷稳定和电压稳定是两个 不同的概念，如果失稳的感应电动机容量较小，则只能引起电压的轻微跌落，甚 至仍能保持正常的电压水平。 2 3 2 暂态电压稳定分析 虽然电压崩溃的形成期间中，系统的动态比较缓慢，但一旦发生电压崩溃， 系统动态变化很快，可视为一个暂态过程；另一方面，电力系统中存在大量快速 元件，如感应电动机负荷、发电机及其励磁控制系统、h v d c ，s v c 等，它们的 暂态行为也可能直接导致暂态电压不稳定。因此暂态电压稳定分析对于了解电压 崩溃的机理深入理解电力系统暂态行为等具有重要意义，但具体研究工作则较为 困难。研究中先要明确暂态电压稳定的研究内容，界定暂态电压稳定与功角稳定 及负荷稳定的区别，以后才能深入研究暂态电压稳定的本质，但目前对该闯题尚 没有广泛接受的观。 现有的暂态电压稳定分析主要集中在负荷稳定性上，电力系统中具有稳定性 问题的快速动态负荷基本上只有感应电动机，故而研究工作又主要以感应电动机 为中心。感应电动机在暂态过程中的行为非常复杂，不得不以暂态仿真方法研究 1 0 重庆大学工程硕士论文 2 宁夏电网现状及使用的分析方法 该问题，所以现在的暂态电压稳定分析与使用了感应电动机模型的功角稳定分析 之间的区别不是很明显。又由于暂态电压稳定和功角稳定界定方面的困难，已有 文献中暂态电压稳定的分析大部分都针对较简单的系统。 2 3 3 中长期电压稳定分析 电压稳定能涉及中长期过程是电压稳定问题的特色。在暂态稳定性得以保证 时，可以集中研究电力系统慢动态元件( 如o l t c 、负荷自恢复特性、发电机过励 限制等) 和电力系统慢动态过程( 如负荷的变化、a g c 、优化调度等) 之间的相互 关系，这就是中长期电压稳定分析的现象。 中长期电力系统动态仿真是中长期电压稳定分析的有力工具，可用来研究电 压崩溃发生、发展的机理，检验静态分析结果的正确性。从中长期电压稳定仿真 结果固然可以看到很多的系统动态特性，但却较难把握系统各动态元件在中长期 过程中所起的作用，故目前很多方法都在仿真过程中结合了灵敏度法、模式分析 法等静态分析方法。 从某种程度上来说，中长期电压稳定仿真是静态分析中连续潮流法的一种扩 展，前者在系统模型和数值方法复杂化的代价下，对系统分析的能力得到极大的 提高。可以预见，随着计算机硬件技术的突飞猛进，该方法将会逐步推广。 随着计算机技术和数值方法的发展，近十年来也开始出现中长期稳定和暂态 稳定复合仿真分析的方法。复合仿真的一种途径是采用变步长、变阶的数值方法， 而另一个途径是在一个软件中包含几个模块，分别进行中长期和暂态分析。 2 4 仿真研究电压稳定性的意义和必要性 一、电力系统仿真仿真就是根据模拟理论先设计一个能反映该过程或系统的 模型试验，求得模型结论，进而经过分析得出实际系统的结论。 电力系统仿真就是根据模拟理论，设计出对应不同电力系统元件并反映其不 同特性的数学模型，通过反映一个实际可能过程或系统的模拟实验，求得模拟实 验的结论，进而经过分析得出实际系统或过程的结论。 二、电力系统仿真的必要性 电力系统仿真是仿真中很大的一个分支，而且己经有较长的历史。在很多