（电力系统及其自动化专业论文）电力系统电压稳定研究(1).pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rs y s t e mv o l t a g ei n s t a b i l i t yo rv o l t a g ec o l l a p s ei sa l li m p o r t a n tf a c t o ri np o w e rs y s t e m i n s t a b i l i t y b e c a u s ev o l t a g ec o l l a p s ea c c i d e n tc a nc a u s eg r e a te c o n o m i c1 0 s sa n db a di n f l u e n c et o t h es o c i e t y , i tb e c o m e sa ne m e r g e n tp r o b l e mt ob es o l v e df o rt h es e c u r i t yo fp o w e rs y s t e m t h e s c a l eo fp o w e rs y s t e m si si n c r e a s i n g ，m o r ea n dm o r el o a d ss e n s i t i v et ov o l t a g e ，t h el o a di nl o a d c e n t e ri si n c r e a s i n gv e r yf a s t ，l o a do ft h ee n t i r ep o w e rs y s t e mi si n c r e a s i n ge a c hd a y , m e a n st o c o n t r o lr e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g ei si n s u f f i c i e n t v 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 ew i l l b e c o m em o r ed a n g e r o u st ot h es e c u r i t yo f p o w e rs y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e ss e v e r a lt o p i c sr e l a t e dt ov 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 ym e c h a n i s m ， l o a dm o d e l i n g ，s t a t i cv o l t a g es t a b i l i t ya n a l y s i so fp o w e rs y s t e m s ，v o l t a g es t a b i l i t yd y n a m i c a l a n a l y s i sm e t h o dr e f e r st oc l a s s i c a lv o l t a g ec o l l a p s ec a s ea n dc o n s i d e r sp e o p l e st h i n k i n gh a b i t ， a n a l y z e sv o l t a g es t a b i l i t ym e c h a n i s m ，i m p r o v e sp e o p l e l sc o g n i t i o na b o u tv o l t a g es t a b i l i t y r e f e r s t oa u g u s t1 4 t hb l a c k o u ti nt h eu n i t e ds t a t e sa n dc a n a d 乱d i s c u s s e sn e wc h a r a c t e r i s t i co fm o d e r n v o l t a g ec o l l a p s ea c c i d e n t ，p o i n t so u tt h a tm o d e mp o w e rs y s t e mc o l l a p s ea c c i d e n tn o to n l yr e l a t e s t ov o l t a g ei n s t a b i l i t ya n dp o w e ra n g l ei n s t a b i l i t y , b u ta l s or e l a t e st oo t h e rf a c t o r s ，s u c ha st h e r m a l s t a b i l i t yl i m i t a t i o n a c t i o no fr e l a yd e v i c e s c o m b i n e sw i t hi o a dm o d e l i n gr e s e a r c h o bo fa c t u a l p o w e rs y s t e m ，d e m o n s t r a t e st h ee n t i r ep r o c e s so fl o a dm o d e l i n g ，p o i n t so u ta n dd i s c u s s e ss o m e p r o b l e m si na c t u a ll o a dm o d e l i n gj o b e s p e c i a l l yd i s c u s s e ss i m u l a t i o ns t e pc o n t r o lm e t h o di n c o n t i n u a t i o np o w e rf l o w , a n a l y z e sh o wt ou s ev a r i a b l ed vo fc o n t i n u a t i o np o w e rf l o w c a l c u l a t i o nt oa d j u s tt h es t e ps i z e r e f e r st ot h i ss t e ps i z ea d j u s tm e t h o d ，w r i t e sp - uc u r v e s i m u l a t i o np r o g r a m ，a n da p p l i e st h i sp r o g r a mi ns i m u l a t i o no f2g e n e r a t o r - 5b u ss y s t e m ，3 g e n e r a t o r - 9 b u ss y s t e ma n d9 9g e n e r a t o r - 4 9 5b u ss y s t e m ，t h er e s u l ti sg o o d w r i t e su qc u r v e s i m u l a t i o np r o g r a m ，a n da p p l i e si ti ns i m u l a t i o no fs i m p l es y s t e ma n da c t u a ls y s t e m f i n a l l y , t h i s p a p e rg i v e s s o m ed i s c u s s i o nt ot h em e t h o d so fp o w e rs y s t e mv o l t a g es t a b i t i t y d y n a m i c a l a n a l y s i s k e yw o r d sp o w e rs y s t e m ，v o l t a g es t a b i l i t y , p o w e r v e r s u sv o l t a g ec u r v e ，v o l t a g ev e r s u s r e a c t i v ep o w e rc u r v e ，l o a dm o d e l i n g ，c o n t i n u a t i o np o w e rf l o w j 型型生鲨垫 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致鲥的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我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了谢意。 研究生签名： 韶 日 期： 幽巧 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送变学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：牡导师签名盛i日期：批功 第1 章绪论 第一章绪论 近儿十年米，电力系统向大电网、高电压和远距离输电发展，虽然对提高经济效益、 促进环境保护起到了重要作用，但是也给电力系统的安全运行带来了新的问题，电压失稳 就是其中之一。 电力系统发生的停电事故通常和暂态稳定性相关。暂态稳定性包括功角稳定性和电压 稳定性，其中功角稳定性在理论研究方面已经比较成熟，电力系统实际运行中针对功角稳 定性问题的控制预防措施也比较完善；目前，电压稳定性问题已经成为威胁电力系统安全 运行的主要因素，电压稳定性已经成为电力系统规划和运行中主要关心的问题，越来越多 的电力公司正面临着电压稳定性的限制。在可以预见的未来一段时间里，电压稳定性问题 仍将是一个挑战，并且其重要性还会日益增加。由于近来负荷中心与远方发电厂之间的输 电设施使用得更充分，这个问题变得更加突出了。 1 1 课题的背景 1 1 1 电压失稳事件 近些年来，在世界范围内发生过许多电压失稳事件。表1 1 列出了一些导致电力系统 电压崩溃的电压失稳事件pj 。 表1 1系统崩溃事件 1 日期地点时间范围 1 9 8 6 年4 月1 3 日加拿大温尼伯地区纳尔逊河暂态，l s h v d c 系统 1 9 8 6 年1 1 月3 0 日巴西东南部，巴拉圭伊泰普暂态，2 s h v d c 连线 1 9 8 5 年5 月1 7 日美国佛罗里达州南部暂态，4 s 1 9 8 7 年8 月2 2 日美国田纳西州西部暂态，1 0 s 1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典长期，5 5 s 1 9 8 2 年9 月2 日美国佛罗里达州i长期，l 3 m i n 1 9 8 2 年1 1 月2 6 日美国佛罗里达州长期，1 3 m i n 1 9 8 2 年1 1 月2 8 日美国佛罗里达州长期，1 3 m i n 1 9 8 2 年1 1 月3 0 日美国佛罗里达州长期，1 3 m i n 1 9 7 7 年9 月2 2 日佛罗里达州杰克逊维尔长划，数分钟 1 9 8 2 年8 月4 日比利时长期，4 5 r a i n 1 9 8 7 年1 月1 2 日法国西部长期，6 7 r a i n 1 9 6 5 年1 2 月9 日法国布列塔尼长期 1 9 7 6 年1 1 月1 0 日法国布列塔尼 长期 1 9 8 7 年7 月2 3 日日本尔尿 长期，2 0 r a i n 1 9 7 8 年1 2 月1 9 日法国民期，2 6 r a i n 1 9 7 0 年8 月2 2 日 日本长期，3 0 m i n 1 9 7 8 年1 2 月1 9 日法国电力系统崩溃事故，中断负荷2 9 g w ，累计损失电量1 0 0 g w h ， 事故经济损失估计在2 3 亿美元。 1 9 8 7 年7 月2 3 日东京电力系统的电压崩溃事故，导致失去8 1 6 8 m w 的负荷，涉及2 8 0 0 多万用户。 2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国发生了历史上最严重的一次停电，停电范围为9 3 0 0 多平方英 东南大学硕士学位论文 里，停电时间2 9 小时，涉及美国的密歇根、俄亥俄、纽约、新泽西、马萨诸塞、康涅狄格 等8 个州和加拿大的安大略、魁北克省，受影响的居民约5 0 0 0 万人，直接经济损失约i o5 亿美元。此次美国和加拿大停电事故引起了全世界关注。 1 9 7 3 年7 月1 2 日我国大连地区的电网因电压崩溃而造成人面积停电事故“。 此外，还有许多未引起系统崩溃的电压失稳事件，文献 5 中对此有比较详细的介绍。 1 1 2 我国电压稳定性问题概述 中国电网防止重点地区动态电压崩溃的形势很严峻，不利因素主要有以下几个方面f ： ( 1 ) 由于能源、环保及土地资源的制约，中心负荷区电厂越来越少，区外输电比例越 来越大，不仅使负荷中心有功热备用减少也使得动态无功支撑日益不足，而无功是不能远 距离传送的； ( 2 ) 负荷中心的空调负荷所叶比例越来越大，而且随天气变化，其数量增减剧烈，难 以预测： ( 3 ) 电网中的容性断续调节的并联装置，比如并联电容补偿装置、滤波器等，数量巨 大，且多数是手动的。电容补偿装置来不及应对突增负荷，且所发无功随电压下降的平方 关系减少； ( 4 ) 随着电力电子技术的广泛应用，很多负荷对电压的灵敏度降低，类似恒定功率性 质，不利于电压的恢复； ( 5 ) 我国远距输电多，电网安装的动态无功补偿少，原有调相机由于维护不方便及扰 民等原因逐渐退出运行，负荷中心在重负荷时，造成输电线路负荷严重； ( 6 ) 正是由于三大负荷中心存在上述特点，缺乏必要的动态无功支撑冈此一日受到 干扰很容易出现无功不足，从而引起电压稳定问题。 1 2 与电压稳定性相关的一些问题的研究现状 1 2 1 负荷建模研究现状 电压稳定曾被称为“负荷稳定”，相对于功角稳定，系统电压稳定的动态特性主要取决 于负荷与电压控制措施【) j ，因此负荷模型的准确程度直接关系到电力系统电压稳定性仿真 计算的可信度。虽然电力系统负荷建模研究工作取得了很多重要的成果，但是现有的负荷 模型还未能完全满足仿真计算的需求，尤其是电力系统电压稳定性仿真计算的需求。冈此 目前负荷建模的研究工作，尤其是适用于电压稳定性仿真计算的负荷建模研究工作，仍是 一项具有重要实际意义的急需开展的工作。 一、负荷模型的结构 按照是否反映负荷的动态特性，负荷模型一般可分为静态模型和动态模型两类，前者 通常用代数方程来描述，后者通常用微分方程或差分方程描述。 基本的静态负荷模型的结构为：幂函数模型：多项式模型。通常一个幂函数模型在电 压变化范围比较人的情况下仍能较好地描述许多负荷的静态特性。多项式模犁由恒功率、 恒电流、恒阻抗三部分组成，它可以看作是三个幂函数相加的特例，这三个幂函数的幂指 数分别为0 ，1 ，2 。静态的负荷模型主要适用于潮流计算和以潮流计算为基础的稳态分析 中。在电力系统动态分析中，静态负荷模型一般适用于计算结果对负荷模型不太敏感的负 荷点。目前国内电力系统潮流计算所采用的负荷模型多是恒功率模型，暂态计算所采用的 负荷模型也多是多项式模型( 多为4 0 的恒功率+ 6 0 的恒阻抗) 。由于大部分的计算程序 采剧的多项式负荷模型，在低电压下( o 6 p u ) 一般相应的转化为恒阻抗模型，所以负荷的 多项式模型并不存在电压为零时功率不过零点的问题口。 动态负荷模型又可进一步分为机理模型和非机理模型。其中机理模型通常就是感应电 动机模型。相应的还有采用一台等值感应电动机，两台或更多的等值感应电动机，以及将 2 第1 章绪论 感廊电动机并联上有关的静态模型等几种形式。非机理模型则是在系统辨识理论发展过程 中，从大量的具体动态系统建模中概括出来的对一大类动态系统具有很强的描述能力。 每一种非机理模型都有其普遍适用的范罔，也正是由丁其普遍适用性也掩盖了它作为具体 系统的具体物理机理。目前常用的非机理动态负荷模型的形式有：常微分方程模型，传递 函数模型，状态空间模型，时域离散模型。此外，还有考虑描述负荷模型非线性而捉山的 人上神经网络模型【2 。 以上这些负荷模型虽然不是专门为电压稳定性分析而建立的，但是它们都是用来描述 负荷的动态或者静态特性的，所以它们完全可以适用丁屯压稳定性分析的仿真计算并且 获得了非常广泛的应用。 二、负荷模型参数的获得 对丁| l o a d s y n 所支持的模型来说，可以通过统计综合法获得模型参数，而对于其他 模型来说，只有借助于辨识方法。当模型结构确定以后的参数辨识相对来说较为简单在 考虑辨识准则后，该问题已完全归结为一种数值优化问题了。可供选择的准则有：最小二 乘、最人似然、最小方差等，普通采用的准则是最小二乘。负荷建模所对应的数值优化问 题是一个非线性优化问题，可以采用求解非线性最d , - 乘问题的牛顿法、阻尼最小二乘法， 也可以采用各种1 f 线性优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、变尺度法、直接法等。近 米研究较多的遗传算法也在负荷模型参数辨识中有所应用。另外有些文献对负荷模型的参 数可辨识性进行了研究”。 三、电压稳定分析与负荷模型 近来负荷模型研究的动力主要来自电压稳定分析的推动，目前在负荷建模方面的些 成果也主要来自电压稳定分析研究。这些专门为电压稳定性分析建立的负荷模型主要考虑 了负荷的失稳特性和功率恢复特性，有计及o l t c 动态的导纳模型、描述功率恢复特性的 动态导纳模型、具有功率恢复特性的非线性通用动态负荷模型、以母线电乐为状态变量描 述的动态负荷模型等“。建立用于电压稳定分析的负荷模型是目前负荷建模研究的一个方 向。 为实现电力系统的暂态全过程仿真，文献 2 9 】分别对静态负荷和动态负荷的暂态特性 进行分析，应用面向对象技术建立了适合暂态全过程数字仿真的负荷白适应模型。 1 2 2 电压稳定性分析方法研究现状 电压稳定性分析方法有静态分析方法和动态分析方法。 静态分析方法主要有两种：一种是基丁- 潮流计算的方法，通过求取p u 曲线计算电压 崩溃的运行点或通过求取u q 曲线估计电压稳定极限；另外一种是基丁邻近电压崩溃的指 示的分析方法，主要有基于潮流解的邻近电压崩溃指示v c p l 、基于一般潮流解的电压稳 定性指标l 、基于解对的邻近电压崩溃的指示v i p i 、电压稳定控制区、雅克比矩阵最小奇 异值检验等pj ，这些方法不需要实际计算发生电压崩溃的运行点。 动态分析方法主要有动态潮流法、时域仿真方法、小干扰分析方法和分岔混沌理论分 析方法等。时域仿真方法又分为多时标仿真方法、长期动态分析的准稳态方法和统一的暂 态中长期电压稳定性仿真”“，它们分别适用于不同的时间框架的仿真分析。 1 2 3 电压失稳机理的进一步探讨 虽然近几十年来，众多的研究人员对电压稳定性问题作了深入的研究，也取得了非常 显著的成果，但是直到现在，电压失稳的机理还没有完全弄清楚，电压稳定性还是没有公 认的能揭示电压稳定本质的定义。所以关于电压失稳的机理还在进一步研究之中。 分岔理论广泛应用于描述随参数变化的动态系统的轨迹结构的性质和变化，电力系统 是强非线性系统，因此鞍强分岔、h o p f 分岔都描述了系统的动态特性l i “。进一步的研究方 向包括在负荷实际的动态特性下深入研究分岔特性与电压崩溃机理；定义电压稳定裕度和 一一 查塑查兰竺兰兰些丝苎 距离电压崩溃的裕度：根据多机摇摆曲线的混沌程度来估计后期稳定性【2 “。 1 3 本论文的主要工作 本论文主要讨论了一些与电力系统电压稳定性相关的问题，论文中各个章节的主要内 容如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了课题的研究背景，列举了一些重要的电压失稳事什， 并总结了我国的一些电压稳定性方面的问题；总结了与电压稳定性问题相关的各项研究工 作的现状。 第二章主要介绍了一些与电压稳定概念、机理有关的问题，用易丁| 理解的类比分析的 方法针对一种典型的电压失稳场景，给出了电压稳定机理的直观解秆；简要论述了一些与 美加8 1 4 大停电相关的问题，总结了现代电压失稳事故的一些新的特点。 第三章土要讨论了与负荷建模相关的一些问题，列举了一些经典的负荷模型，并结台 实际工作展示了统计综合法负荷建模的全过程，分析并指出了负荷建模实际工作过程中的 遇到的些问题：给出了一些专门针对电压稳定性分析提出的反映负荷功率恢复特性和失 稳特性的动态模型，井总结了各种模型的优缺点。 第四章是关于电压稳定静态分析方法的讨论，主要讨论了p u 曲线和q u 曲线的绘制 方法，编制了绘制p - u 曲线和q u 曲线的程序，其中重点讨论了连续潮流计算过程中变步 k 的方法，给山了一种实际可行的在“拐点”附近仍能采用较大步长进行计算的变步长方 法。最后结合简单系统和实际系统给出了绘制p u 曲线和o u 曲线算例。 第五章是关于电压稳定动态分析方面的简要讨沦，列举了一些电压稳定动态分析的常 用方法? 并对各种方法进行了简要的评述。 第六章对本文进行了总结，提出了今后上作的展望。 第2 章电压稳定性的概念和机理 第二章电压稳定性的概念和机理 本章将讨论电压稳定、电压崩溃等常见问题的基本概念、定义，并结合电压火稳的一 些典型的场景简要讨论电压失稳的机理。 2 1 电压稳定性概念 电压稳定性，指的是正常运行情况下或遭受干扰后电力系统维持所有母线电压在可以 接受的稳态值的能力。 当出现扰动、负荷增大或系统变更使电压急剧下降或向下漂移，并且运行人员和自动 系统的控制已无法终止这种衰落时，系统就进入电压不稳定的状态，这种电压的衰落可能 只需用几秒钟，也可能长达1 0 到2 0 分钟，甚至更长，如果电压不停的衰落f 去，静态的 角度不稳定性或者电压崩溃就会发生。 判断电压稳定的准则是，在正常运行情况下对于系统中的每个母线，电压的幅值随 着该母线注入无功功率的增加而升高。如果系统中至少有一个母线，其母线电压的幅值随 着该母线注入无功功率的增加而降低，则该系统是电压不稳定的。 2 1 1 电压稳定性定义 首先给出c i g r t ! 报告中提出的电压稳定性的定义“1 ，具体如下： 电力系统在给定的稳态运行点遭受到任意小的扰动后，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( 小干扰电压稳定对庶 于线性化动态方程所有的特征值的实部为负。为了便于分析，描述变压器分接头动作特性 的离散模型需用连续等值模型代替) 。 电力系统在给定的稳态运行点遭受一定的扰动后，如果负荷节点的电压能够达到扰动 后平衡点的电压值，则称系统为电压稳定。此时系统扰动后的状态位于系统扰动后稳定平 衡点的吸引域之内。 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 制范罔系统将发生电压崩溃。电压崩溃可能是全局性的( 停电) 也可能是局部范围内的。 2 1 2 电压安全、电压失稳和电压崩溃 电压灾稳即为失去电压稳定，其后果是电压持续下降( 或上升) 。所谓电压崩溃，是指 由于电压不稳定导致的系统内大丽积、大幅度的电压下降过程。 对于大多数工程师而言，他们经常交替使用电压失稳和电压崩溃两个术语。 电压安全这个术语也被j 、泛采用。它不仅是指一个系统稳定运行的能力，也指在出现 任何适当而又可信的预想事故或者有害的系统变更后，系统维持电压稳定的能力。 2 1 3 电压稳定性与功角稳定性的关系 客观上只有一种电力系统稳定性或者不稳定性。但依系统的特性，图形及运行模式的 不同，不稳定性可以以多种不同的方式出现。i e e e 报告中给出两种极端情况是：( 1 ) 远方 的一台同步发电机通过输电线接入无穷大系统( 纯功角稳定单机无穷大母线问题) ( 2 ) 一台同步发电机或一个无穷大系统通过输电线接有异步负荷( 纯电压稳定问题) 5 1 。图2 l ( a ) 、( b ) 分别表示上述两种极端情况。 东南大学顶士学位论文 ( a ) 大系统大系统 ( b ) 负荷 ( a ) 纯功角稳定；伯) 纯电压稳定 图2 - i 表示稳定问题极端情况的简单系统 功角稳定和电压稳定均受无功控制的影响。小干扰功角稳定和睦期电压稳定之间存在 一定关系：发电机电流限制( 过励磁限制器) 会阻止自动电压凋节器的工作，而发电机的 电流限制对两种形式的稳定问题都极为不利。 电压稳定性问题主要涉及负荷区域与负荷特性。而就功角稳定性而言，通常关心经过 k 距离输电线接入大系统的远方发电厂。因此，电压稳定本质上属于负荷稳定问题，而功 角稳定则本质上为发电机稳定问题。对于大型互联电力系统，在所有发电机保持同步运行 的前提下，负荷区域有可能发生电压崩溃。暂态电压稳定通常与暂态功角稳定密切相关， 而长期电压稳定则和功角稳定之间关系不大。 一般而言，如果在远离负荷的输电线某点发生电压崩溃，这是一个功角稳定问题；而 如果在负荷区域某点发生电压崩溃，则可能主要是电压失稳问题。 2 2 。研究电压不稳定现象的三种时间框架1 3 l 2 2 1 暂态电压稳定性 暂态电压稳定性的时间框架人约为1 0 秒，这止好也是暂态功角稳定性的时间框架，在 电压稳定性和功角稳定性之间的区分并不总是清晰的，两种现象往往同时存在，但是其中 一种可能占主导地位。 2 2 2 经典电压稳定性 经典电压稳定性，包含有载嘲压变压器( o l t c ) 和配电电压调节器，以及发电机电 流极限的作用。其时间框架是1 到5 分钟，大多为1 到2 分钟，此时运行人员来不及干预。 2 2 3 长期电压稳不稳定性 有儿个事故( 如1 9 7 8 年法国的大停电和1 9 8 7 年日本东京的大停电) 在负荷逐渐恢复 供电的期间，包含2 0 到3 0 分钟的电压恶化。与其有关的因素可能包括：输电线( 几十分 钟) 过负荷时间极限，由于低电压造成的负荷( 温控负荷) 多变性的失去，应用无功设备 的适时性及其他的行动干预( 如手动甩负荷) 。 2 3 电压失稳的一些场景 2 3 1 一种典型的电压失稳场景辐射状系统1 3 l 使用如图2 - 2 所示的简单辐射状系统可以对电压稳定性问题的慢动态现象做一个合理 的解释。 6 一 第2 章电压稳定性的概念和机理 1 1 o t 21 3 引一 图2 2 具有某些在电压稳定问题中起重要作用元件的辐射状系统 图2 2 所示的系统是一个接近电压稳定极限的辐射状系统其可能的扰动为：失去发 电或并联补偿，送端电压下降或欠去输电。 系统中包含了两个简化的配电系统：其一是工业负荷为主工业负荷功率田数较低( 有 人量的并联电容补偿) ，且负荷功率对电压的灵敏度较低；另一是民用负荷为主，民用负荷 的功率因数相对较高( 有少量的并联电容补偿) 随着电压的下降，负荷功率也会明显下降。 由于补偿的关系，连接在配电母线上的净负荷的功率因数通常接近i 所以1 0 的有载 调压变压器通常运行在中间分接头附近，当一次电压降为9 0 的时候，通过凋节分接头都 可以维持配电电压为1 ( 标么值) 。 可能的扰动之一发生时，受端电压就会下降。由于民用负荷对电压敏感，所以民用负 荷的有功和无功都随着电压的降低而下降，而工业负荷对电压的灵敏度低，所以变化很小。 但是工业负荷区的大量电容器将输出较少的无功功率( 电容器输出的无功功率按电压的平 方关系减少) 。由于居民、商业负荷区的综合负荷无功电压特征系数往往人于2 0 ( 可以参 考下一章的表3 1 ) ，所以民用无功负荷的减少通常大于工业区无功负荷的增加，所以此时 总体来说无功负荷减少了，这将有利于系统的稳定，所以电压能暂时稳定在某个较低的水 平，比如9 5 附近。 卜一步就是o l t c 的动作，恢复配电电压。与电压下降时相反，民用负荷的有功功率 和无功功率将增加，工业负荷的无功负荷将减少( 补偿电容器的作用) 。民用负荷的影响通 常还是大于工业负荷的影响，其原因和受端电压下降情景一样。此时总体来说无功负荷增 加了，这将导致一次侧电压进一步下降，一次系统中电流增人，由于线路无功消耗和线路 上的电流成平方关系 q s s = ，2 + x l ( 2 - 1 ) 所以一次侧电压进一步下降。典型情况下，o l t c 的分接头将处于极限位置一次电压将 处于9 0 附近，而配电电压低于额定电压。 再下一步就是恒温器和用户的动作，即它们对配电电压做出反应，以恢复由于配电电 压下降而降低的功率。 当对电压敏感的受控负荷慢慢向满功率回升的时候，一次侧和二次侧的电压会进一步 下降。如果存在某些未经有载调压变压器供电的工业负荷，那么它的一次侧电压会降低到 额定电压的9 0 ，如果该负荷的某处有某个边缘电动机( 指在电压低到8 5 - - 9 0 会停转 7 东南人学硕十学位论文 的电动机) ，也许在电压低到比正常值低一些的某点，它就可能停转。一旦停转，则吸收 的无功电流将增加，使邻近电容器和电动机上的电压下降，电容器无功输出的减少导致电 压的进一步下降时，另些电动机的临界转矩会低于它们的负荷转矩，结果它们停转。这 时会有更多的电动机以级联的方式停转，最后出现更大范围的电压崩溃。 在上述电压崩溃的过程中，附近发电机上的自动电压调节器可能起作用，增加无功出 力，以维持电压。然而，一旦发电机的无功负荷超过发电机的容量，电厂的运行人员，或 励磁器，或磁场保护将降低励磁，允许机端电压的下降。此时，只能由远方发电帆担任电 压调节的任务，但结果是负荷区的电压下降。在运行人员干预的情况下，米自邻近发电机 暂时的无功援助可能只持续3 至5 分钟。而在保护电路的干预f 可能只持续1 分钟，甚至 更短。 虽然上述讨论是针对辐射状系统的，然而任何一个系统，只要其中大量负荷的供电是 由远方发电机通过长距离、重负荷输电网来提供的话，那么该系统就具有上述辐射状系统 的特性。 2 3 2 对辐射状系统中重要元件在电压崩溃中作用的进一步讨论 一一个简单电路 图2 3 一个电源向一个可变电阻供电的简单电路 图2 - 3 是由一个电动势为e ，内阻为1 7 的直流电源向一个滑线变阻器供电的简单电路 其中线路的电阻忽略，或者说已经折算到电源的内阻r 之中。滑线变阻器消耗的功率 f p = f = 1 24 r( 2 - 2 ) 、，+ r r p 曲线如图2 - 4 所示 8 第2 章电压稳定性的概念和机理 p e 2 4 r o i? r 图2 1 4 滑线变阻器消耗功率随滑线变阻器的电阻变化的曲线 r 当r = r 时，滑线变阻器r 上能达到最大功率，一般的运行情况下( 通常电源的内阻 4 r 和线路的电阻都很小，r r ) ，如果滑线变阻器r 想要得到更多的功率输出可以通过 调节滑片位置使r 减小( 增大滑线变阻器的电导) 来实现。 但是，如果0 ，) ，总是以为只要增大滑线变阻器的电导就能获得更多的功率输 出，结果越是调节减小r ，r 上的功率输出就越是小，为了得到更多的输出功率，再7 久调 节滑片减小r ，形成恶性循环。 二l t c ( 或o l t c ) 和恒温器( 或其他能自动恢复功率的电器) 在电压崩溃中的作用 图2 2 中的l t c ( 或o l t c ) 和图2 - 3 中滑线变阻器的滑片的作用类似：l t c ( 或o l t c ) 是朋来调节电压，滑片用来调节电阻大小。当系统具有足够的稳定裕度的时候( 比如系统 中有足够的旋转无功备用负荷区有大量的电源，而不是通过长距离、重负荷输电，或者 图2 - 2 中一次电容的容量足够大) ，当某些扰动使受端电压下降的时候，这时如果通过调节 l t c 或者o l t c 的分接头，就能够达到恢复受端电压的目的，并不会引起电压崩溃。在系 统稳定裕度足够的运行情况f 透过调节分接头恢复电压才是安装l t c 或者o l t c 的本意， 此时调节分解头恢复电压的时候并不会引起电压崩溃。这相当于图2 3 电路运行在r r 的情况，只要调节滑线变阻器的滑片使r 减小就能达到增加功率输出的目的。 当图2 2 所示系统接近电压稳定极限运行的时候。根据2 3 1 中的分析，这时按照习 惯调节l t c 或者o l t c 的分接头不仅不能起到恢复电压的作用，反而会造成一次和二次电 压的进一步下降。但是l t c 或者o l t c 被设计出来的意图就是当受端电压下降的时候通 过正向调节分接头来恢复电压。所以一口受端电压下降，分接头就会被正向调节企图恢复 9 东南大学硕十学位论文 电压，结果越是调节，电压就越是f 降，形成恶性循环。这种情况和图2 - 3 电路运行于 0 r 有效。 3 3 5 感应电动机模型的分析比较 传统动态负荷模型即感应电动机模型，它在电压稳定性机理研究的有关文献中广为采 用，也是工程仿真计算中应用最为广泛的动态负荷模型。在实际应用中，通常选择所谓“典 型参数”不同使用者在采用该模型时的主要区别在于模型阶数选择的莘别。 传统机理模型的最大优点是物理意义明确、描述范围广，理论上讲它可以描述任意运 行状态下的动态负荷行为。目前迫切需要回答的问题是，感应电动机模型对综合负荷的描 述能力到底如何，在选择模型参数时是否应该有某种可循原则，至今为止，对这类问题未 见有文献涉及，而它却是在使用机理模型时不可回避的关键问题。 文献【9 详细讨论了三阶机电暂态模型、一阶机械暂态模型和一阶电压暂态模型的优缺 点、适用范围，这里仅给出文献【9 】中简要的结论。 第3 章负荷模型和负荷建模 表3 - 6- - - $ 十简化模型的综合比较 模型有功精度无功精度稳定指标可辨识性计算量 三阶机电暂 态模型 向局局可辨识人 一阶机械暂 态模型 较高较差不可辨识小 一阶电压暂 著 较高 较高不可辨识小 态模型 简要结论： ( 1 ) 在计算量不是人问题时，一般适宜采用三阶机电暂态模型； ( 2 ) 如果为了节省计算量，对于以有功为主的动态问题可以采用阶机械暂态模型； ( 3 ) 如果为了节省计算量，对于以无功为主的动态问题可咀采用阶电压暂态模型。 有关负荷模型可辨识性问题的详细讨论可参见文献 2 3 1 。 3 4 将几台感应电动机等值成一台感应电动机 3 4 1 等值惯性时间常数 假定等值电动机在同步转速下的动能等于各电动机动能的和。按惯性时间常数的定义 知，惯性时间常数是同步转速一f 动能的两倍除以其容量，因此得p 1 了1 j s n m羔三l ( 3 - 2 6 ) 式中：l , h g i 台感应电动机的惯性时间常数，z k 为等值电动机的惯性时间常数，s m 为 第i 台电动机的额定容量，s 为等值电动机的容量。 则 由于s 。= s 。，令 p ：= s n j fsn m = s m 呓s m = p ，7 2 ( 3 2 7 ) ( 3 - 2 8 ) 当所有负荷功率囚数相同( 相似) 的时候，式( 3 8 ) 和式4 3 - 2 8 ) 中的p 。、p 。，和p 。，相 等( 近似相等) 。 3 4 2 其他等值参数 等值电气参数、等值滑差和等值机械转矩系数的计算方法，文献【6 中有详细的描述。 3 4 3 加权求和法 由式4 3 - 2 8 ) 可见，等值惯性时问常数为各电动机惯胜常数的加权和。为了简化分析， 这种乘权系数相加的做法有时被推广到等值滑差、等值机械转矩系数等参数的计算。 东南大学硕士学位论文 上述加权求和法虽然缺乏严格的理论基础但却是一种简单而实用的方法冈而经常 被采n t “i 。 3 5 统计综合法负荷建模实例 负荷建模的统计综合法的基本思想是把综合负荷看成成千上万用户的集合，首先在实验 室确定各种典型负荷的平均特性( 如日光灯、电机、空调器等的平均电气特性) ，然后统计 出各类负荷如居民负荷、商业负荷、上业负荷等这些典型负荷的比例，估计出各类负荷的平 均特性，最后再根据各类负荷所占的比例，估计出综合负荷的模型。式( 3 - 8 ) 是估计综合 负荷模型的一种常用方法，表3 i 和表3 4 列出了北美地区一些典型负荷的平均特性，表3 - 2 和表3 3 给山了一些标准元件的典型负荷特征系数。 为了检验和提高江苏电网电压稳定性，江苏省电力公司组织开展了提高江苏电网电压 稳定性措施的研究项目的研究1 二作。提高江苏电网电压稳定性措施的研究负荷调研、 建模及数据库开发项目是其中的一个重要部分，旨在建立适合于电压稳定性分析的负荷模 型。本文将结合这个实际项目，讨论统计综合法负荷建模的过程方法以及遇到的一些问题。 3 5 1 项目概述 一、项目研究背景 江苏电网规模不断扩大，电压敏感负荷不断增多，负荷中心负荷增长快速，负荷水平日 益加重，尤其是苏州、无锡、常州地区的负荷近年来增长异常迅猛比如冈为苏州地区的丁 业飞速发展，苏州地区的负荷以每年2 0 多的速度增长，这造成江苏地区负荷不平衡度加剧、 电网无功电压控制能力不足。电压不稳定电压崩溃事故将成为威胁江苏电网安全的一个突 出问题： 因此有必要针对江苏电网的电压稳定性问题进行计算分析，研究电力系统电压不稳定 电压崩溃的预防和校正控制策略。由于负荷模型的准确程度直接关系到电力系统电压稳定仿 真计算的可信度，冈此在进行电网电压稳定性的研究中负荷特性的研究和适用r 电压稳定分 析负荷模型的建立，是一项重要的工作。江苏电网以往计算分析采用的是6 0 恒阻抗平【1 4 0 恒功率的负荷模型，这种模型色麻朋中有很多限制，对仿真结果的准确性将产生很大的影响， 因此必须采用更为反映实际情况的负荷模型。本项目是江苏省电力公司2 0 0 4 年科技项目提 高江苏电网电压稳定性措施的研究的一部分，主要完成江苏电网负荷调研、建模和数据库 的开发等研究工作，为江苏电网电压稳定研究提供较为准确的负荷模型。大规模收集数据并 进行负荷建模工作在国内应属先例，本项目在这方面进行了有益的探索。 二、项目主要研究内容 项目的研究主要完成以下工作： 1 进行江苏电网负荷调研，以苏州、无锡、常州三个地区为重点，全面进行各地区按产业、 按设备类型分类统计以及各个变电所实时负荷数据统计上作，为进行江苏电网的负荷建模提 供数据； 2 根据江苏电网静态电压稳定分析的需求，对苏锡常地区5 9 个2 2 0 k v 变电所的实时统计数 据和6 个变电所的分类负荷统计数据，通过参数辨识和统计综合法建立负荷静态模型，为江 苏电网进行静态电压稳定分析提供相应的静态负荷模型； 3 根据动态电压稳定分析的要求，对苏锡常地区6 个典型2 2 0 k v 变电所分类负荷统计数据进 行合理分类，用统计分析方法确定荐变电所电动机负荷的比例，采用统计综合法建立负荷动 态模型，为江苏电网进行动态电压稳定分析提供相应的模型。通过仿真对各种负荷模型进行 比较分析，并为其他变电所动态负荷模型的建立提供参考； 4 研制江苏电网电压稳定分析负荷模型数据库，收录各地区、变电所各母线综合负荷模型， 为江苏电网电压稳定分析提供负荷数据。并为数据库开发与p s a s p 和p s s ，e 软件的数据转换 第3 章负荷模型和负荷建模 接口，以便运行调度人员能从数据库中调用江苏电网电压稳定性分析所需的负荷数据。 三、本文讨论重点 由丁在大规模收集数据的基础上进行负荷建模j 二作在国内开展的较少，本文将结合项目 中负荷分类统计和负荷参数等值的实际工作展开讨论。 3 5 2 负荷分类数据统计 项目中共统计了7 个2 2 0 k v 变电站母线的负荷成分。以下数据是一个变电站一条2 2 0 k v 母线的分类负荷统计数据( 无锡市前洲变电站2 2 0 k v 母线2 0 0 4 年8 月6 日统计结果) 表3 7 一个变电站的一条2 2 0 k v 母线的分类负荷统计数据 装 t 业负荷 全部空调 钢厂负荷其他负荷全部工业大型工业发电厂电 负荷 ( m w )( m w ) 负荷电动机动机负荷 ( m w ) ( m w )( m v a ) ( k v a ) 容量功率 3 0 1 42 0 04 8 45 9 81 6 4 3 功率因数 0 9 4o 8 80 8 50 9o8 5 总负荷s = 5 6 ( m w ) + j 7 ，5 ( m v a r ) 说明： ( 1 ) 空阔负荷包含工业的、商业的和民用的空调负荷，“全部t 业负荷”部分和“全部空调 负荷”部分禽有公共部分，公共部分的大小为工业用空调负荷，可以由总负荷s 的有功功率 和分类统计项目有功功率之和的差值估计出来：3 0 1 4 + 0 2 * 0 8 8 + 4 8 4 + 5 9 8 + 1 6 4 3 - 5 6 = 1 4 7 6 m v 。 ( 2 ) 统计出的功率因数比典型参数给出的功率因数较大，因为统计的负荷可能包含了( 部 分) 无功补偿器。 ( 3 ) 根据其他负荷的功率因数，近似认为商业负荷。 ( 4 ) 根据空调负荷的功率因数，估计出空调负荷成分为三相中央空调和家用空调1 ：1 。 3 5 3 负荷建模的目标 根据江苏电网电压稳定性仿真研究工作的需要，最后要将负荷处理成如下两种形式： ( 1 ) 将母线上所有负荷等值成为一个静态负荷。 ( 2 ) 将母线上的负荷等值成一个静态负荷和一个感应电动机负荷并联的形式。 注：忽略频率的影响。 3 5 4 将母线上所有负荷等值成为一个静态负荷 首先根据原始统计数据，计算出各类负荷占总负荷的比率，如表3 8 所示。 表3 8有功功率和无功功率成分计算 有功功率无功功率 负荷分类各成分占总有 无功功率大小( m v a r ) 各成分占总无 功负荷比例功负荷比例 工业负荷 5 1 2 t a n ( a r c o s 0 8 5 ) + 5 1 2 + 5 6 = 1 7 ，7 75 0 7 发电厂电动机 o