（电力系统及其自动化专业论文）负荷特性对静态电压稳定的影响.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电压失稳已成为电力系统安全运行的主要威胁之一。而在电压失稳的过程中负 荷特性扮演了十分重要的角色。因此深入的 研究负荷特性尤其是应用越来越广泛的 电 力电子负荷对电力系统静态电压稳定的影响十分必要的。 本论文利用多指标对北京电网的进行了静态电压稳定性分析，并利用分档赋值 法找出了电网的电压关键节点，关键母线和关键区域。同时估算负荷模型对节点有 功裕度的影响，为负荷测辨装置的安装位置提供参考。最后利用扰动发生装置测试 现代电力电子负荷特性与传统负荷特性，并建立相应的静态负荷模型，发现电 力电 子负荷将大大降低系统的电 压稳定性。 关键词:电压稳定，负荷特性，电力电子装置，分档赋值法 abstract t h e s e c u r e o p e r a t i o n o f t h e p o w e r n e t w o r k i s s e r i o u s l y t h r e a t e n e d b y v o l t a g e c o l l a p s e b e c a u s e l o a d c h a r a c t e r i s t i c s p l a y a n i m p o r t a n t r o le i n v o l t a g e c o l l a p s e , t h e l o a d c h a r a c t e r i s t i c s , e s p e c i a l l y , t h e p o w e r e l e c t r o n i c l o a d c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e i r e f f e c t s o n s t a t i c v o l t a g e s t a b i l i t y s h o u l d b e s t u d i e d i n t h i s p a p e t h e m u l t i p l e - i n d e x w e r e p r o p o s e d t o b e t h e a p p r a i s i n g i n d e x o f t h e s t a t i c v o l t a g e s t a b i l i t y , b a s e d o n w h i c h t h e g r a d e - w e i g h t e d me t h o d w e r e a p p l i e d o n t h e s e l e c t i o n o f k e y b u s e s , k e y l i n e s a n d k e y z o n e s o f b e ij i n e l e c t r i c a l n e t w o r k . i n o r d e r t o f i n d t h e b u s e s t o i n s t a l l t h e l o a d m o d e l s i d e n t i f i c a t i o n d e v i c e , t h e e f f e c t o f t h e s ta t i c l o a d c h a r a c t e r i s t i c s o n v o l t a g e s t a b i l i t y i s a l s o e v a l u a t e d . i n t h i s p a p e r t h e s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n v e n t i o n a l l o a d s a n d p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e l o a d s h a v e b e e n d e t e r mi n e d t h r o u g h me a s u r e me n t u s i n g t h e d e v e l o p e d i n t e r r u p t i o n g e n e r a t o r . s t a t i c v o lt a g e s t a b i l i t y s t u d i e s s h o w t h a t t h e p o w e r e l e c t r i c l o a d s c a n l o w e r t h e s y s t e m m a x im u m l o a d c a p a b i l i ty r e m a r k a b l e . l i u x u e y u a n ( e l e c t r i c p o w e r s y s t e m a n d a u t o ma t i o n ) d i r e c t e d b y a s s o c i a t e d p r o f we n j u n k e y wo r d s : v o l t a g e s t a b i l i t y , l o a d c h a r a c t e r i s t i c s , p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e , gr a d e - we i g h t e d me t h o d 华 北 电 力 大 学 硕 士 学 位 论 文y 7 1 3 1 5 7 声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 负荷特性对静态电压稳定的影响 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学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 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电 力大学有关保留、 使用学位论文的 规定， 即: 学校有权保管、 并向 有关部门送交学位论文的原件与复印 件; 学校可以 采用影印、 缩印或其它复制手 段复制并保存学位沦 文; 学校可允许学 位论文被查阅 或借阅; 学 校可以学术交流为 目 的 ， 复制赠送和交换学位论文; 同 意学校可以 用不同 方式在不同 媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 (涉密的学位沦 文在解 密后遵守 此规定 ) 作者签名: 导师签名: 日期: 日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪 论 论文课题的提出 随着科学技术的发展和电能需求量的日 益增长，电 力系统规模越来越庞大。一 方面以城市为中心的区域性用电 增长越来越快， 大电网负荷中 心的用电 容量越来越 大，长距离输电的情况日 益普遍，发、愉电设施使用的强度日 益接近其极限值。另 一方面并联电容无功补偿的增加，电力电子负荷和各种新型控制装置得到了广泛应 用。这些发展变化给电力系统的安全运 行带 来了 很多问 题，其中之一就是电压稳定 问题，即电压不稳定或崩溃引 起的电力系统局部负荷丧失，甚至是全网瓦解而导致 大面积停电。1 9 7 4 年的法国大停电事故， 己经充分暴露了系统电压失稳造成的严重 后果，1 9 4 3 年在瑞典、1 9 4 7 年在日 木东京也发生了 类似事故。2 0 0 3 年北美大停电 的事故扩大被认定为是动态无功调节不足引起的电压崩溃。 在我国也出 现过因为电 压失稳而导致系统崩溃的记录，如 1 9 7 3 年 了 月 1 2日大连地区电网因电压崩溃造成 大面积停电， 此外湖北与四川电网 在七十年代也都发生过电压崩溃事故。电压崩溃 的特点是事故的突发性和隐蔽性，运行人员在事故形成期间很难觉察，不能及时的 采取紧急控制，一旦电压崩溃就难以挽回， 往往需要数小时，乃至十几个小时才能 恢复供电， 造成巨大的经济损失和社会影响， 其严重的后果引起了人们广泛的重视， 电压失稳 己成为电力系统安全运行的主要威胁之一。因此加深对电压不稳定性现象 的理解和认识，具有特别重要的理论意义和实用价值。 在 电压失稳的过程中负荷特性扮演了十分重要的角色 ，尽管人们认识到 电压稳 定问 题的动态本质和动态负荷模型对电压崩溃的关键作用， 但是负荷的时 一 变性使得 建立能够全面精确反映复杂电网负荷特性的模型变得十分困难。从静态的角度来 看 ，正是负荷的静态电压特性、尤其是其低电压条件下的静态电压特性从根本上决 定了系统静态运行点的电压稳定行为。虽然静态负荷模型在分析电压稳定的过程中 存在这许多问题，但是它具有结构简单、物理意义明确的优点。如果我们能够在静 态负荷模型 的合理应用范围内得到其对电压稳定的影响并且个能够定量 的评价这 种影响的大小， 那么调度人员可以 根据某时刻负荷变化的具体情况和自身的经验来 断定系统电压稳定的程度，并采取适当的措施。因此深入的研究负荷特性对 电力系 统静态电压稳定的影响以及采取何种方式评估这种影响力的大小对深入 的理解静 态电压稳定问题是十分必要的。 电力电子技术近年来得到了 迅速发展，并在用电设备和配电 系统之中得到了普 遍的应用。如果配电系统中各级无功补偿都采用新型的快速动态补偿装置，则对综 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪 论 论文课题的提出 随着科学技术的发展和电能需求量的日 益增长，电 力系统规模越来越庞大。一 方面以城市为中心的区域性用电 增长越来越快， 大电网负荷中 心的用电 容量越来越 大，长距离输电的情况日 益普遍，发、愉电设施使用的强度日 益接近其极限值。另 一方面并联电容无功补偿的增加，电力电子负荷和各种新型控制装置得到了广泛应 用。这些发展变化给电力系统的安全运 行带 来了 很多问 题，其中之一就是电压稳定 问题，即电压不稳定或崩溃引 起的电力系统局部负荷丧失，甚至是全网瓦解而导致 大面积停电。1 9 7 4 年的法国大停电事故， 己经充分暴露了系统电压失稳造成的严重 后果，1 9 4 3 年在瑞典、1 9 4 7 年在日 木东京也发生了 类似事故。2 0 0 3 年北美大停电 的事故扩大被认定为是动态无功调节不足引起的电压崩溃。 在我国也出 现过因为电 压失稳而导致系统崩溃的记录，如 1 9 7 3 年 了 月 1 2日大连地区电网因电压崩溃造成 大面积停电， 此外湖北与四川电网 在七十年代也都发生过电压崩溃事故。电压崩溃 的特点是事故的突发性和隐蔽性，运行人员在事故形成期间很难觉察，不能及时的 采取紧急控制，一旦电压崩溃就难以挽回， 往往需要数小时，乃至十几个小时才能 恢复供电， 造成巨大的经济损失和社会影响， 其严重的后果引起了人们广泛的重视， 电压失稳 己成为电力系统安全运行的主要威胁之一。因此加深对电压不稳定性现象 的理解和认识，具有特别重要的理论意义和实用价值。 在 电压失稳的过程中负荷特性扮演了十分重要的角色 ，尽管人们认识到 电压稳 定问 题的动态本质和动态负荷模型对电压崩溃的关键作用， 但是负荷的时 一 变性使得 建立能够全面精确反映复杂电网负荷特性的模型变得十分困难。从静态的角度来 看 ，正是负荷的静态电压特性、尤其是其低电压条件下的静态电压特性从根本上决 定了系统静态运行点的电压稳定行为。虽然静态负荷模型在分析电压稳定的过程中 存在这许多问题，但是它具有结构简单、物理意义明确的优点。如果我们能够在静 态负荷模型 的合理应用范围内得到其对电压稳定的影响并且个能够定量 的评价这 种影响的大小， 那么调度人员可以 根据某时刻负荷变化的具体情况和自身的经验来 断定系统电压稳定的程度，并采取适当的措施。因此深入的研究负荷特性对 电力系 统静态电压稳定的影响以及采取何种方式评估这种影响力的大小对深入 的理解静 态电压稳定问题是十分必要的。 电力电子技术近年来得到了 迅速发展，并在用电设备和配电 系统之中得到了普 遍的应用。如果配电系统中各级无功补偿都采用新型的快速动态补偿装置，则对综 华北电力大学硕士学位论文 合负荷的端口动态特性将有很大的影响。如果逆变器型的装置广泛用于用电设备， 则用电设备的静态和动态特性也将发生根本的变化。 例如，电动机在广泛采用先进 的电力电 子技术后， 对系统来说则不再是普通电动机的动态特性，而是快速的电力 电 子装置的动态特性。此时系统的电压稳定性与传统负荷特性下的电压稳定性发生 什么样的变化是值得我们关注和研究的。 1 . 2 静态电 压稳定与负荷特性的国内 外研究现状 电力系统的稳定是指它能够运行于正常l行条件下的平衡状态，在遭到干扰后 能够恢复到 可以容许的平衡状态 1 1 。一个电力系统或者稳定或者不稳定。电力系 统不稳定可以分为功角稳定和电压稳定。 长期以 来，人们对功角稳定问题做了大量 的研究，却忽视了电压稳定问题的研究。电f稳定性研究目 前仍处于不成熟阶段， 至今尚 缺乏一套完整的理论和系统的分析方法， 甚至还没有一个公认的电压稳定性 的定义和分类方法。至于所提出的有关电压稳定性的数学模型，机理分析，判别方 法，稳定指标及对策措施等等，更存在着许多差异乃至分歧。 工 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 1 9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，并月 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 的预想事故或有害的系统变更后，系统维持电压稳定的能力。工 e e e 的定义主要是从 工程的概念上建立的。后来 c 工 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 2 1 ， 这套定义使人们更便于应用传统的数学方法进行分析。 此后在文献 ,3 中又 从物理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 需求超出了发、 输电系统的能力时负荷的动态反应;并认为 “ 崩溃”一词表示一种 突然的灾难性的转移，它比 通常考虑的电 压不稳定性演变得更快。 目 前电压稳定的分析方法可以分为两大类:基于潮流方程的静态分析方法和基 于微分方程的动态分析方法。动态分析法又可进一步分为小扰动分析法、暂态电压 稳定分析法和长期电压稳定分析法 【 6 1 . 在电力运行部门 急需系统电压稳定指标和电 压崩溃防御策略的 情况下，静态分 析因其简单易行，得到了极大的发展，是 目前电压稳定研究工作中最具成果的方 向 之一。电力系统的静态电 压稳定研究主要集中在评估当前运行状态下的电压稳定指 标 、控制手段的效果、系统薄弱环节和危及系统安全的故障、拟定提高系 统电压稳 定裕度的预防校正控制策略、求取在给定系统变化模式下的极限状态 以及 当前点与 最近电压崩溃的距离等。具体可以归为三个主耍方面:电压稳定安全指标的计算方 华北电力大学硕士学位论文 合负荷的端口动态特性将有很大的影响。如果逆变器型的装置广泛用于用电设备， 则用电设备的静态和动态特性也将发生根本的变化。 例如，电动机在广泛采用先进 的电力电 子技术后， 对系统来说则不再是普通电动机的动态特性，而是快速的电力 电 子装置的动态特性。此时系统的电压稳定性与传统负荷特性下的电压稳定性发生 什么样的变化是值得我们关注和研究的。 1 . 2 静态电 压稳定与负荷特性的国内 外研究现状 电力系统的稳定是指它能够运行于正常l行条件下的平衡状态，在遭到干扰后 能够恢复到 可以容许的平衡状态 1 1 。一个电力系统或者稳定或者不稳定。电力系 统不稳定可以分为功角稳定和电压稳定。 长期以 来，人们对功角稳定问题做了大量 的研究，却忽视了电压稳定问题的研究。电f稳定性研究目 前仍处于不成熟阶段， 至今尚 缺乏一套完整的理论和系统的分析方法， 甚至还没有一个公认的电压稳定性 的定义和分类方法。至于所提出的有关电压稳定性的数学模型，机理分析，判别方 法，稳定指标及对策措施等等，更存在着许多差异乃至分歧。 工 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 1 9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，并月 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 的预想事故或有害的系统变更后，系统维持电压稳定的能力。工 e e e 的定义主要是从 工程的概念上建立的。后来 c 工 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 2 1 ， 这套定义使人们更便于应用传统的数学方法进行分析。 此后在文献 ,3 中又 从物理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 需求超出了发、 输电系统的能力时负荷的动态反应;并认为 “ 崩溃”一词表示一种 突然的灾难性的转移，它比 通常考虑的电 压不稳定性演变得更快。 目 前电压稳定的分析方法可以分为两大类:基于潮流方程的静态分析方法和基 于微分方程的动态分析方法。动态分析法又可进一步分为小扰动分析法、暂态电压 稳定分析法和长期电压稳定分析法 【 6 1 . 在电力运行部门 急需系统电压稳定指标和电 压崩溃防御策略的 情况下，静态分 析因其简单易行，得到了极大的发展，是 目前电压稳定研究工作中最具成果的方 向 之一。电力系统的静态电 压稳定研究主要集中在评估当前运行状态下的电压稳定指 标 、控制手段的效果、系统薄弱环节和危及系统安全的故障、拟定提高系 统电压稳 定裕度的预防校正控制策略、求取在给定系统变化模式下的极限状态 以及 当前点与 最近电压崩溃的距离等。具体可以归为三个主耍方面:电压稳定安全指标的计算方 华北电力大学硕士学位论文 法，电压稳定控制的评估，电压稳定的故障选择和筛选方法 。 负荷特性对系统的静态电压稳定性有着极其重要的影响， 而这一方面的讨论尤 其是定量的评价一直是静态电压稳定研究中的薄弱环节。而适用于大型电网的评价 方案也是少有研究。在文献 7 中讨论了负 荷在低电压下运行时的特性对系统电压 稳定结果的影响，以及此时系统电压稳定、电压崩溃以 及负荷失稳等问题之间的联 系和区别。而文献 8 则从 u 一 工曲线的角度定性的分析了负荷配比对静态 电压稳定 性的影响。文献 9 则在提出了 考虑了低压负荷 特性的情况下静态电压稳定判据。 但是应当指出，考虑负荷动态特性是正确研究电 压稳定的基本方向，在电压稳 定分析中更需要精确的动态负荷模型， 而不是简单的挣态负荷模型 i 0 , 1 1 a 本论文的工作 本文1 : 作分为两部分:一为北京电网电压安全稳定分析。该部分工作 目的为找 到一种简洁、 快速、 有效的静态电压安全稳定评价方法， 以 便利用该方法基于 s c a n d 数据对北京电网进行准实时的电压稳定评估 。同时对负荷特性发生变动时电网整体 和局部有功裕度的变化情况进行 了计算，希望计算的结果可以大致估计负荷特性对 电网电压稳定的影响，以便利用该结果选择安装负荷测辨装置的位置。二为现代电 力电子负荷设备对电压稳定影响初探。该部分工作希望能初步建立起现代电力电子 负荷的静态模型并在此基础上初步分析其对电压稳定的 影响。具体工作如下: 1 、北京电网 2 2 0 k v 及 5 5 0 k v主干网的原始数据的收集、 整理与校验。运 用中国电 科院开发的中国版b p a程 序， 进行了北京电网2 2 0 k v 及 5 5 0 k v 主千 网的潮流计算。根据潮流计算结果，对 北京电网的静态电压稳定 性进行了分析。具体包括:有功裕度 、无功裕度、节点灵敏度等指标 的计算，p -v曲线的绘制等。 2 、把多种电压稳定的分析结果进行综合，找出了电网的电压关键节点， 关键母线和关键区域 。 3 、变换不同的 z i p 模型，计算此时电 网的整体有功裕度。 4 、分别计算在恒电流、恒阻抗模型下节点的 有功裕度并估算负荷模型对 节点有功裕度的影响。 5 、利用扰动发生装置测试现代电力电 子负荷特性与传统负荷特性，并建 立相应的静态负荷模型。 6 、利用所得到负荷建模分别在简单 电力系统和北京电网中进行 电压稳定 分析。 华北电力大学硕士学位论文 法，电压稳定控制的评估，电压稳定的故障选择和筛选方法 。 负荷特性对系统的静态电压稳定性有着极其重要的影响， 而这一方面的讨论尤 其是定量的评价一直是静态电压稳定研究中的薄弱环节。而适用于大型电网的评价 方案也是少有研究。在文献 7 中讨论了负 荷在低电压下运行时的特性对系统电压 稳定结果的影响，以及此时系统电压稳定、电压崩溃以 及负荷失稳等问题之间的联 系和区别。而文献 8 则从 u 一 工曲线的角度定性的分析了负荷配比对静态 电压稳定 性的影响。文献 9 则在提出了 考虑了低压负荷 特性的情况下静态电压稳定判据。 但是应当指出，考虑负荷动态特性是正确研究电 压稳定的基本方向，在电压稳 定分析中更需要精确的动态负荷模型， 而不是简单的挣态负荷模型 i 0 , 1 1 a 本论文的工作 本文1 : 作分为两部分:一为北京电网电压安全稳定分析。该部分工作 目的为找 到一种简洁、 快速、 有效的静态电压安全稳定评价方法， 以 便利用该方法基于 s c a n d 数据对北京电网进行准实时的电压稳定评估 。同时对负荷特性发生变动时电网整体 和局部有功裕度的变化情况进行 了计算，希望计算的结果可以大致估计负荷特性对 电网电压稳定的影响，以便利用该结果选择安装负荷测辨装置的位置。二为现代电 力电子负荷设备对电压稳定影响初探。该部分工作希望能初步建立起现代电力电子 负荷的静态模型并在此基础上初步分析其对电压稳定的 影响。具体工作如下: 1 、北京电网 2 2 0 k v 及 5 5 0 k v主干网的原始数据的收集、 整理与校验。运 用中国电 科院开发的中国版b p a程 序， 进行了北京电网2 2 0 k v 及 5 5 0 k v 主千 网的潮流计算。根据潮流计算结果，对 北京电网的静态电压稳定 性进行了分析。具体包括:有功裕度 、无功裕度、节点灵敏度等指标 的计算，p -v曲线的绘制等。 2 、把多种电压稳定的分析结果进行综合，找出了电网的电压关键节点， 关键母线和关键区域 。 3 、变换不同的 z i p 模型，计算此时电 网的整体有功裕度。 4 、分别计算在恒电流、恒阻抗模型下节点的 有功裕度并估算负荷模型对 节点有功裕度的影响。 5 、利用扰动发生装置测试现代电力电 子负荷特性与传统负荷特性，并建 立相应的静态负荷模型。 6 、利用所得到负荷建模分别在简单 电力系统和北京电网中进行 电压稳定 分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电压稳定分析与负荷静态特性 2 . 1 电 压失稳的分类 目 前的电压稳定性研究采用了按照时间框架进行分类的办法， 对于时间框架下 的稳定性问 题， 用不同的机理予以 解释， 采用不同的数学模型加以研究，采取不同 的控制和补偿措施来改善系统的稳定性。 电压失稳和电压崩溃的动态过程历时从小于 i s到数十分钟， 应用时间响应图 可以 描述电力系统的动态现象。图2 - 1 表示出 影响电 压稳定性的多种系统元件和控 制装置。 但是对于系统发生的特定事件或者情景， 只有某些元件和控制起作用。系 统的特性和扰动的类型决定系统所发生现象的本质。 暂态论定性 经典德定性 长期攘定性 发电机励动态变压备有载调压分接开关 原动机控制魂控负荷特性 a p 14 a # 1 4 0 机械开合电容餐 朴止 无 功升 偿 转幼恨性动志 笼流钧电 最大励姗极限 线路过负荷 自动谓铁发电机出力 锅炉动态 a 流换流a分 接头换接器 i mi n 运行人员午预 嫩气轮机 i o mi n l e 的 l o o t ， 0 图2 - 1电力系统电压稳定性的三种时间框架 按照图2 - 1 y可以将电压稳定性分为以一 几类: 1 ,暂态甩 压稳定:时间 跨度在 0 -1 0 s ， 也就是暂态功角稳定的时间跨度。 2 、经典电压稳定:它涉及有载调压变压器分接头的切换，配电电压调整和 发电机定子 、转子电流的限制，时间跨度为 1 -5 m i n o 3 、长期电压稳定:时间跨度 由几分钟到儿十分钟的稳定问题。长期电压稳 定也称为静态电压稳定，原因是这种稳定问题的发生机理具有静态稳定 华北电力大学硕士学位论文 第二章电压稳定分析与负荷静态特性 2 . 1 电 压失稳的分类 目 前的电压稳定性研究采用了按照时间框架进行分类的办法， 对于时间框架下 的稳定性问 题， 用不同的机理予以 解释， 采用不同的数学模型加以研究，采取不同 的控制和补偿措施来改善系统的稳定性。 电压失稳和电压崩溃的动态过程历时从小于 i s到数十分钟， 应用时间响应图 可以 描述电力系统的动态现象。图2 - 1 表示出 影响电 压稳定性的多种系统元件和控 制装置。 但是对于系统发生的特定事件或者情景， 只有某些元件和控制起作用。系 统的特性和扰动的类型决定系统所发生现象的本质。 暂态论定性 经典德定性 长期攘定性 发电机励动态变压备有载调压分接开关 原动机控制魂控负荷特性 a p 14 a # 1 4 0 机械开合电容餐 朴止 无 功升 偿 转幼恨性动志 笼流钧电 最大励姗极限 线路过负荷 自动谓铁发电机出力 锅炉动态 a 流换流a分 接头换接器 i mi n 运行人员午预 嫩气轮机 i o mi n l e 的 l o o t ， 0 图2 - 1电力系统电压稳定性的三种时间框架 按照图2 - 1 y可以将电压稳定性分为以一 几类: 1 ,暂态甩 压稳定:时间 跨度在 0 -1 0 s ， 也就是暂态功角稳定的时间跨度。 2 、经典电压稳定:它涉及有载调压变压器分接头的切换，配电电压调整和 发电机定子 、转子电流的限制，时间跨度为 1 -5 m i n o 3 、长期电压稳定:时间跨度 由几分钟到儿十分钟的稳定问题。长期电压稳 定也称为静态电压稳定，原因是这种稳定问题的发生机理具有静态稳定 华北电力大学硕士学位论文 的特征， 从而其稳定性判别可以转换为判断系统静态运行点的属性问 题。 发生在世界各地的电网电压崩溃事故多属于长期电压稳定性事故，其特点是: 1 、系统不存在严重故障， 失稳的原因是由于负荷增长或系统负荷转移所致。 2 、系统经历波动过程的时间跨度大，如 1 9 8 7 年发生在日本东京的事故中， 从全系统电压不可抑制下 降到系统崩溃，整个过程持续 了 3 0分钟。 3 、系统在电压波动过程中，直到系统崩溃，全然没有即将发生功角稳定的 迹象。 4 、系统的申 压失稳一般发生于重负荷节点或线路上，继而波及到全网。 2 . 2 电 压稳定的静态分析方法 静态分析方法大多都基于电 压稳定机理的某种认识，即把网络传输极限功率时 的系统运行状态当 作静态电压稳定极限状态， 以系统稳态潮流方程进行分析。 目 前， 静态分析方法主要有灵敏度分析法、 潮流多 解法、奇异值分解法、最大功率法等。 2 . 2 . 1 灵敏度分析法 灵敏度法是最早用于电 压稳定研究的方法之一，它通过计算在某种扰动下系统 变量 对扰动的 灵敏 度来判别 系统的 稳定 性。目 前常 见的 灵敏 度判据有d t; i d e g , d v , / d q ,低/ 呱、 d a q 1 d v , 等 ， 其 中 价 、 。 : 和 凡 、 乌 分 别 为 负 荷 节 点 、 无 功 源节 点的电 压 和无 功 功率 注入 量，d q 为电 pia 输送 给负 荷 节点 的 无功功 率与负 荷无 功需求之差。在简单系统中，各类灵敏度判据是等价的，_且能准确反映系统输送功 率的极限能力，但在推广到复杂系统以 后，则彼此不再保持一致，也不一定能准确 反映系统的极限输送能力。 2 . 2 . 2 潮流多解法 日 本的科研人员 发现潮流解都是成对出 现的， 随着系统负荷的不断加重，其对 数越来越少， 最后只剩下一对潮流解，其中一个为正常的高压解，另一个为低压解， 当系统所能传输的功率达到极限时， 这对潮流解融合为一个解， 此位w对应于p - v 曲线的鼻点。该处的 潮流方程雅克比 矩阵奇异，系统电1 =e 临界稳定。 对于电压稳定问题来说，潮流多解研究的意义在于用重负荷下邻近解关于临界 点对称的结论为近似计算系统的 极限运行状态提供了一个简单的方法，间接的克服 了潮流雅克比矩阵奇异带来的收敛困难 ，而且己经用于实际系统的电压稳定监测。 华北电力大学硕士学位论文 的特征， 从而其稳定性判别可以转换为判断系统静态运行点的属性问 题。 发生在世界各地的电网电压崩溃事故多属于长期电压稳定性事故，其特点是: 1 、系统不存在严重故障， 失稳的原因是由于负荷增长或系统负荷转移所致。 2 、系统经历波动过程的时间跨度大，如 1 9 8 7 年发生在日本东京的事故中， 从全系统电压不可抑制下 降到系统崩溃，整个过程持续 了 3 0分钟。 3 、系统在电压波动过程中，直到系统崩溃，全然没有即将发生功角稳定的 迹象。 4 、系统的申 压失稳一般发生于重负荷节点或线路上，继而波及到全网。 2 . 2 电 压稳定的静态分析方法 静态分析方法大多都基于电 压稳定机理的某种认识，即把网络传输极限功率时 的系统运行状态当 作静态电压稳定极限状态， 以系统稳态潮流方程进行分析。 目 前， 静态分析方法主要有灵敏度分析法、 潮流多 解法、奇异值分解法、最大功率法等。 2 . 2 . 1 灵敏度分析法 灵敏度法是最早用于电 压稳定研究的方法之一，它通过计算在某种扰动下系统 变量 对扰动的 灵敏 度来判别 系统的 稳定 性。目 前常 见的 灵敏 度判据有d t; i d e g , d v , / d q ,低/ 呱、 d a q 1 d v , 等 ， 其 中 价 、 。 : 和 凡 、 乌 分 别 为 负 荷 节 点 、 无 功 源节 点的电 压 和无 功 功率 注入 量，d q 为电 pia 输送 给负 荷 节点 的 无功功 率与负 荷无 功需求之差。在简单系统中，各类灵敏度判据是等价的，_且能准确反映系统输送功 率的极限能力，但在推广到复杂系统以 后，则彼此不再保持一致，也不一定能准确 反映系统的极限输送能力。 2 . 2 . 2 潮流多解法 日 本的科研人员 发现潮流解都是成对出 现的， 随着系统负荷的不断加重，其对 数越来越少， 最后只剩下一对潮流解，其中一个为正常的高压解，另一个为低压解， 当系统所能传输的功率达到极限时， 这对潮流解融合为一个解， 此位w对应于p - v 曲线的鼻点。该处的 潮流方程雅克比 矩阵奇异，系统电1 =e 临界稳定。 对于电压稳定问题来说，潮流多解研究的意义在于用重负荷下邻近解关于临界 点对称的结论为近似计算系统的 极限运行状态提供了一个简单的方法，间接的克服 了潮流雅克比矩阵奇异带来的收敛困难 ，而且己经用于实际系统的电压稳定监测。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2 . 3 最大功率法 最大功率法认为负荷的需求超过网 络的输送极限时，会导致电压失去稳定，这 种方法常以 节点有功功率或者无功功最大为判据。由 于电力系统实际运行时的负荷 增长方向大致可以预测，因而运行部门非常想确切知道当负荷沿着某方向增长时所 能传输的功率极限。但利用普通潮流方程来求取临界点非常困 难，其原因在于潮流 雅克比矩阵在临界点处的奇异，这将导致临界点及其附 近的潮流计算不能收敛。为 了解决这一问题， 当前方法主要有负荷导纳模型法、 连续潮流法以及非线性规划法。 下面介绍其中的一种方法一一 涟 续潮流法。连续潮流法是求取非线性方程组约 束下某一变量对某一参数的变化曲线的经典方法，有参数化策略、预测、校正和步 长控制策略四个基本环节。 其基本思想是逐步增加或者减小系统参数，并计算此时 变量的值，当方程的 雅克比 矩阵接近奇异时，再采用特殊的参数化策略改变系统参 数，克服奇异性，最终求得所需的关系曲线。在电 压稳定研究中，连续法通常用来 求取大家所熟知的p - v曲 线，这时也被称为连续潮流法。 2 . 2 . 4 特征值或奇异值法 电压稳定临界点，从物理角度讲是系统节点达到最大功率极限，此时雅克比 矩 阵奇异， 雅克比矩阵至少有一个特征值为零。因此可通过潮流方程雅克比 知阵中绝 对值最小的特征特征值来判断电力系统的稳定裕度。但是现有的计算矩阵特征值的 算法的计算量比较大，影响了此方法的实用性。 为了 克服这一弱点，提出了奇异值法。奇异值法的基本思想是:对于某个矩阵 x二 r -， 必 然存在 正交 矩阵u e r - 和v e r x n 使得 护x v = d ia g ( u ,.,. ., a t, )( 2 - z ) 其 中 p = m i n ( m , 。 ) ， (7 ,( i 一 1 ,., 川 称 为 矩 阵 x 的 奇 异 值 。 可 以 证 明 对 于 任 意 一 个方阵，若其有零特征值，则此特征值和零奇异值是对应的。 2 . 2 . 5 模式分析法 特征值、 奇异值、模式分析法的关系比 较密切，它们都通过分析潮流雅克比矩 阵，达到揭示系统某些状态的目的。 模式分析法是假设了某种功率增长方向的基础 土，利用最小特征值对应的特征向量、计算出各个节点参与最危险模式的程度，可 以 辨识出关键支路、关键发电 机、关键节点 等， 也可对系统节点按关联强弱进行分 区。这对于系 统运行监测、确定 无功补偿位置、 提高电 压稳定性的策略等都具有一 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2 . 3 最大功率法 最大功率法认为负荷的需求超过网 络的输送极限时，会导致电压失去稳定，这 种方法常以 节点有功功率或者无功功最大为判据。由 于电力系统实际运行时的负荷 增长方向大致可以预测，因而运行部门非常想确切知道当负荷沿着某方向增长时所 能传输的功率极限。但利用普通潮流方程来求取临界点非常困 难，其原因在于潮流 雅克比矩阵在临界点处的奇异，这将导致临界点及其附 近的潮流计算不能收敛。为 了解决这一问题， 当前方法主要有负荷导纳模型法、 连续潮流法以及非线性规划法。 下面介绍其中的一种方法一一 涟 续潮流法。连续潮流法是求取非线性方程组约 束下某一变量对某一参数的变化曲线的经典方法，有参数化策略、预测、校正和步 长控制策略四个基本环节。 其基本思想是逐步增加或者减小系统参数，并计算此时 变量的值，当方程的 雅克比 矩阵接近奇异时，再采用特殊的参数化策略改变系统参 数，克服奇异性，最终求得所需的关系曲线。在电 压稳定研究中，连续法通常用来 求取大家所熟知的p - v曲 线，这时也被称为连续潮流法。 2 . 2 . 4 特征值或奇异值法 电压稳定临界点，从物理角度讲是系统节点达到最大功率极限，此时雅克比 矩 阵奇异， 雅克比矩阵至少有一个特征值为零。因此可通过潮流方程雅克比 知阵中绝 对值最小的特征特征值来判断电力系统的稳定裕度。但是现有的计算矩阵特征值的 算法的计算量比较大，影响了此方法的实用性。 为了 克服这一弱点，提出了奇异值法。奇异值法的基本思想是:对于某个矩阵 x二 r -， 必 然存在 正交 矩阵u e r - 和v e r x n 使得 护x v = d ia g ( u ,.,. ., a t, )( 2 - z ) 其 中 p = m i n ( m , 。 ) ， (7 ,( i 一 1 ,., 川 称 为 矩 阵 x 的 奇 异 值 。 可 以 证 明 对 于 任 意 一 个方阵，若其有零特征值，则此特征值和零奇异值是对应的。 2 . 2 . 5 模式分析法 特征值、 奇异值、模式分析法的关系比 较密切，它们都通过分析潮流雅克比矩 阵，达到揭示系统某些状态的目的。 模式分析法是假设了某种功率增长方向的基础 土，利用最小特征值对应的特征向量、计算出各个节点参与最危险模式的程度，可 以 辨识出关键支路、关键发电 机、关键节点 等， 也可对系统节点按关联强弱进行分 区。这对于系 统运行监测、确定 无功补偿位置、 提高电 压稳定性的策略等都具有一 华北电 力大学硕士学位论文 定的意义。 2 . 3电力负荷模型的 定义与分类 负荷模型是指描述负 荷端口的功率或电 流，随着其端口电压和频率变化特性的 数学方程和相应的参数。负荷特性包括两部分:电 压特性和频率特性。本论文的讨 论主要集中 在电压特性方面， 此时假定系统的频率保持在5 0 n z 恒定值。 负荷模型分为静态模型和动态模型两大类。静态模型适用于相对缓慢的过程， 精确而言指对于给定的负荷水平，在负荷端口保持不同电压和频率的各种稳态情况 下，负荷功率或电流与电 压、频率的 关系。动态模型则要反映电压频率变化引 起负 荷功率变化的全过程。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，每一类都有多种结构。 基本的静态负荷模型的结构为幕函数模型、多项式模型。 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，以及将感应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。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。 负荷模型的选择与所研究的问题密切相关，本文所涉及的负荷模型主要用于电 压稳定分析。 2 . 4 静态电 压稳定分析中的常用负荷模型及其评价 静态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，在电力系 统动态仿真中，静态负荷模型一般适用于电压扰动不太复杂，_且 扰动幅度不太大的 长过程分析中。本文中还不计频率的影响，所以只考虑 p - v 和 q -v特性 。 ( 1 ) 传统指数模型: ， 一 。 t )a4 。 二 。 ( ,)h ( 2 - 2 ) ( 2 一:3 ) 下标为0 的量为初始运行条件时相关变量的值。当指数 a , b 等于 0 . 1 , 2 时 华北电 力大学硕士学位论文 定的意义。 2 . 3电力负荷模型的 定义与分类 负荷模型是指描述负 荷端口的功率或电 流，随着其端口电压和频率变化特性的 数学方程和相应的参数。负荷特性包括两部分:电 压特性和频率特性。本论文的讨 论主要集中 在电压特性方面， 此时假定系统的频率保持在5 0 n z 恒定值。 负荷模型分为静态模型和动态模型两大类。静态模型适用于相对缓慢的过程， 精确而言指对于给定的负荷水平，在负荷端口保持不同电压和频率的各种稳态情况 下，负荷功率或电流与电 压、频率的 关系。动态模型则要反映电压频率变化引 起负 荷功率变化的全过程。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，每一类都有多种结构。 基本的静态负荷模型的结构为幕函数模型、多项式模型。 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，以及将感应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。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。 负荷模型的选择与所研究的问题密切相关，本文所涉及的负荷模型主要用于电 压稳定分析。 2 . 4 静态电 压稳定分析中的常用负荷模型及其评价 静态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，在电力系 统动态仿真中，静态负荷模型一般适用于电压扰动不太复杂，_且 扰动幅度不太大的 长过程分析中。本文中还不计频率的影响，所以只考虑 p - v 和 q -v特性 。 ( 1 ) 传统指数模型: ， 一 。 t )a4 。 二 。 ( ,)h ( 2 - 2 ) ( 2 一:3 ) 下标为0 的量为初始运行条件时相关变量的值。当指数 a , b 等于 0 . 1 , 2 时 华北电 力大学硕士学位论文 定的意义。 2 . 3电力负荷模型的 定义与分类 负荷模型是指描述负 荷端口的功率或电 流，随着其端口电压和频率变化特性的 数学方程和相应的参数。负荷特性包括两部分:电 压特性和频率特性。本论文的讨 论主要集中 在电压特性方面， 此时假定系统的频率保持在5 0 n z 恒定值。 负荷模型分为静态模型和动态模型两大类。静态模型适用于相对缓慢的过程， 精确而言指对于给定的负荷水平，在负荷端口保持不同电压和频率的各种稳态情况 下，负荷功率或电流与电 压、频率的 关系。动态模型则要反映电压频率变化引 起负 荷功率变化的全过程。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，每一类都有多种结构。 基本的静态负荷模型的结构为幕函数模型、多项式模型。 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，以及将感应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，