（电力系统及其自动化专业论文）影响电压稳定的几种负荷元件的实验研究.pdf

华北电力大学硕士论文 摘要 近几十年来，世界范围内发生了一系列因为电压问题引起的大范围停电 事故，其发生的机理比较复杂，至今电力系统的工程师们还不能在理论上和 工程上得出一致的结论。在影响中长期电压稳定的诸多因素中，负荷特性是 最活跃、最关键和最直接的因素，它从很大程度上决定了电压失稳和电压崩 溃的进程。 本文利用动态模拟电压崩溃实验，做了大量人们比较关注的单机电压崩 溃研究。以实验结果为基石，研究了有载调压变压器( o l t c ) 的群体动作及其 使得负荷整体变化呈现一致性的特点。同时本文并对实验中有载调压变压 器的设计进行理论与实践介绍，对空调负荷的实验与建摸迸行研究。 关键词：电压崩溃负荷特性o l t c 空调负荷负荷建摸 a b s t r a c t d u r i n gt h el a s td e c a d e s ，as e r i e so fb l a c k o u t sr e l a t i n gt ot h ev o l t a g ep r o b l e m h a v eh a p p e n e di nt h ew h o l ew o r l d a m o n gm a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt h em i d - l o n g t e r mv o l t a g es t a b i l i t y , l o a dc h a r a c t e r i s t i ci st h em o s ta c t i v ea n dd i r e c to n e i t d e t e r m i n e st h ep r o c e s so ft h ev o l t a g es m b h i t ya n dt h ev o l t a g ec o l l a p s et oag r e a t e x t e n t b a s e do nt h el a b o r a t o r yt e s t ，m a n yr e s e a r c h e sa b o u tv o l t a g ec o l l a p s e s i m u l a t i o ni nw h i c hp e o p l ea r ei n t e r e s t e dh a v eb e e nd o n e b yt h er e s u l t so ft h e t e s t ，w ca n a l y z eo l t c sa n di t sc h a r a c t e r i s t i co fm a k i n gl o a d sc h a n g ei na c o n s i s t e n tw a y ，f o rs t u d y i n gt h em e c h a n i s mo fv o l t a g ec o l l a p s e t h ed e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fac o n t r o ls y s t e mf o ro n - l o a dt a pc h a n g i n gt r a n s f o r m e r s ，w h i c hi s u s e di nt h ee x p e r i m e n tf o rr e s e a r c h i n gt h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t y ，i si n t r o d u c e di nt h e p a p e r t h em r - c o n d i t i o n e ri sa l s or e s e a r c h e dc a r e f u l l yi n t h et h e s i sb a s e do nt h e l a b o r a t o r yt e s t i n g t h ea i r - c o n d i t i o n e rl o a dm o d e li sa l s ob u i l ti nt h i st h e s i s ， k e yw o r d s ：v o l t a g ec o l l a p s e ，d y n a m i cs i m u l a t i o nt e s t , m i d l o n gt e r mv o l t a g e s t a b i l i t y , l o a dc h a r a c t e r i s t i c ，o l t c ，a i r - c o n d i t i o n e r l o a d 华北电力大学硕士论文 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文影响电压稳定的几种负荷元件 的实验研究，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论文；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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签 日 导师签名： 日期： 弛乏 ：l 一、- ， 华北电力大学硕士论文 1 1 论文提出的意义 第一章绪论 电力系统稳定性问题是电力工作者极为重视的研究问题，特别受到理 论研究者的青睐。三十年代，前苏联便有学者提出电压稳定的概念，但以前， 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于功角稳定性方面，而系统稳 定性也就成了功角稳定性的代名词。 电压稳定问题的出现是与近年来电力系统发展的趋势紧密相关的。近 年来，随着科学技术的进步，为满足日益增长的电能需求，电力系统得发展 出现了许多新变化，例如，电网电压等级的升高、电力系统的大区互联、大 容量发电机组的普遍应用，远离负荷中心的水电厂、核电厂的出现，负荷容 量的集中，直流输电和新型电力电子控制装置的应用等。这些新变化对合理 利用能源，提高经济效益和保护环境都有重要意义，但受环境和建设成本的 限制，电网结构相对薄弱，发电设备储备量较少，系统经常运行在重负荷条 件下，同时电力市场制度实施之后，电网的运行状态发生了很大的变化，这 些都给电力系统得安全带来了隐患，其中包括电压不稳定或电压崩溃引起的 局部丢失负荷或大面积停电。我国虽没有发生过大范围的恶性电压崩溃事 故，但电压失稳引起的局部停电事故却时有发生，例如1 9 7 2 年7 月2 7 日湖 北电网、1 9 7 3 年7 月1 2 号大连电网等。我国正处于经济快速发展的时期， 电力系统早已进入大电网、超高压、大机组、远距离的时代，但由于目前的 经济发展速度远远超出了国家在1 9 9 7 年亚洲金融危机时的预期，导致今 天乃至今后若干年内出现全国大范围内电力建设落后于经济发展水平的局 面，电力系统运行在接近电网极限输送能力状态的几率大大增加，从较大程 度上存在着发生电压稳定事故的威胁。因此，在目前形势下，借鉴国外恶性 电压崩溃事故和我国以往局部电压失稳的经验和教训，研究电压崩溃发生的 机理、电压稳定的预防( 紧急) 校正控制措施，对于避免电压崩溃事故的发生， 具有特别重要的意义。 同时，当今经济快速发展，人民的生活水平普遍大大改善，电网负荷水 平和负荷结构也随之发生了许多变化，尤其以空调类的负荷增长最为迅速。 空调负荷的本身原理决定了其对电网的安全会带来影响。1 9 8 7 年日本东京 曾发生过一次电压崩溃事故，此次事故给社会经济造成了巨大损失。经分析 华北电力大学硕士论文 认为，空调类负荷在事故中起很大的负面影响。随着科技的发展，空调制造 业也在发展，现代空调对电压稳定的影响如何? 空调负荷对电压稳定到底有 什么样的影响? 为了对空调负荷的认识，本文在空调特性调查，实验的基础 上，对空调负荷的特性及其负荷建模做了阐述。 1 2 电压稳定的定义及分类 国际电工与电子工程师协会( i e e e ) 电压稳定工作小组在1 9 9 0 年的报告 中提出，如果系统能维持电压以确保负荷导纳增加时，负荷消耗的功率也增 加，并且功率和电压都是可控的，就称电压稳定，反之就称电压不稳定。 c i g r et 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：它对应于线 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性的，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。 我国在2 0 0 1 年出版的电力系统安全稳定导则中，参照了c i g r e 在1 9 9 3 年的定义，并结合最新的研究成果，将电压稳定定义为电力系统受到小的或 大的扰动后，系统电压保持或恢复到允许的范围内，不发生电压崩溃的能力， 并将电压失稳按表现分为静态小扰动失稳、暂态大扰动失稳、大扰动动态失 稳、长过程失稳。 i e e e c i g r e 联合工作组结合最新的研究成果，并考虑到电力工业界 的实际需求，于2 0 0 3 年重新对电力系统稳定等问题进行了定义，文中指出， 电压稳定是指系统经受扰动后所有节点保持稳定的电压的能力，同时电压稳 定可以按照扰动大小和时间框架分别进行划分。按扰动大小分，电压稳定可 以分为小扰动电月、稳定和大扰动电压稳定，其中，小扰动指的是诸如负荷 的缓慢增长之类的扰动，大扰动指的是诸如系统事故、发电机被迫切除之类 的扰动：按时间框架分，电压稳定可以分为短期电压稳定和长期电压稳定， 2 华北电力大学硕士论文 短期电压稳定的研究对象主要是感应电动机、高压直流输电( h v d c ) 变流器 等，时间范围一般在几秒以内，长期电压稳定的研究对象主要是变压器分接 头调节、发电机励磁限流器等，时间范围一般在几分钟到几十分钟之间。 1 3 国内外研究现状及展望 电压稳定研究的内容主要包括以下三个方面：电压崩溃的机理探讨、电 压稳定的安全指标计算和电压崩溃预防( 紧急) 校正控制措旌探讨。 电压稳定作为电力系统稳定的一个重要部分，其内容和研究方法大大丰 富了电力系统稳定的内涵。电压稳定研究的历史已有二十多年，成果不断涌 现，下面着重对本文研究的两个重点方向的现状进行如下描述： i 3 1 电压崩溃的机理探讨 电压崩溃的机理探讨的目的是弄清楚主导电压崩溃发生发展的物理 本质，这是接个电压稳定研究的基础。 在最初的研究中，电压稳定被认为是一个静态问题，人们主要从静态 观点来研究电压崩溃的机理，提出了基于潮流方程或扩展潮流方程的分析方 法。此后，人们逐渐看清电压稳定的动态本质，认识到如负荷、有载调压变 压器( o l t c ) ，无功补偿设备、交流一直流( a c d c ) 转换设备和发电机及其励磁 控制系统的动态特性在电压崩溃的发生发展过程中起了关键作用，开始用动 态观点来探讨电压崩溃的机理，提出了基于代数一微分方程的研究方法。 尽管电压稳定的动态本质已被公认，但人们对电压崩溃机理的认识仍未 完全统一。有不少学者提出多种物理解释方法，下面对几种主流的解释进行 阐述： 1 p - v 曲线解释。在简单系统内，当负荷功率因素不变时，负荷节点的 有功功率和电压幅值的关系曲线就是p v 曲线。对于给定符合功率，存在电 压水平不同的两个解，曲线分为上下两个分支。在下半支运行时，如果升高 电源端电压，反而会使负荷节点电压下降，即电压控制失去因果性。当负荷 加重时，运行点不断向极限点靠近，最后达到极限，如果负荷继续加重，将 发生分歧，导致电压崩溃。 2 无功功率解释。在电力系统中电压水平的高低主要受无功功率的影 响，这自然使人们把电压崩溃与某种形式的无功不平衡联系起来，许多文献 中把电压失稳归因于系统不能满足无功功率需求的增加。这类观点典型的代 表是：当某一节点无功功率对该点电压的导数小于0 时，该节点是电压稳定 3 华北电力大学硕士论文 的；大于0 时则是电压不稳定的，等于0 的状态对应于静态电压稳定的临界 点。另外还有一种观点时：当负荷节点电压下降时，该节点从电网吸收的无 功功率反而增加，无功功率在电网中的远距离传输导致电压进一步下降，形 成恶性循环，导致电压崩溃。 3 有载调压变压器的负调压作用。在正常情况下，有载调压变压器增大 变比，将使副边电压上升，但是，但负荷特别重时，有载调压变压器增大变 比，则可能使电压反而下降，导致有载调压变压器在达到上限前反复调节， 副边电压不断下降，这就是负调压作用。 4 电网动态特性和负荷动态特性相互作用的解释。这一观点也得到不少 学者的认可，他们认为尽管负荷的动态特性对电压稳定性有重大影响，但是 电压降落发生在输电网，正是因为某些输电线路的电压降落不断增加，才导 致了电压崩溃。所以电压崩溃是电网动态特性和负荷动态特性的相互作用。 但是这些解释都没有很准确的说明电压崩溃的根本过程和机理，大家仍 没有达到一个令人满意的共识。 但是值得我们深思的一点是：电压崩溃现象在三四十年代没有发生，而 到了经济逐渐发达的七十年代开始萌生；在落后国家与发展中国家不怎么出 现，而在发达国家却多次出现，这一点说明电压崩溃的发生与负荷的发展脱 不开关系，一定是负荷的某种特性和行为推动乃至导致了电压崩溃。本实验 室长期以来一直致力于负荷和中长期电压稳定的研究，笔者在本文中将对此 进行详细讨论，从负荷的角度研究电压崩溃的机理。总之，寻求电压崩溃的 机理。合理、全面、清晰地解释电压崩溃现象，是一项紧迫、艰巨、十分有 意义的课题。 1 3 2 空调类负荷的研究 本文在实验中深入研究空调负荷，对其特性进行定量描述，积累了空调 负荷的静态特性与动特性的大量数据，对研究空调负荷对电压稳定的影响有 了进一步的深入。 空调负荷，作为对电压稳定影响较大的一种负荷，目前已经引起国内外 专家学者的广泛关注。1 9 8 7 年7 月2 3 日发生的东京电网事故，造成了停电2 0 1 分钟。地铁铁路停运，2 8 0 万用户受到影响。在事故后的分析过程发现，造 成电压崩溃的部分原因是由于该地区存在着大量空调负荷所引起的。 文献 4 、5 中指出在空调使用的高峰期，系统多重事故发生后电压难以 恢复，这种情况主要是由于空调堵转现象所致。在对空调压缩机特性及保护 4 华北电力大学硕士论文 装置研究的基础上，文献的作者建立了空调负荷的模型，并将其用于事故的 模拟。文献 6 的作者研究了三种不同的单相空调( 两种定频空调，一种变 频空调) 在正常电压附近( 0 9 1 1 p u ) 的电压静特性、频率静特性和高电 压和低电压启动特性，以k a n s a ie l e c t r i cp o w e rc o m p a n y 采集到的数据建 立了一种负荷模型。文献 6 、2 0 在以上研究基础上提出了用摄动原理在卜 v 空间中，对空调阻抗模值变化与电压稳定的关联作了理论解析，并从防灾 减灾的角度讨论了空调有关问题：同时对空调负荷密集地区的空调类负荷对 高压节点负荷特性的影响，空调类负荷比重发生增加后，高电压节点的负荷 特性的参数是怎样随之变化的方法做了研究。文献 1 4 建议空调负荷在正常 电压下可以假定为恒阻抗负荷，当电压下降时可假定为恒功率负荷。 从以上对空调负荷的研究经过看，目前针对空调负荷还没有形成比较完 整和细致的研究，同时对于电压稳定的影响的研究也显得比较散乱，因此我 们有必要对空调负荷对电压稳定的影响做进一步全面的研究。 1 4 本论文所做的工作 开发出实验室用有载调压变压器及其控制系统软硬件部分。这部分耗时 较长，定制变压器，完成自动控制系统的硬件部分，开发出基于u s b 接口的 控制部分，编写了控制软件。 利用开发的有载调压变压器在动模实验室进行电压崩溃动模模拟实验， 对电压崩溃进行试验与仿真，得到与电压崩溃相接近的试验效果，对结果进 行分析，提出有载调压变压器群体动作与负荷的一致性引起电压崩溃的解 释。在文中，o l t c ，空调类负荷都被看作为影响电压稳定的负荷元件，从负 荷的角度去解释电压崩溃，这也是本文的一个重点所在。 在实验室对空调负荷的特性进行研究。在此基础上分析空调的静特性、 停机特性、启动特性以及电压扰动特性。本文第五章中详细分析了这些空调 负荷特性，并对空调负荷的建模进行了简述。 华北电力大学硕士论文 2 1 引言 第二章单机系统电压崩溃动态模拟试验 电力系统向大机组、大电压、高电压和远距离输电发展，对于合理利用 能源，提高经济效益和保护环境具有重要的意义。但是，也给电力系统的安 全运行带来了一些新的问题，其中之一便是电压崩溃恶性事故的发生。电压 崩溃是指系统在某个全局性的( 如故障、失去较大电源、全网负荷的过快人 量增长等) 或局部的( 如受端母线的电压波动等) 扰动作用下，出现系统电压 在短时间内持续的、不可逆转的下降，最终导致大面积停电、系统稳定性破 坏。在前一种全局性扰动的情况下，常常伴随有功角稳定问题，而且往往是 电压尚未崩溃系统功角己先期失去稳定：在后一种局部扰动的情况下，受端 电压可能在系统功角基本没有变化的情况下急剧下降，导致局部网络的电压 崩溃。 对于研究问题的物理本质的认识是一切定量研究的前提条件。只有认清 物理本质以后，才能深刻酶理解研究的实际意义。鉴于与电压不稳定电压 崩溃相关的现象十分复杂，一直以来，对电压崩溃的机理没有形成共识，针 对哪些因素是导致电压崩溃的主要因素等问题上观点不同，有的甚至差异还 比较大。 本文拟从实验角度模拟电压崩溃的全过程，考虑到电压崩溃是个全局性 的系统性行为，要模拟一个大系统的崩溃情况，不太符合现实情况。经考虑， 本文想以实验室模拟单机崩溃的过程为基石，归溯到全网范围内，想以单机 崩溃过程中各参数的交化情况，以及在该过程中有载调压变压器的反应情况 为已知条件，来解决全网过程中的电压崩溃现象解释。至于对电压崩溃的机 理的着重研究，第三章中笔者将详细深入探讨。本实验在保定校区动模实验 室进行，耗时长达一个月。 2 2 单机电压崩溃试验 2 2 1 试验条件 试验设备介绍： ( 1 ) 发电机：额定容量6 2 5 k v a ，额定出口电压2 3 0 v ，额定电流1 5 7 a ， 6 华北电力大学硕士论文 功率因数0 8 ； ( 2 ) 实验室变压器：升压变压器2 3 0 v 5 0 0 v ( 线) ；负荷变压器5 0 0 v 3 8 0 v ( 线) 。 ( 3 ) 有载调压变压器： 有载调压变压器的基本参数是以试验发电机的参数为基础而定制的。主 变压器部分：上下1 2 个抽头，档间距为2 5 额定电压，向上向下可调节1 5 额定电压，接线为三角星型，额定容量6 2 5 k v a ，高低压变比5 0 0 v 3 8 0 v ( 线) 。 试验中所用有载调压交压器经过严格测试，能够满足试验的要求，具备 测量环节、延时环节、分接头调节环节等，关于此有载调压变压器的具体设 计与功能，本文第四章将会详细介绍。 ( 3 ) 负荷： 有功负荷：灯箱若干 无功负荷：感应变压器若干，在总控制台可以控制其负荷大小。 ( 4 ) 线路：以电抗模拟长距离线路，线路电抗最大2 l _ 2 欧( 模拟2 2 0 k v ， 5 0 k m 线路) ； ( 5 ) 录波仪：电科院d f l 0 2 4 设备，采样频率2 0 0 0 h z 一5 0 0 0 h z 。 试验电路接线图如下： 发电机组 2 2 2 试验内容 图2 1 试验电路接线图 a 有载调压变压器带各类负荷，进行调压，了解有载调压变压器的调压特性 为了更具体形象的反映实验数据，本文将原始录播图形附于文中，上为 电流波形，下为电压波形，横轴为时间数值，l a l ，u a l 分别表示变压器一次 侧电流，电压i a 2 ，u a 2 分别表示变压器二次侧电流，电压图中凹陷处， 7 华北电力大学硕士论文 为自制有载调压变压器调节瞬间，电压的突然变化波形。 ( 1 ) 只带额定灯箱负荷，进行调压测试 带额定灯箱负荷时，调节时一次侧电压有微弱下降( 上为电流，下为电压，下同) 带额定灯箱负荷时，调节时二次侧电压稳步上升 图2 2o l t c 带灯箱负荷调节时两侧电流电压波形图 实验图像分析：让发电机带上5 k w 灯箱负荷，设定有载调压变压器调 节，进行数据记录。结果反映，在带纯有功负荷时，有载调压变压器能起到 8 华北电力大学硕士论文 上升二次侧电压的良好效果，但一次侧电压也有微弱下降。 ( 2 ) 只带无功负荷，无功负荷微增做调节测试 ( 1 ) 有戴调压变压器动作过程中一次侧的电压电流波形 ( 2 ) 有载调压变压器动作过程中：次侧的电压电流波形 图2 3o l t c 带无功负荷调节时两侧电流电压波形图 实验图像分析：发电机只带上无功负荷，不断加无功负荷，然后回之以 调节励磁，励磁用尽之后。电压仍然下降，达到有载调压变压器设定启动值 之后，有载调压变压器开始调节，发现和上例有相似之处，两侧电压都无法 9 华北电力大学硕士论文 上升，尤其一次侧电压随调节大幅下降，电流上升。 ( 3 ) 接入电动机负荷做调节分接头试验 ( 1 ) 有载调压变压器动作过程中一次侧的电压电流波形 ( 2 ) 有载调压变压器动作过程中二次侧的电压电流波形 圈2 4o l t ( 带电动机负荷调节时两侧电流电压波形图 1 0 华北电力大学硕士论文 实验图像分析：发电机首先空载运行，然后使发电机带着1 8 k w 电动机 负荷运行，这时候能处于平稳运行状态。设定o l t c 这时候动作，这时候二 次侧电压能随着o l t c 的调节而上升，充分体现出有载调压变压器的调压效 应。 通过以上三个带着不同负荷的实验过程，我们对有载调压变压器的调压 特性有了初步的了解。到一定程度时，变比的上调使得系统中功率失去平衡， 就可能使系统失去稳定。 在o l t c 对负荷的调节中，由于变压器一次侧和二次侧电流是与变压器 一、二次变比成反比：= ，2 ；使7 的值增大，因此= 厶也 随之增大。由此带来的后果就是o l t c 在变比上调以恢复二次侧电压的情况 下，负荷功率恢复，又使一次侧电压下降更多，对电压稳定不利。而且在调 节中，电流随着调节会逐渐增大，从而在线路上的损耗也增大。 b 模拟电压崩溃全过程实验 试验方法：发电机启动，达到额定电压后，带上部分有功负荷或者电动 机负荷运行。投入设定的全部有功负荷，调整发电机让其额定运行。然后增 加部分无功负荷，负荷侧节点电压必然下降，然后调节增加发电机励磁，电 压上升，再次达到额定状态。如此反复数次，将发电机励磁使用到极限。此 时，再增加无功负荷，负荷节点电压将下落，此时，随着无功负荷增加，电 压不断下跌，当电压下跌到有载调压变压器的动作区间内，有载调压变压器 将动作，记录调节前后阶段无功，电流，电压的变化情况。调节后，若电压 回升到额定值，再次增加无功负荷，以致电压再度下降。 以上是模拟电压崩溃时设定的步骤，在实验中，我们做了两次典型的实 验，介绍如下： ( i ) 接入5 k w 纯阻抗性灯箱负荷运行，然后调节增加发电机励磁，电 压上升，再次达到额定状态。如此反复数次，将发电机励磁使用到极限。此 时，再增加无功负荷，记录下有载调压变压器在实验中调节的全过程。 ( 1 ) 有载调压变压强动作过程中一次侧的电压电流波形 ( 2 ) 有载调压变压器动作过程中二次侧的电压电流波形 图2 5 带灯箱负荷加无功负荷模拟电压崩溃时两侧电流电压波形图 实验图像分析：在此种情况下一次侧电流在调节中不断增加，每调节一 次电流增幅相当可观。而一次侧电压却随着调节不断下降。而二次侧电压， 在无功负荷不是很严重时，增加幅度甚微或者没有；在无功负荷严重时，也 会发生随着调节而电压下降的现象。 此做法就是营造出了一种重负荷，无功不足的紧张环境，可以看出在系 统带着部分有功，部分无功，满负荷，无功不足时，有载调压交压器的调节 华北电力大学硕士论文 会使高压侧电压随着调节大幅下降，电流不断增大；二次侧电压也会在重负 荷时，随着调节而下降。 ( 2 ) 当发电机带着2 1 k w 电动机负荷运行，然后依照实验设计的步骤 投入无功负荷，大量无功负荷加入之后，电压不可遏制的下跌，低到有载调 压变压器的动作值以下后，调压器开始动作，记录调节全过程 ( 1 ) 有载调压变压器动作过程中一次侧的电压电流波形 ( 2 ) 有载调压变压器动作过程中二次侧的电压电流波形 图2 6 带电动机负荷加无功模拟电压崩溃时两侧电流电压波形图 华北电力大学硕士论文 图像分析：，在调节过程中，一次侧与二次侧电压均发生不同程度的下 降，尤其以一次侧为重，电流也不同程度的增大，这与电压崩溃已经非常相 似。 同时在以上各次实验中，我们尝试过通过软件闭锁有载调压变压器，结 果让笔者感到欣喜，电压不断下跌的情形能得到迅速的遏制，这正确证了有 载调压变压器对电压崩溃的推动与引导作用。通过录波软件自带的计算工 具，笔者看到每一次有载调压变压器的调节都抬高了负荷功率，使负荷的特 性都呈现出恒功率特性，这部分内容在下一章中，将作详细分析和探讨。 c 结论 通过模拟电压崩溃事件，我们可以得到这样的结论：在单个发电机经过 一个小型有载调压变压器带负荷，当负荷水平严重，系统处于无功不足等紧 张状态时，单台有载调压变压器调节电压，为了恢复电压、功率，反而造成 了一次侧和二次侧电流的增加与电压的不断下降乃至崩溃。 2 3 实验环境介绍 本实验在大学动模实验室进行，历时一个月，经过多次实验，得到文中 所述实验结果与结论。现对部分实验设备与实验环境进行简要介绍。 ( 1 ) 自制的有载调压变压器( 2 ) 实验室中得到设定电压的变压嚣 1 4 华北电力大学硕士论文 ( 3 ) 实验所用发电机 固实验中无功负荷 仰实验控制大厅 2 4 小结 ( 4 ) 实验中灯箱负荷 旧录波工作处 ( 8 ) 实验接线总板 图2 7 实验中环境与设备图 本章对模拟电压崩溃实验进行了详细的介绍。首先对有载调压变压器带 各种负荷调压进行了实验，了解了o l t c 的调压特性。然后介绍了两出模拟 重负荷的系统紧急状态下，有载调压变压器调节导致负荷两侧电压度下降的 事件，其中有一事件过程呈现出紧急的电压崩溃情形。 限于实验中线路、发电机组内在与其参数不匹配等原因，有些方面没有 完全达到预想的结果，但是还是能从实验中得到一些很有意义的启发，为后 面研究影响电压崩溃机理的因素提供有力基础。 华北电力大学硕士论文 第三章基于有载调压变压器的电压崩溃机理研究 3 1 引言 近年来随着电力系统从发电、输电的一体化体制演变到开放和竞争的环 境，电力系统规划和运行的不确定性和不安全因素增加，电压不安全已经成 为限制电力传输的主要因素之一。世界上许多国家相继发生由电压稳定问题 导致的大面积停电事件。世界各国电力工业界和学术界都极为重视，并进行 了大量的研究工作。 电力系统的电压稳定性是电力系统维持负荷电压在某一规定的运行极 限之内的能力，它与电力系统中的电源配置，网络结构以及运行方式、负荷 特性等因素有关。往往由于电力系统电压的扰动( 如发生短路、大容量电动 机的启动，冲击负荷等) 、线路阻抗突然增大( 断开线路或变压器) 、无功功 率减小( 断开发电机或静电电容器) 或节点负荷的增大而诱发电压的不稳定 现象，导致电压崩溃，使大量用户断开和大面积停电。所以，电压稳定性是 电力系统稳定性的一部分，确定电力系统电压稳定性条件是电力系统总体稳 定性分析的重要内容之一，这种分析是在电力系统设计的各个阶段( 选择系 统结构，确定输电线输送能力，选择控制，调节及反事故自动装置) 及其运 行过程中进行的。 世界范围内曾出现了一系列由于事故引发传输线路滚雪球式的连续退 出运行，以负荷点电压崩溃式大幅度下降为特征的停电事故，同时也存在仅 仅由于负荷快速增长就导致全网电压持续下降，传输线路连续退出运行，最 后造成功角失稳，系统解列等重大事故的实例。 电气工程师们对电压稳定性机理的认识尚未达成广泛一致，主要原因是 针对哪些因素是导致电压不稳定电压崩溃的主要因素以及电压稳定性的模 型如何简化等问题上的观点不同，有点甚至差异还比较大。对于所研究问题 的物理本质的认识是一切定量研究的前提条件。只有认清物理本质以后，才 能简历适当的模型，才能理解计算结果的物理意义。在深入分析电压崩溃现 象的发生和发展过程特征的基础上，探讨电压崩溃现象的物理本质，找出决 定电压崩溃发生和发展过程的本质因素，为进一步的定量研究打下基础，是 电压崩溃机理研究的任务。本课题在实验室中模拟单机电压崩溃事件，本文 上一章中对模拟过程进行了详细的描述，模拟结果将成为电压崩溃机理研究 的重要依据和有力工具。 1 6 华北电力大学硕士论文 同时在本文中，有载调压变压器的动作是被确认为和电压崩溃事件相关 的一种电力系统负荷元器件，在本章中将对其进行深入研究和探讨。 3 2 有载调压变压器的介绍 有载调压变压器o l t c ( o n l o a d t a p c h a n g e r ) 是电力系统中重要的电压 调节设备，在某些发达国家为了保证电压质量，而被大规模使用在较低电压 等级负荷侧。它的主要作用是在系统运行中可以自动改变分接头，调节其变 比，以维持负荷区域内的电压水平。 近年来的实践和研究表明：在某些情况下，o l t c 按其升降逻辑改变分接 头时，非但没有改善电压条件，反而会使之更加恶化。在1 9 8 7 年法国西郊超 高压电力系统的一起重大电压崩溃事故中，o l t c 的调节作用等动态特性就 被认为是引起事故的重要原因之一。 3 2 1 有载调压变压器的分类 典型的o l t c 有3 2 个分接头( 1 6 个在基准值之上，1 6 个在基准值之下) ， 每改变一次分接头，相应电压变化为额定值的0 6 2 5 ，分接头由升降电动机 来带动或者有其他形式开关。o l t c 控制的基本操作如下：接收电压互感器 传来的电压信号，当中枢点电压偏差超出其死区( 也称灵敏区) 时，启动定时 器，经定时器延时之后，相应设备启动，带动分接头改变变压器的变比，该过 程所需的时延称为机械延时。 根据定时器延时与机械延时设置的不同，o l t c 有两种控制方式，一种是 非时序方式，每次分接头改交之后，定时器都要返回，即每一次分接头改变的 总延时都含有机械延时和定时器两部分延时：另一种是时序方式，只有当电 压值又返回到控制范围之内时，定时器才会返回，即当分接头改变后，如果中 枢点电压偏差仍大于o l t c 死区的一般，则下一次分接头改变就不再需要定 时器延时了，总延时就不必包括定时器延时。其中定时器延时可根据系统运 行情况自行调节。本课题中自行设计的有载调压交压器则使用的是非时序方 式。 3 2 2 有载调压变压器对系统电压稳定性的影晌 1 9 8 7 年1 月1 2 日，法国西部电网发生电压失稳事故，事故后分析整个 1 7 华北电力大学硕士论文 事故过程，共有三个阶段：在地区电压下降到3 8 0 k v 时，依赖地区的电压负 荷特性( 电压下降，负荷减少) 在较低电压下稳定运行；经过带负荷调压设 定的一定延时后，变压器的带负荷调压( 在法国，2 2 0 9 0 ( 6 0 ) k v 及9 0 ( 6 3 ) 2 0 k v 、2 2 5 2 0 k v 变压器均配有有载调压变压器) 动作，力图恢复中压及高压 电网电压，引起超高压电网电压下降，损耗增大，发电机的无功功率输出达 到极限；一旦发电机的无功功率输出达到极值，电压再也不能就地控制。带 负荷调压破坏了系统稳定性并使事故扩大，大量发电机跳闸，更使下降过程 加剧。但发生电压崩溃6 m i n 后，切除大约1 5 0 0 m w 的负荷，系统电压逐渐 恢复。 在电压下降时，根据负荷的电压特性，负荷自系统取用的功率也要相应 减少，在一定程度上起着自动维持电压的作用，使系统达到一个接近原始状 态的运行点，但是，带负荷调节变压器将根据负荷侧电压的下降程度自动调 节变压器的分接头，力图使负荷侧的电压恢复到整定值，从而使负荷功率得 到恢复，这样使高压侧的电压进一步降低，如此反复循环，直到变压器分接 头达到极限位置。所以，在接近电压稳定极限时，使负荷侧电压升高的分接 头变化将使系统提前进入电压不稳定区域，使一个本来可以在较低电压下维 持稳定运行的系统发生电压崩溃，这就是人们最早认识到的自动调压变压器 分接头在电压崩溃过程中的作用。 本实验室工作人员曾经对有载调压变压器在系统不同的负荷特性下对 系统电压稳定性的影响进行过深入的仿真研究。 研究中发现，系统中的负荷都是恒功率特性，对电压不敏感。不涉及到 分接头变化引起的负荷恢复问题，无论电压降低与否，不管变压器分接头动 作还是不动作，系统中的负荷都是一样的，所以电压越低，损耗越大，电压 越高，损耗越小，因此，有载调压变压器在系统是恒功率负荷特性时，表现 出很好的“正调压效应”；在系统负荷大部分为恒阻抗负荷和感应电动机负 荷时，有载调压变压器分接头动作，有载调压变压器分接头动作容易引起“负 调压效应”。这些结论有助于深入理解电压崩溃的机理。 3 3 基于实验与仿真的电压崩溃机理分析 3 3 1 对实验中的电压失稳崩溃分析 在上一章之中，笔者在动模实验室进行了单机模拟电压崩溃实验。笔者 取最具代表性的一次实验过程，以作介绍：在负荷水平不严重时，有载调压 变压器能够担任其调压的任务，起到抬高负荷侧电压的作用。但是当发电机 华北电力大学硕士论文 带着大量电动机负荷与无功负荷运行，随着负荷的不断饱和，电压不可遏制 的下跌，低到有载调压变压器的动作值以下后，调压器开始动作，在调节过 程中，负荷不再增加，保持恒定，一次侧与i 次侧电压均没有预期的任何电 压上升，反而发生不同程度的下降，尤其以一次侧为重。电流也不同程度的 增大。随着进一步调节，两端电压有大幅度下跌的情况，存在电压崩溃的趋 势。根据实验中录波的数据，绘制如下图线，以反映o l t c 在实验中的拉低 电压的行为。 叫琦# t t “t c * t ”h l 二：i ”、 、f 、 r t 图3 i 实验时o l t c 动作电压曲线 瞳r c h m # t f ) 图3 3 实验时o l t c 动作有功曲线 e 刖 j ；薹受：_ t t ) 图3 2 实验时o l t c 动作电流曲线 q 埔# t # 罩端彩二篡蕊掣 t “， 图3 4 实验时o l t c 动作无功曲线 显然，由实验可以看出，在实验室中，模拟单机电压崩溃的目的获得成 功。 由上面实验结果数据图，可以看出，随着o l t c 的调节，电压有不断下 跌的趋势，每一次调节之后，电流都大幅上升，负荷表现为恒功率的特性。 从图3 3 看到，o l t c 的每一次调节都试图抬高负荷的功率，使得负荷的特 性相似为恒功率负荷。由此作为基础，我们可以得到这样的结论：在单个发 电机经过一个小型有载调压变压器带负荷，当负荷水平严重，与发电机功率 相当，即系统处于无功不足等紧张状态时，单台有载调压变压器调节电压， 为了恢复电压、功率，反而造成了一次侧和二次侧电流的增加与电压的不断 下降乃至崩溃。这是一台o l t c 带负荷接在发电机上，如何将此实验结论归 溯到一个大系统中呢? 1 9 华北电力大学硕士论文 我们先考虑这样的一个系统，一台发电机，系统内有若干o l t c ，每台 o l t c 下都带有负荷。假设随着负荷的不断增长，到系统状态很紧张的时刻， 也就是系统中的总负荷已经相等于或越过发电机额定功率时，部分负荷节点 处电压必然会有下降。根据实验中与发电机功率等量大的负荷在o l t c 的调 节影响下能拉垮发电机的结论，我们可以如此考虑如下三种情况： ( 1 ) 若所有的o l t c 都闭锁了，不进行任何调节行为，那么每个o l t c 下 的负荷，若是此o l t c 下的负荷是对电压比较敏感的负荷( 如恒阻抗特性负 荷) ，从系统中吸收的有功、无功功率也会随之减少，所以此o l t c 下的负荷 对电压没有太大拉动行为。若某些o l t c 下的负荷特性不是恒阻抗这样的负 荷，是电压下降之后。能恢复功率的负荷( 如恒功率负荷) 。那么此o l t c 下 的负荷对于一个发电机的功率来讲，从负荷大小上是远远不及的。这微量的 负荷拉动电压对于整个发电机，是不会造成太过严熏的影响而导致电压崩溃 的。各节点负荷的特性彼此不一致，难以凝聚成强大的动力，所以系统会相 安无事。 ( 2 ) 若所有o l t c 开启，能按设定进行调节，那么每个o l t c 下的负荷， 不管其是对电压比较敏感的负荷( 如恒阻抗特性负荷) ，或是电压下降之后， 能恢复功率的负荷( 如恒功率负荷) ，每个o l t c 下的负荷在o l t c 调节电压恢 复负荷的作用下，则都失去了原有的特性，变成了类似恒功率负荷的特性。 这些负荷团结在一起共同作用，这就与笔者介绍的单机崩溃实验有相似之 处，在系统中所有的o l t c 的几乎同时同步调节下，这么多恒功率特性负荷 在系统紧张状态下的数量总和必然可以和发电机额定功率可抗衡，就好比一 个很大的负荷不断恢复功率，拉低一个等容量的发电机的电压，很可能造成 电压的崩溃。所以可以讲，负荷本来是“小”的，在没有o l t c 的情况下， 它们各自特性不一样所以它们单独对于发电机来说，是弱小的；而在o l t c 的作用下，所有o l t c 下负荷的特性变得一致，所以负荷变得异常强大。 ( 3 ) 最后一种情况则是部分o l t c 开启，其余部分闭锁，根据上面两种 分析，由于o l t c 的行为不一致，仍然存在负荷特性的不一致，负荷没有完 全能团结为与发电机总体动力相当的一个“强大”的负荷，所以导致电压崩 溃的可能性会小些，乃至没有。 以上就是三种情况的分析，从中我们可以从负荷角度去解释单机多 o l t c 系统崩溃的一个原理，则多机系统的解释，则是一个单机的复合而已。 所以，对电压崩溃的机理认识，从负荷的一致性角度我们可以阐述的清楚明 了。其中最关键的一个要点就是， o l t c 变压器群体动作，使得负荷整体变 化呈现一致性，让负荷从“小”到“大”，让情况类似为一个大型负荷拉动 华北电力大学硕士论文 一个动力相当的发电机。负荷特性不一致，所以它们相对于发电机就是小负 荷，它们不足以对发电机造成威胁；而在o l t c 的使用，群体动作下，负荷 的特性变得一致，负荷就变成了大负荷，特性一样的负荷总体大小能和发电 机容量相当，负荷便成了拉低电压的主要动力。这种负荷的群体效应是最终 导致电压崩溃的主要原因。 为了求证以上的分析与想法，笔者基于中长期动态仿真软件e u r o s t a g ， 进行了一系列仿真，下面对一些测试系统进行分析，希望能在仿真中得到满 意和理想的结果。 3 3 2 有载调压变压器对电压崩溃的推动作用 在实验中，笔者曾经做过这样的动作，当负荷侧电压因为o l t c 的调节 而步步下跌时，笔者通过软件闭锁o l t c ，可以看到，电压不再下跌，电压 崩溃的后果被挽救。那么说明o l t c 的调节对电压崩溃产生推波助澜的影响。 下面我们从仿真中来探讨这一问题，力图更深入了解导致电压崩溃的一些因 素。 下面我们做这样的一个系统模型的电压崩溃事件仿真，系统中发电机， 调速器和有载调压变压器，感应电动机和静态负荷，并联电容器补偿，5 条 长距离5 0 0 k v 输电线路等等。在此系统模型中，o l t c 变压器的时间延迟为 3 0 s ，机械动作时间为5 s ，离散分接头调节范围为1 0 ，共有3 2 步，每步 的调节步长为5 8 ，动作死区为士0 0 0 8 3 3 p u ( 基准电压为1 2 0 v ，对应的死 区电压为2 v ) ，其他变压器为固定分接头。在仿真的过程中l t c 2 始终闭锁， l t c l 的分接头变化范围是5 0 0 5 5 0 k v ，l t c 3 的分接头变化范围是 1 0 3 5 1 2 6 5 k v 。 该系统的网络结构如图3 5 所示。 图3 5 测试系统的网络结构 对图5 - i 所示的测试系统，进行中长期动态过程仿真( 仿真a ) ，仿真 2 1 华北电力大学硕士论文 电压崩溃现象，仿真步骤如下： 1 2 0 s 时，断开一条5 0 0 k v 线路； 2l o o s 时，居民和商业负荷以3 m w s 的速度增加，增加到2 3 7 s 结束； 节点n 3 ，n 5 和n 7 的电压如图5 - 2 所示，2 0 s 由于线路的断开，节点电 压有一个很大的扰动，l o o s 随着负荷逐渐增加，节点电压开始下降，此时 o l t c 开始动作，当负荷增加结束以后，电压停止下降，维持一段时间以后， 系统在2 8 9 3 1 s 时发生电压崩溃。 时阃- ) 时闻帕 图3 6 仿真过程中节点电压变化 图3 7l t c i 和l t c 3 的分接头变化 o l t c 变压器的目的是为在各种小扰动下提高负荷节点的电压，