電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定機(jī)理研究

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摘要：在學(xué)到理解電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定概念的前提下，牢固掌握電壓穩(wěn)定機(jī)理是研究電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。從失穩(wěn)機(jī)理的角度來看，導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的原因包括：負(fù)荷的動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性，電力系統(tǒng)受端電壓支撐不足，電力系統(tǒng)送端的供電限制，以及綜合負(fù)荷因素。從以上四種角度定義的電壓穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行了綜合分析和評(píng)價(jià)，并歸納總結(jié)了各類定義方式的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；電壓穩(wěn)定；機(jī)理；負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性

在電力系統(tǒng)的研究領(lǐng)域當(dāng)中，電壓穩(wěn)定問題是一項(xiàng)十分重要的課題，因?yàn)樗苯記Q定著電力系統(tǒng)能否正常運(yùn)行⑴。研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定主要有三個(gè)步驟：第一，明確理解電壓穩(wěn)定機(jī)理；第二，根據(jù)電壓穩(wěn)定機(jī)理來建立可以從本質(zhì)上反映系統(tǒng)電壓崩潰的模型；第三，找到分析和控制電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的手段與方法W。其中掌握電壓穩(wěn)定機(jī)理是其余兩個(gè)步驟的關(guān)鍵性基礎(chǔ)，因此本文就目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于電壓穩(wěn)定機(jī)理的研究成果進(jìn)行系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，并指出其相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1電壓穩(wěn)定的定義

目前對(duì)于電壓穩(wěn)定的定義，不同文獻(xiàn)資料中的研究成果不盡相同。但從總體上可以歸為兩類，大干擾電壓穩(wěn)定和靜態(tài)電壓穩(wěn)定［3］。其中大干擾電壓穩(wěn)定還包括暫態(tài)電壓穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定和中長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定。這類問題主要反映在系統(tǒng)運(yùn)行過程當(dāng)中有大擾動(dòng)介人時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生電壓崩潰的能力。而靜態(tài)電壓穩(wěn)定則指在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，小干擾事件發(fā)生并介人電力系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)電壓水平能夠保持或者恢復(fù)到系統(tǒng)可接受的范圍極限內(nèi)，不發(fā)生電壓崩潰的能力⑷。然而，以上定義電壓穩(wěn)定的方法十分宏觀，對(duì)于具體定量的研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定不利。因此本文引入電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的最新定義，電壓穩(wěn)定是指：當(dāng)負(fù)荷試圖通過增加電流來從系統(tǒng)中獲得更大的功率時(shí)，系統(tǒng)電壓的降低不足以抵消功率增大的趨勢(shì)，此時(shí)稱為電壓穩(wěn)定狀態(tài)［5］。由此電壓穩(wěn)定的概念得到了進(jìn)一步的具體化，能更好的為反映電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定本質(zhì)而服務(wù)。

2電壓穩(wěn)定機(jī)理的研究現(xiàn)狀

關(guān)于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定機(jī)理的學(xué)術(shù)研究成果中，影響電壓穩(wěn)定的因素大體上可以分為四類：第一類，負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性；第二類，電力系統(tǒng)受端的電壓支撐情況；第三類，電力系統(tǒng)送端的供電極限；第四類，綜合因素影響。本文將分別就以上四類影響電壓穩(wěn)定的因素進(jìn)行歸納總結(jié)并加以拓展。

2．1負(fù)荷的恢復(fù)特性對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響

負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性對(duì)于電壓穩(wěn)定的影響，目前的學(xué)術(shù)成果可分為兩類：一類觀點(diǎn)認(rèn)為，系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，負(fù)荷為了維持它自身的有功功率平衡，會(huì)試圖改變其自身對(duì)外的等效電納以此來進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，從而影響了電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性［6］，然而這種調(diào)節(jié)自身導(dǎo)納的方式會(huì)因?yàn)榫唧w元件的特性而有一定差異。例如，異步電動(dòng)機(jī)常常利用電磁功率的輸入與機(jī)械功率的輸出來進(jìn)行導(dǎo)納調(diào)節(jié)，配電系統(tǒng)中的OLTC（OnLoadTapChanger有載分接開關(guān)）則會(huì)在維持其副邊電壓恒定的前提下，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)變比來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)納的調(diào)節(jié)。含電力電子元件的負(fù)荷，調(diào)節(jié)自身導(dǎo)納的情況則更為復(fù)雜［6’7］?？傮w上來看，當(dāng)元件的有功功率平衡被打破以后，若負(fù)荷輸出的其他形式功率多于輸人的電磁功率，那么負(fù)荷就會(huì)根據(jù)自身特點(diǎn)自動(dòng)選擇恰當(dāng)手段來減小其等效阻抗，從而獲得自身所需要的功率［8］。但是隨著元件恢復(fù)功率過程中電流的增加，負(fù)荷元件的漏抗上會(huì)消耗更多的無(wú)功功率，這一部分的無(wú)功消耗，可以加劇整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)功欠缺［9］。無(wú)功功率不足，使得系統(tǒng)電壓持續(xù)下降，進(jìn)而產(chǎn)生電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象［1°］。這種觀點(diǎn)在用于定量研究負(fù)荷特性對(duì)電壓穩(wěn)定的影響時(shí)意義重大，但理論不夠成熟，有待進(jìn)一步完善。另一類觀點(diǎn)認(rèn)為，電壓失穩(wěn)與系統(tǒng)所帶負(fù)荷的性質(zhì)密切相關(guān)［11］。例如，系統(tǒng)所帶負(fù)荷為恒阻抗靜態(tài)負(fù)荷時(shí)，假定其功率因數(shù)為cosp，阻抗為＆＝札＋）＆，那么負(fù)荷消耗的有功功率如式（1）所示：由PL的單調(diào)性可知，當(dāng)滿足｜Z，｜＝丨＆｜時(shí)，在恒定功率因數(shù)的負(fù)荷模型下，負(fù)荷有功功率最大，由于電壓降低時(shí)恒阻抗負(fù)荷功率會(huì)下降，有利于電壓穩(wěn)定［12］，那么當(dāng)系統(tǒng)的功率和電壓水平均低于期望值時(shí)，系統(tǒng)電壓會(huì)保持穩(wěn)定［13］。當(dāng)系統(tǒng)所帶的負(fù)荷為恒功率負(fù)荷模型時(shí)，一旦負(fù)荷端電壓降低，負(fù)荷為了保持恒定功率，必然會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷電流的增加，由于輸電線路上阻抗的存在，使得輸電線路的壓降進(jìn)一步增大，從而造成了更低的負(fù)荷端電壓［14］。這也形成了一個(gè)電壓下降的正反饋機(jī)制，最終必然會(huì)導(dǎo)致電壓崩潰［15］。這種觀點(diǎn)在計(jì)算和理論發(fā)展上，都比較成熟。但是，在實(shí)際電力系統(tǒng)當(dāng)中，特別是系統(tǒng)受到擾動(dòng)的過程當(dāng)中，實(shí)際的負(fù)荷很難以恒定功率或恒定功率因數(shù)運(yùn)行［16］，因此將該理論算法應(yīng)用于計(jì)算實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)存在一定誤差。

2．2電力系統(tǒng)受端電壓支撐情況對(duì)電壓穩(wěn)定的影響

重負(fù)荷的電力系統(tǒng)本身就具備很多薄弱環(huán)節(jié)，一方面，受端的發(fā)電機(jī)一直處于過載狀態(tài)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)過載，如果這時(shí)出現(xiàn)了大干擾事件，負(fù)荷為了恢復(fù)其有功功率的平衡，試圖調(diào)節(jié)自身電流獲得更大的功率［17］。但是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組本身的熱容量存在一定限值。過勵(lì)磁限制器會(huì)將勵(lì)磁電流強(qiáng)制減少到額定值，使得負(fù)荷的有功功率無(wú)法平衡［18］，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功功率大量缺失。這種情況下受端發(fā)電機(jī)無(wú)法提供足夠的無(wú)功功率來支持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，最終導(dǎo)致電壓失穩(wěn)甚至電壓崩潰…］。另一方面由于電力系統(tǒng)的無(wú)功功率的大小隨著電壓的平方而發(fā)生變化，如果系統(tǒng)電壓下降，則無(wú)功功率會(huì)以更快的速度減少，因此HVDC、SVC以及大量安裝并聯(lián)電容器也是造成暫態(tài)電壓失穩(wěn)的重要原因。

2．3電力系統(tǒng)送端供電極限對(duì)電壓穩(wěn)定的影響

由于受到線路阻抗、輸電距離、電壓等級(jí)的制定以及送端發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的熱容量限制等一系列因素的影響，送端并不能毫無(wú)限制的向受端供電，并且送端對(duì)全網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)能力有限，因此在研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性時(shí)，常常將電壓崩潰的臨界點(diǎn)作為衡量電網(wǎng)輸送能力的指標(biāo)［2°］。動(dòng)態(tài)負(fù)荷有功功率的恢復(fù)特性，即在電壓下降以后，各類負(fù)荷的有功功率和無(wú)功功率都會(huì)以或快或慢的速度恢復(fù)到一定水平，其中發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)側(cè)勵(lì)磁系統(tǒng)、負(fù)荷側(cè)同步電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)靜止無(wú)功補(bǔ)償器都屬于反應(yīng)快速的元件，他們?cè)跁簯B(tài)電壓失穩(wěn)中，起到的作用十分巨大。因此為了提高在工程實(shí)踐中對(duì)于電壓穩(wěn)定性評(píng)估的精確程度，常常使用瞬時(shí)有功功率隨暫態(tài)電壓變化的關(guān)系曲線來研究電壓穩(wěn)定性問題［M］。系統(tǒng)向負(fù)荷提供的功率隨著電流的增加而增加時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷元件可以保持自身功率平衡，系統(tǒng)電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，反之系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。

2．4綜合因素對(duì)電壓穩(wěn)定的影響

從單一類因素去考慮電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究大多數(shù)意義明確，但是由于考慮因素不夠全面，因此這種理論成果與工程實(shí)際情況差距比較大，所以從以上三類因素的綜合作用來解釋電壓穩(wěn)定的機(jī)理會(huì)更加完善。當(dāng)有干擾事件介人電力系統(tǒng)后，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)強(qiáng)勵(lì)磁作用，系統(tǒng)無(wú)功缺失，電壓下降，負(fù)荷對(duì)于功率的需求也相應(yīng)的減少［21］。此時(shí)系統(tǒng)能在短時(shí)間內(nèi)保持電壓穩(wěn)定，但是在系統(tǒng)負(fù)荷的中心電壓會(huì)維持在較高的水平，若負(fù)荷中心電壓降低，則該現(xiàn)象會(huì)迅速反映到配電系統(tǒng)中，那么在2－4分鐘內(nèi)OLTC會(huì)起到連續(xù)調(diào)節(jié)的作用，使負(fù)荷的功率和電壓恢復(fù)到故障前水平，同時(shí)使OLTC原方電壓下降，并且OLTC每次的分接頭調(diào)整都會(huì)導(dǎo)致超高壓線路負(fù)荷的增加［22］。由此可得，發(fā)電機(jī)需要強(qiáng)制增大無(wú)功功率的輸出來滿足系統(tǒng)電流的上升趨勢(shì)。但這種無(wú)功功率的輸出不會(huì)是沒有限制的，一旦造成發(fā)電機(jī)無(wú)功功率越限的連鎖反應(yīng)，就會(huì)使得系統(tǒng)的電壓急劇下降，這個(gè)過程最終必然會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組失步，最后對(duì)受電系統(tǒng)停電［M］。雖然從綜合因素角度來分析電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定機(jī)理比較全面，但是影響電壓穩(wěn)定的因素實(shí)質(zhì)上是多種因素的有機(jī)疊加，該方法只停留在理性階段，在工程實(shí)踐的應(yīng)用中，很難形成準(zhǔn)確的判據(jù)。

3結(jié)論

研究人員從不同的角度來研究了電壓穩(wěn)定機(jī)理，這些理論研究取得了很多成果，但是也確實(shí)存在著亟待解決的問題，本文對(duì)迄今的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。隨著新的電壓穩(wěn)定理論模型以及研究方法的引人，人們對(duì)電壓穩(wěn)定機(jī)理的認(rèn)識(shí)將走向成熟。電壓穩(wěn)定問題在電力系統(tǒng)的研究領(lǐng)域當(dāng)中雖然是一個(gè)基礎(chǔ)性的課題，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也千差萬(wàn)別，進(jìn)而一系列綜合因素的有機(jī)疊加必將造成電力系統(tǒng)電壓的失穩(wěn)。在做到考慮全面的前提下，還應(yīng)當(dāng)注重?cái)?shù)學(xué)工具的恰當(dāng)引入，使得完善的理論可以有效的與實(shí)際結(jié)合。

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作者：鄭琳，田晨陽(yáng) 單位：東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院