電力系統電壓穩定機理研究論文

　　摘要：在學(xué)到理解電力系統電壓穩定概念的前提下，牢固掌握電壓穩定機理是研究電壓穩定的基礎環(huán)節。從失穩機理的角度來(lái)看，導致電力系統電壓失穩的原因包括：負荷的動(dòng)態(tài)恢復特性，電力系統受端電壓支撐不足，電力系統送端的供電限制，以及綜合負荷因素。從以上四種角度定義的電壓穩定機理進(jìn)行了綜合分析和評價(jià)，并歸納總結了各類(lèi)定義方式的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：電力系統；電壓穩定；機理；負荷動(dòng)態(tài)特性

　　在電力系統的研究領(lǐng)域當中，電壓穩定問(wèn)題是一項十分重要的課題，因為它直接決定著(zhù)電力系統能否正常運行⑴。研究電力系統電壓穩定主要有三個(gè)步驟：第一，明確理解電壓穩定機理；第二，根據電壓穩定機理來(lái)建立可以從本質(zhì)上反映系統電壓崩潰的模型；第三，找到分析和控制電力系統電壓穩定性的手段與方法Ｗ。其中掌握電壓穩定機理是其余兩個(gè)步驟的關(guān)鍵性基礎，因此本文就目前國內外對于電壓穩定機理的研究成果進(jìn)行系統的歸納和總結，并指出其相應的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　１電壓穩定的定義

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

　　２電壓穩定機理的研究現狀

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

　�。玻�１負荷的恢復特性對電壓穩定性的影響

　　負荷動(dòng)態(tài)特性對于電壓穩定的影響，目前的學(xué)術(shù)成果可分為兩類(lèi)：一類(lèi)觀(guān)點(diǎn)認為，系統在發(fā)生故障時(shí)，負荷為了維持它自身的有功功率平衡，會(huì )試圖改變其自身對外的等效電納以此來(lái)進(jìn)行功率調節，從而影響了電力系統電壓的穩定性［６］，然而這種調節自身導納的方式會(huì )因為具體元件的特性而有一定差異。例如，異步電動(dòng)機常常利用電磁功率的輸入與機械功率的輸出來(lái)進(jìn)行導納調節，配電系統中的ＯＬＴＣ（ＯｎＬｏａｄＴａｐＣｈａｎｇｅｒ有載分接開(kāi)關(guān)）則會(huì )在維持其副邊電壓恒定的前提下，通過(guò)自動(dòng)調節變比來(lái)實(shí)現導納的調節。含電力電子元件的負荷，調節自身導納的情況則更為復雜［６’７］�？傮w上來(lái)看，當元件的有功功率平衡被打破以后，若負荷輸出的其他形式功率多于輸人的電磁功率，那么負荷就會(huì )根據自身特點(diǎn)自動(dòng)選擇恰當手段來(lái)減小其等效阻抗，從而獲得自身所需要的功率［８］。但是隨著(zhù)元件恢復功率過(guò)程中電流的增加，負荷元件的漏抗上會(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)系統的無(wú)功欠缺［９］。無(wú)功功率不足，使得系統電壓持續下降，進(jìn)而產(chǎn)生電壓失穩的現象［１°］。這種觀(guān)點(diǎn)在用于定量研究負荷特性對電壓穩定的影響時(shí)意義重大，但理論不夠成熟，有待進(jìn)一步完善。另一類(lèi)觀(guān)點(diǎn)認為，電壓失穩與系統所帶負荷的性質(zhì)密切相關(guān)［１１］。例如，系統所帶負荷為恒阻抗靜態(tài)負荷時(shí)，假定其功率因數為ｃｏｓｐ，阻抗為＆＝札＋）＆，那么負荷消耗的有功功率如式（１）所示：由ＰＬ的單調性可知，當滿(mǎn)足｜Ｚ，｜＝丨＆｜時(shí)，在恒定功率因數的負荷模型下，負荷有功功率最大，由于電壓降低時(shí)恒阻抗負荷功率會(huì )下降，有利于電壓穩定［１２］，那么當系統的功率和電壓水平均低于期望值時(shí)，系統電壓會(huì )保持穩定［１３］。當系統所帶的負荷為恒功率負荷模型時(shí)，一旦負荷端電壓降低，負荷為了保持恒定功率，必然會(huì )導致負荷電流的增加，由于輸電線(xiàn)路上阻抗的存在，使得輸電線(xiàn)路的壓降進(jìn)一步增大，從而造成了更低的負荷端電壓［１４］。這也形成了一個(gè)電壓下降的正反饋機制，最終必然會(huì )導致電壓崩潰［１５］。這種觀(guān)點(diǎn)在計算和理論發(fā)展上，都比較成熟。但是，在實(shí)際電力系統當中，特別是系統受到擾動(dòng)的過(guò)程當中，實(shí)際的負荷很難以恒定功率或恒定功率因數運行［１６］，因此將該理論算法應用于計算實(shí)際電力系統運行狀態(tài)時(shí)會(huì )存在一定誤差。

　�。玻�２電力系統受端電壓支撐情況對電壓穩定的影響

　　重負荷的電力系統本身就具備很多薄弱環(huán)節，一方面，受端的發(fā)電機一直處于過(guò)載狀態(tài)，發(fā)電機勵磁系統過(guò)載，如果這時(shí)出現了大干擾事件，負荷為了恢復其有功功率的平衡，試圖調節自身電流獲得更大的功率［１７］。但是發(fā)電機勵磁繞組本身的熱容量存在一定限值。過(guò)勵磁限制器會(huì )將勵磁電流強制減少到額定值，使得負荷的有功功率無(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)電機無(wú)法提供足夠的無(wú)功功率來(lái)支持系統的正常運行，最終導致電壓失穩甚至電壓崩潰…］。另一方面由于電力系統的無(wú)功功率的大小隨著(zhù)電壓的平方而發(fā)生變化，如果系統電壓下降，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)電壓失穩的重要原因。

　�。玻�３電力系統送端供電極限對電壓穩定的影響

　　由于受到線(xiàn)路阻抗、輸電距離、電壓等級的制定以及送端發(fā)電機勵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，并且送端對全網(wǎng)電壓的調節能力有限，因此在研究電力系統電壓穩定特性時(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［２°］。動(dòng)態(tài)負荷有功功率的恢復特性，即在電壓下降以后，各類(lèi)負荷的有功功率和無(wú)功功率都會(huì )以或快或慢的速度恢復到一定水平，其中發(fā)電機、調相機側勵磁系統、負荷側同步電動(dòng)機、電動(dòng)機靜止無(wú)功補償器都屬于反應快速的元件，他們在暫態(tài)電壓失穩中，起到的作用十分巨大。因此為了提高在工程實(shí)踐中對于電壓穩定性評估的精確程度，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(xiàn)來(lái)研究電壓穩定性問(wèn)題［Ｍ］。系統向負荷提供的功率隨著(zhù)電流的'增加而增加時(shí)，系統負荷元件可以保持自身功率平衡，系統電壓處于穩定狀態(tài)，反之系統電壓不穩定。

　�。玻�４綜合因素對電壓穩定的影響

　　從單一類(lèi)因素去考慮電力系統電壓穩定性的研究大多數意義明確，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(lèi)因素的綜合作用來(lái)解釋電壓穩定的機理會(huì )更加完善。當有干擾事件介人電力系統后，發(fā)電機勵磁系統會(huì )啟動(dòng)強勵磁作用，系統無(wú)功缺失，電壓下降，負荷對于功率的需求也相應的減少［２１］。此時(shí)系統能在短時(shí)間內保持電壓穩定，但是在系統負荷的中心電壓會(huì )維持在較高的水平，若負荷中心電壓降低，則該現象會(huì )迅速反映到配電系統中，那么在２－４分鐘內ＯＬＴＣ會(huì )起到連續調節的作用，使負荷的功率和電壓恢復到故障前水平，同時(shí)使ＯＬＴＣ原方電壓下降，并且ＯＬＴＣ每次的分接頭調整都會(huì )導致超高壓線(xiàn)路負荷的增加［２２］。由此可得，發(fā)電機需要強制增大無(wú)功功率的輸出來(lái)滿(mǎn)足系統電流的上升趨勢。但這種無(wú)功功率的輸出不會(huì )是沒(méi)有限制的，一旦造成發(fā)電機無(wú)功功率越限的連鎖反應，就會(huì )使得系統的電壓急劇下降，這個(gè)過(guò)程最終必然會(huì )導致發(fā)電機組失步，最后對受電系統停電［Ｍ］。雖然從綜合因素角度來(lái)分析電力系統電壓穩定機理比較全面，但是影響電壓穩定的因素實(shí)質(zhì)上是多種因素的有機疊加，該方法只停留在理性階段，在工程實(shí)踐的應用中，很難形成準確的判據。

　　３結論

　　研究人員從不同的角度來(lái)研究了電壓穩定機理，這些理論研究取得了很多成果，但是也確實(shí)存在著(zhù)亟待解決的問(wèn)題，本文對迄今的研究成果進(jìn)行了系統的總結。隨著(zhù)新的電壓穩定理論模型以及研究方法的引人，人們對電壓穩定機理的認識將走向成熟。電壓穩定問(wèn)題在電力系統的研究領(lǐng)域當中雖然是一個(gè)基礎性的課題，電力系統的結構也千差萬(wàn)別，進(jìn)而一系列綜合因素的有機疊加必將造成電力系統電壓的失穩。在做到考慮全面的前提下，還應當注重數學(xué)工具的恰當引入，使得完善的理論可以有效的與實(shí)際結合。

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