电力系统电压稳定性及其研究现状

沙文志

沙文志

阳江市凯源电力设计有限公司529500

摘要：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索增加，电压不安全己经成为限制电力传输的主要因索之一。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，使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。因此，进行电压稳定方面的研究意义重大。

1电压稳定性的定义

1.1定义

电力系统的电压稳定性是指在给定的初始运行条件下,遭受扰动后电力系统在所有母线上保持稳定电压的能力。它依赖于电力系统中保持或恢复负荷需求和负荷供给平衡的能力。在发生电压失稳时,可能引起电网中某些母线上的电压下降或升高,从而导致系统中负荷丧失、传输线路跳闸、级联停电及发电机失去同步等。

1.2关于电压崩溃

电力系统中，人们把扰动，负荷增大或系统参数变更后造成大面积、大幅度电压持续下降，运行人员和自动控制系统也无法阻止这种电压衰减的情况称为电压崩溃。这种电压下降的持续时间可能只需几秒，也可能需要数十分钟，甚至更长时间。电压崩溃是电压失稳的最明显的特征，它会导致系统瓦解。

由于早期故障现场记录的电压崩溃都发生在初期故障以后较晚的时刻,因此人们普遍认为这是静态问题。随着研究的深入人们逐渐认识到电压稳定问题本质上是一动态问题。它与发电机及其调节系统、负荷、无功补偿系统、有载变压器的抽头调节、直流输电等元件的动态特性有很大关系。发电机的无功限制,有载变压器抽头的离散调节及限制。并联电容器或电抗器的投切容量限制，输电线路开断等离散亊件对电压稳定性有着重要影响，有些离散事件可能会引起系统发生电压失稳。因此，人们开始重视电压稳定问题的动态机理分析和仿真模型的研究，但到目前为止,仍然没有很好地解决这个问题。

2电压不稳定的原因

研究认为,使电压不稳定性日趋严重的主要原因有以下几点：

1：由于经济上及其他方面的考虑，发、输电设备使用的强度日益接近其极限值。

2：并联电容无功补偿大量增加，当电压降低时，向电网提供的无功功率按电压的平方下降。

3：线路或设备的投切，引起电压失稳的可能性往往比功角稳定研究中所考虑的三相短路情况要大得多，然而人们长期以来只注意功角稳定的研究。

3电压稳定性分类

目前，电压稳定主要分为静态电压稳定、暂态电压稳定、动态电压稳定、中长期电压稳定等，对它们的含义和解释，至今还没有一个统一的定义。下面给出了电压稳定性的参考分类方法，将电压稳定问题分为如下4类：

动态稳定是指系统用线性微分方程描述，计及元件动态及调节器的动态作用，判别系统在小扰动下的电压稳定性。静态稳定是指对动态系统作进一步简化，负荷用静态电压特性表示，系统用代数方程描述，判断系统在平衡点处的电压稳定性。暂态稳定是指系统用非线性微分方程描述，计及元件动态特性及调节器的动态作用，判别系统在大扰动下的电压稳定性。电压崩溃是指受扰动后，系统内无功功率平衡状态遭到破坏，依靠调节器和控制器的作用，仍不能使电压恢复，致使局部或整个系统电压急剧下降的物理过程。

GIGRE研究委员会和IEEE电力系统动态行为委员会联合组成的工作组在2004年5月份完成了一份报告，其主要内容就是处理电力系统稳定的定义及其分类问题。

根据扰动的性质，该报告把电压稳定分为两类：

1：大扰动电压稳定：指系统在遭受较大的扰动，如系统短路、切机、线路故障后，保持电压稳定的能力。它由系统和负荷特性以及两者间连续和不连续控制及保护的相互作用所决定。判断大扰动电压稳定性，要在一段时间内考虑电力系统的非线性响应特性，研究的时间从几秒至几十分钟。

2：小干扰电压稳定指系统在遭受小的扰动如系统负荷增加后保持电压稳定的能力。它受负荷特性以及给定时间内的连续和不连续控制作用的影响。分析这类电压稳定时，可以进行适当的假设，系统方程能被线性化，因而可以通过灵敏度计算确定影响电压稳定的因素。但是，线性化无法计及诸如OLTC(死区、不连续性、延时）的非线性影响，所以，应当使用线性和非线性相结合的分析方法进行补充。

根据研究的时间范围进行的分类有2种情况：

1：短期电压稳定包含快速动作元件如感应电动机、电子控制负荷、HVDC变流器的动态过程。所关心的时间只有几秒，通过求解相应的微分方程进行研究，此时负荷的动态模型通常很重要。与功角稳定不同，靠近负荷的短路对系统的电压稳定性影响大。

2：长期电压稳定涉及慢动作设备如变压器分接头、温控负荷、发电机电流限制器。所需的研究时间从几分钟到更长的时间。

4.电压稳定性分析方法

所有基于静态的研究方法本质上都是利用潮流及其改进形式作为研究工具，未涉及系统动态，因而所得“极限”通常只是“功率极限”而非“电压稳定极限”,其合理性需要接受基于动态的研究方法的检验。但静态方法在获得系统极限运行状态、指导调度方面起到重要作用，也是动态分析方法的基础,在一段时间内将依旧存在且广泛应用。其关键问题是如何把握静态分析方法的应用范围和适用条件，如何衡量误差范围。此外，系统电压静态稳定和功角静态稳定的鉴别方法仍然是一个需要研究的课题。

小干扰电压稳定分析方法具有严格的理论基础,开发计算速度快，对各种控制系统有良好适应性的特征分析方法是其关键所在。在分析过程中，应该设法降低系数矩阵的阶数，识别保留对电压稳定影响贡献大的元件，正确确定需要加以详细描述的元件模型。

还有一种比较流行的算法是分岔算法，在这里不做详细介绍。

毫无疑问，时域仿真法是检验一切分析方法的准绳，探讨新的快速时域仿真方法，如采用并行计算技术，加快计算速度，力求达到暂态电压稳定的实时仿真是需要研究的课题。此外，对模型参数要进行实际系统测定，力求用可信参数进行暂态电压稳定分析，并且对仿真的输出结果进行分析，以便给出稳定裕度、稳定极限。同时，应该探讨时域仿真法和模式识别、人工智能等理论相结合的方法。

5研究现状

对电压稳定问题的研究大体上可归纳为两类:基于潮流方程的静态电压稳定分析方法，和基于状态方程的动态电压稳定分析方法。目前理论界关于电压稳定问题比较一致的看法是认为电压稳定问题本质上是一个动态稳定问题，它与发电机及其调节系统、负荷、(新型)无功补偿系统和其它电力电子装置、有载调压变压器的抽头调节、直流输电等元件的动态特性有很大关系。但由于目前对电压崩溃的动态机理和各种元件所起的作用的认识还很不充分，也缺乏统一的评价标准，因而目前关于暂态和动态电压稳定的理论、分析模型和方法还很不成熟，距实用化应用还有相当距离。与之相比，在静态电压稳定研究方面，特别是在基于潮流方程的静态分析方面，已取得了基本一致的理论认识，同时建立了相应的评价指标及计算分析方法。这些分析方法中比较实用的主要有灵敏度分析方法、雅可比矩阵奇异值(特征值)分析方法、基于连续潮流计算的裕度指标分析方法等。

6结论

尽管电压稳定性问题及其相关现象十分复杂，人们已在电压失稳机理的研究、动态模型的建立等方面取得了不少成果，提出了各类电压失稳的防范措施。随着电压稳定性问题研究的不断深入,人们需要提出更为准确的电压稳定性指标和实用判据，需要编制实用化的电压稳定性分析软件，实现有效的电压稳定安全评估。

参考文献

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[2]黄昕颖.电力系统的电压稳定问题浅析[J].吉林广播电视大学学报.2011(06)

[3]张江红,孟宪朋,刘怀东,刘鑫,万强,陈昊.电力系统电压稳定的分析研究[J].电工技术.2011(06)