电力系统电压稳定性分析方法研究

练强

（国网四川省电力公司广安供电公司四川省广安市638000）

摘要：本文首先分析了电压稳定分类，然后分析了造成电压不稳的主要原因，最后分析了失稳的形式以及失稳定的原因。

关键字：电力系统；电压；稳定性；分析

自20世纪70年代以来,美国、法国、加拿大等发达国家因电压不稳定问题,造成了多起电压崩溃的大面积停电事故,造成了巨大的经济损失。此后,电压稳定性问题备受关注,成为世界电力系统学者所研究的热点,进而推动了电力稳定性的研究,并取得了一系列很大的进展,但是在电压稳定的机理解释、理论研究体系的建立等方面仍不完善,相比较成熟的功角稳定性仍然有较大的差距,多方面的问题需要进行更为深入的研究。

电压稳定性,是指当系统受到扰动后,系统电压能够保持或恢复到允许的范围内,从而避免发生电压崩溃的能力。其主要取决于电力系统输送给负荷的功率能否满足负荷自身的需求。随着电网规模的不断扩大,整个电力系统的稳定性问题就愈加重要。根据运行模式和系统结构的不同,电力系统稳定性可分为:1功角稳定性,即发电机保持同步的能力,由同步发电机的转矩平衡所决定;2电压稳定性,即遭受扰动后,系统在所有母线上保持可接受电压的能力,是由整个电力系统的无功功率平衡所决定。可以看出两者的区别主要是造成失稳中的主导因素不同。并且在某些事故中,功角失稳并不会发生电压失稳,但是反过来,电压的持续衰落却会导致功角的失稳,甚至引起整个电力系统的崩溃,造成大面积的停电。因此,研究电压稳定性对整个电力系统的安全具有重大的意义。

一、电压稳定分类

由于电压失稳的情况复杂多变,在研究电压稳定性时,需对电压稳定问题进行分类,其主要从两个角度进行划分:

（一）从外界扰动的性质出发,可分为

1、大扰动电压稳定。指电力系统遭受大的扰动后,如短路故障、切机等,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。

2、小扰动电压稳定。指电力系统在遭受小的扰动后,如负荷的增加等,仍能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。

（二）按时间框架的角度出发,电压稳定性可分为

1、短期电压稳定。通常与快速动作元件如HVDC变流器、感应电动机等的动态相应特性有关。当电力系统发生大扰动时,随着故障过程中发电机之间的相对摇摆,可能造成某些母线电压不可逆转的急剧下降,而发电机之间的相对摇摆可能并未超过其功角失稳的范围。

2、中长期电压稳定。可能由于缓慢的负荷增长所引起,也有可能是发生在扰动后的系统恢复过程,与动态元件的调节过程有关。如调压变压器(OLTC)、发电机励磁限制器等动态恢复特性,会在系统无功补偿不足时,使系统过渡到不稳定的状态点,从而最终导致电压失稳。

二、造成电压不稳的主要原因

从电压稳定性能的原理和分类中可以看出,造成电压不稳的主要原因表现在两个方面:

（一）长线路远距离输电,由于电压源离负荷很远,其补偿电压损耗和功率损耗的能力比较困难

（二）负荷侧所带负载太重,使得线路传输电流增大,电压、功率损耗增加,发电机越限时不能补偿电压和功率的损失,致使负荷侧电压下降甚至崩溃在负荷水平较重和系统无功不足的情况下,系统遭受扰动时,发电机过励限制器和负荷有载调压变压器等慢动态装置的相互作用,会使系统动态电压发生不稳定。

三、电压失稳的形式：

（一）静态电压稳定问题

负荷的缓慢增加导致负荷端母线电压的下降,当电压下降或接近至最大负荷极限值时,如果继续增加负荷或系统故障的发生都会使母线电压发生不可逆转的急剧下降。

（二）动态电压稳定问题

系统发生故障扰动后的恢复过程中,如果系统结构变得很脆弱,发电机及其控制器、负荷的动态行为等都会在电压失稳前的动态过程中对电压稳定性产生影响。

（三）暂态电压稳定问题

系统发生大干扰时,发电机之间发生相对摇摆,在此过程中,可能未达到功角失稳的程度,但是某些负荷的母线电压可能会发生不可逆转的下降。

四、电压稳定问题的分析方法

（一）静态稳定分析方法

潮流方程和扩展的潮流方程是静态分析方法的基本立足点。静态分析方法一般是将潮流方程的临界解作为电压稳定的极限判定。其主要有:潮流多解法、连续潮流多解法、最大功率法以及奇异值分解法等。

1、潮流多解法

电力系统的潮流方程是一组非线性方程组,通过对潮流方程解的研究判断电压的稳定性。一个n节点系统的解最多可能有2n-1个解,并且都是成对出现,其中一个为高值解是稳定解,一个为低值解为不稳定解。随着系统负荷水平的增加,潮流界的个数将成对减少。当系统达到静态电压稳定极限时,潮流解就只剩下一对解,若此时发生扰动,则高值解向低值解转化,系统发生电压崩溃。从而可利用潮流界的个数来估计系统接近临界点的程度。

2、连续潮流多解法

连续潮流法是通过增加一个方程来改善潮流计算在系统接近电压崩溃点时的不收敛性。连续潮流不仅能求出静态电压稳定的临界点,而且能描述电压随负荷增加的变化过程,绘制出P-V曲线,同时考虑各元件的动态响应。

3、最大功率法

最大功率法将网络传输极限功率时的运行状态作为静态电压稳定的极限状态。如果系统的功率无法平衡,即不存在稳定的平衡点,那么就认为系统会发生电压失稳。可以采用有功功率最大值或无功功率最大值作为临界电压。此方法是基于P-U或Q-U曲线定义电压稳定的方法,曲线的顶点即为最大功率。

4、奇异值分解法

奇异值分解(特征值分析)法把潮流雅可比矩阵的最小奇异值作为电压稳定的指标,用来反映当前工作状态接近临界工作状态的程度。电压稳定临界点,从物理上是系统到达最大功率传输点,而从数学角度上就是系统潮流方程雅可比矩阵奇异的点。当系统的负荷接近其极限状态时,潮流雅可比矩阵接近奇异,因此,最小奇异值映射出雅可比矩阵奇异程度[3]。

5、动态分析方法

动态分析方法考虑了发电机、有载调压变压器、电动机励磁系统、负荷等元件的动态特性,可以用一组微分方程、差分方程和代数方程组(DDAE)来描述。通过对系统进行长时间动态仿真分析可以有效研究电压失稳或崩溃机理、过程。动态电压稳定根据扰动的大小分为小扰动稳定和大扰动稳定。

参考文献：

[1]严正,李磊,韩冬等.基于改进超效率数据包络分析的低碳电力生产效率评估模型[J].电力系统自动化,2014,(17):170-176.DOI:10.7500/AEPS20140112003.

[2]周绍杰,刘生龙,胡鞍钢等.电力发展对中国经济增长的影响及其区域差异[J].中国人口•资源与环境,2016,26(8):34-41.DOI:10.3969/j.issn.1002-2104.2016.08.006.

[3]张斌,庄池杰,胡军等.结合降维技术的电力负荷曲线集成聚类算法[J].中国电机工程学报,2015,(15):3741-3749.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.15.001.