試論電力電壓穩定及控制的重要性

彭洪志

廣西浩天實業有限公司南寧電纜工程建設分公司，廣西 南寧 530031

0 引言

近幾年，隨著各種科技日益的更新及發展，電力系統已經進入到了一個新時代。由于系統日益復雜化，使得電力系統中的電壓穩定性問題越來越突出，成為了現代電力系統要解決的重要問題之一。而各地先后發生了多起由于電壓失穩導致的大面積停電事故，造成了巨大的經濟損失和嚴重的社會影響，因此，如何解決電壓穩定及控制技術，避免電壓崩潰事故的發生，具有重要的意義。

1 電壓的穩定的重要性

在電力系統中電壓的穩定性，是指從給定的初始運行條件出發，遭受擾動后電力系統在所有母線上保持穩定電壓的能力，它依賴于電力系統中保持或恢復負荷需求和負荷供給平衡的能力。可能發生的失穩，表現為一些母線上的電壓下降或升高。電壓的穩定，是保證電力系統穩定性的重要指標之一。電壓的失穩，將造成電力系統中負荷的喪失、傳輸線路的跳閘、系統的級聯停電，以及發電機異步等情況。由于電壓失穩的情況復雜多變，在探討電壓穩定性技術時，必須對電壓穩定性能進行分類。最新的電壓穩定性能分類，主要從2個角度進行劃分：

1）從外界擾動性質出發的電壓穩定性劃分從外界擾動的性質出發，可分為：

（1）大擾動電壓穩定。指系統在遭受大的擾動后，保持電壓穩定的能力；

（2）小干擾電壓穩定。指系統在遭受小的擾動如系統負荷增加后，保持電壓穩定的能力。

2）從時間范圍的角度出發，電壓的穩定性可以分為：

（1）短期電壓穩定。包含快速動作元件如感應電動機、電子控制負荷、HVDC變流器的動態過程；

（2）長期電壓穩定。涉及慢動作設備如變壓器分接頭、溫控負荷、發電機勵磁電流限制器等。

2 電壓穩定性的分析

2.1 造成電壓不穩的主要原因

從電壓穩定性能的原理和分類中可以看出，造成電壓不穩的主要原因表現在2個方面：

1）長線路遠距離輸電，且其使用強度日益接近其極限值，由于功率源和電壓源離負荷很遠，其補償電壓損耗和功率損耗的能力愈趨困難；

2）負荷側所帶負載太重，造成高壓線路上傳輸電流增大，電壓損耗和功率損耗（包括有功和無功功率）增加，發電機越限時不能補償電壓和功率的損失，致使負荷側電壓下降甚至崩潰。

當負荷水平較重和系統無功不足的情況下，當有擾動發生時，發電機過勵限制器和負荷有載調壓變壓器等，這些慢動態裝置的相互作用，會使系統動態電壓發生不穩定。

2.2 分析電壓穩定性能的技術

分析電壓穩定性能的技術，主要從無功和負荷2個點著手：

1）無功不足的電壓失穩分析。通常認為，有功與頻率有關，而無功與電壓有關。這種說法雖不嚴謹，但也有其一定道理。從無功和電壓的關系分析電壓穩定性，可以如下表述：當節點的電壓幅值隨這個節點的無功支持的增加而增加時，則認為系統是電壓穩定的；而當其中至少有一個節點的電壓幅值，隨這個節點的無功支持的增加反而降低時，認為系統是電壓不穩定的。比如，當系統中所有節點的U-Q靈敏度都為正時，對應電壓穩定狀態；只要系統中有一個或多個節點的U-Q靈敏度為負時，對應于系統電壓失穩。系統中無功功率損耗很高，并且遠大于有功功率損耗。當系統中無功功率短缺時，會造成電壓水平的低下，當系統發生某些微小擾動時，有可能會使某些樞紐變電所母線電壓不穩，其母線電壓可能在頃刻之間就大幅度下降，不僅會造成電壓不穩現象，更嚴重的還可能發展為電壓崩潰事故。

2）負荷突增時的電壓失穩的分析。互聯電力系統的電壓失穩，常常發生在系統負荷很重的情況下。當負荷接近極限時，如果再增加少量負荷，系統電壓可能就會突然急劇下降，嚴重時甚至不能控制，導致電壓失穩現象的發生。負荷特性很大程度上決定了電壓失穩/電壓崩潰的歷程。

如果一個電力系統處于重載情況，假定負荷已接近于臨界狀態，無功電源已達極限，無法再提供多余的無功支持時，系統發生很小的電壓降低，或負荷稍微增加一點，都會打破系統的平衡，導致系統的局部電壓失去穩定，最終結果可能就是整個系統的電壓崩潰。

2.3 電壓失穩的形式

1）靜態電壓穩定問題。緩慢增加的負荷，導致了負荷端母線電壓也慢慢下降，當電壓下降到電力系統所能承受的最大負荷極限值，或接近這一極限值時，當繼續增加負荷、系統發生故障或系統運行的正常操作等擾動發生，都會使負荷母線電壓發生不可逆轉的突然下降，而且在電壓突然下降之前的整個過程中，并未發現發電機轉子角度和母線電壓相角有很大變化。

2）動態電壓穩定問題。電力系統發生故障后，運行人員會采取一些控制糾正措施來保證系統的功角暫態穩定和維持系統的頻率；但如果系統結構已經變得很脆弱了，或者系統中電源支持負荷的能力變弱了，那么緩慢的負荷恢復過程，也可能會導致電壓的失穩。由于電力系統在發生電壓失穩之前，己經處于一個動態過程中，因此，發電機及其控制器、負荷的動態行為，都會對系統的電壓穩定性產生影響。

3）暫態電壓穩定問題。在電力系統發生大擾動（如系統故障等）時，發電機之間發生相對搖擺，同時系統中某些負荷母線的電壓，會發生不可逆轉的突然下降，而此時發電機之間的相對搖擺，可能還未達到功角失穩的程度。

3 電壓穩定控制的措施

電壓穩定控制，是電力系統穩定控制的重要組成部分。由于在很多實際的電壓失穩事例中，完全沒有功角不穩定即將來臨的跡象，因此，針對電壓失穩的情況的電壓控制，非常有進行探討的必要。電壓控制，是在電壓發生故障或者負荷連續快速增長的情況下，電力系統進入危險狀態、處于電壓失穩或者電壓崩潰的過程中，通過采取適當的措施，使電力系統恢復到正常狀態，或者暫時進入恢復狀態的控制。

3.1 保證電壓穩定的兩種控制措施

通常保證電壓穩定性，一般可以采取兩種控制措施：預防控制和緊急控制。根據約束條件是否滿足，電力系統運行可分為正常狀態、警戒狀態、緊急狀態、極端緊急狀態（電壓崩潰）和恢復狀態。

1）預防控制。在系統進入電壓警戒狀態時進行，主要通過在系統運行于穩定邊界時，設定無功校正裝置的動作整定值，以及校正現場控制器的可控變量，將系統運行點拉回到穩定區域。

2）緊急控制。是在緊急狀況下，系統已經處于電壓失穩的過程中，采取的用以防止電壓崩潰的措施。基于對電力系統中電壓失穩的危害分析，電壓崩潰所造成的后果最為嚴重，所以，對其的防治措施的探討也最有意義。電壓緊急控制，是保證電壓穩定防止電壓崩潰的主要手段。在以前，電力系統中常用的電壓穩定控制措施，是無功補償法，但是由于電壓無功問題本身所具有的局域性質，以及在緊急控制中對于算法實時性的要求，電壓緊急控制不宜采用全網集中優化控制的方法。

3.2 分布式的控制方法

分布式的控制方法，即將全系統的優化控制，分解為不同的控制子區域的控制問題，可以應用“分解－協調”的方法，推廣控制理論中的最優控制、穩定性分析、模型化技術進行控制的分析和設計，消除和緩解維數災，也更加符合電壓無功問題的本質特點。根據系統的狀態，在緊急情況時，將電力系統分為若干個控制區域。在每一個控制區域設有電壓緊急控制器，獨立監測本區域的運行狀態，對本區域的突發事件做出緊急處理，快速計算出本區域的電壓危險節點，并將其作為控制目標，從而保證本區域的電壓水平。基于這種思想的分布式電壓緊急控制的分層結構，如圖1所示。圖中現場級包括的各種電壓無功控制手段，以及裝設于配電變電站的低壓切負荷裝置，其中既有發電機勵磁控制、調相機和FACTS設備等連續調節手段，也有LTC分接頭和切負荷等，受離散事件動態控制的緊急措施。協調級分布式電壓緊急控制的核心環節，以本地區電壓安全穩定為目標，在電壓控制的不同階段，針對性地協調控制分散在各處的現場級電壓無功控制器，高效合理地控制無功功率的流動；并接收上一級的指令，在必要時和其他的控制區域進行協作。組織級作為電壓緊急控制的最高級，其作用是進行全電網的安全穩定分析，以及全局經濟優化控制等功能。在電壓緊急情況時，在必要的情況下，協調不同的控制區域，以保證系統的穩定運行。

3.3 電壓緊急控制策略

具體的電壓緊急控制策略，有切負荷和無功控制。前者是最直接有效的緊急控制手段，但這種方法的負面影響較大；后者在緊急控制中，起到不可忽視的作用，合理運用可以最小化切負荷這種硬方法帶來的負荷損失。分布式無功緊急電壓控制的基本目標，是通過及時地利用區域內所用可能的無功結出力維持電壓穩定性。控制中心在電壓失穩發生時，實時確定電壓控制分區，并將普通的二級電壓控制策略，切換到緊急控制策略。緊急控制通過快速的協調的逐步強制設定發電機以及STATCOM的出力來完成。參與控制的手段除了快速的FACTS元件和發電機外，還包括響應速度稍慢的無功源（主要為并聯電容器）。如果經過上節的控制，危險節點vc依然越限，則控制慢速設備，如果vc已回到正常范圍內，按照無功等效的原則，投入慢速響應設備，逐步釋放快速響應設備的無功出力，以保證足夠的緊急無功儲備。緊急無功控制策略可用如圖2所示的流程來表示。

圖1 分布式電壓緊急控制層次結構圖

圖2 電壓無功緊急控制流程圖

4 結論

隨著電力系統電壓穩定性的問題受到更多關注，但由于電力需求不斷增長及電網的互連，受到經濟及各種環境的制約，電力系統的運行越來越接近其極限狀態，電力系統的電壓穩定性問題日益突出，探討電壓穩定性能，并在電壓失穩事故發生后所采取的控制措施技術，顯得越來越重要，目前迫切需要的是在最短時間內，采取一切可能的手段保證電壓穩定性，防止電壓崩潰。

[1]李永明.電力系統中電壓穩定及控制技術的探討.裝備制造技術.