電力系統電壓穩定性的破壞原因及機理研究

摘要：隨著電力事業發展迅速，電網內部也存在著引起電壓崩潰的因素，而且可能更為突出，只是由于目前大多數有載調壓器分接頭未投入自動和電力部門過早地采用了甩負荷這一最后的措施，因而電壓穩定問題似乎顯得不那么突出。本文針對電壓穩定性破壞進行了詳細的分析。同時，探討了電壓穩定性的分類以及電壓穩定性的機理分析。

關鍵詞：電力系統 穩定性 小擾動電壓 大擾動電壓

隨著電力市場化，人們對電能質量要求提高，甩負荷這一措施的使用將會受到限制。研究認為，電壓崩潰日趨嚴重的主要原因有以下幾點:一是由于經濟上及其它方面(如環保)的考慮，發、輸電設備使用的強度日益接近其極限值;二是并聯電容無功補償大量增加，因而當電壓下降時，向電網提供的無功功率按電壓平方下降;三是線路或設備的投切，引起電壓失穩的可能性往往比功角穩定研究中所考慮的三相短路情況要大得多，然而人們長期以來只注意功角穩定的研究。

1 電壓穩定問題的研究內容

目前的研究工作按照其目的不同可以分為三大類電壓崩潰現象機理探討、電壓穩定安全計算和預防措施研究。電壓崩潰機理探討的目的是要弄清楚主導電壓崩潰發生發展的本質因素、電壓穩定問題和電力系統中其他問題的相互關系，以及電力系統中各種元件對電壓穩定性的影響，并建立分析電壓穩定問題的恰當的系統模型。早期的靜態研究中的機理認識集中在，P一V曲線和Q一V曲線分析、潮流多解的穩定性分析和基于靈敏度系數的物理概念討論?動態因素受到重視以后，負荷的動態特性、有載調壓變壓器的負調壓作用受到了普遍關注。目前普遍認為無功功率的平衡、發電機的無功出力限制、的動態和負荷的動態特性與電壓崩潰關系密切。但是在目前階段對電壓崩潰機理認識還不一致，不同研究人員所采用的系統模型也有很大的差別，迫切需要全面深入地開展電壓失穩機理的探討。負荷動態特性是探討電壓失穩機理的關鍵，建立適合于電壓穩定研究的負荷模型已受到重視比。

電壓穩定安全指標計算包括兩個方面尋找恰當的安全指標和盡量快速又有足夠精度的計算方法。已提出的安全指標主要有：各類靈敏度指標、潮流稚可比矩陣奇異值指標、最小模特征值指標、負荷狀態空間中潮流多解間的距離指標、臨界電壓指標和裕度指標ΔP、ΔQ和ΔV。裕度指標的線性性很好，但涉及臨界點的求取，因為潮流雅可比矩陣奇異給計算帶來困難，目前已經在這方面做了許多工作，其他的指標只用到當時系統運行狀態的信息，計算簡單，但線性性差，稱之為狀態指標比較貼切。目前需要解決以下三個問題快速準確的裕度指標計算方法根據動態機理對各類指標的合理性、準確性進行檢驗，為運行部門選擇指標提供依據在快速算法中計及影響電壓穩定的主要動態元件的作用，比如發電機無功越限和負荷特性的影響等。

預防措施的研究，以日本和法國采取的事故對策最為出色。前者強調增強事故狀態下的電壓控制能力，后者基于其對電壓崩潰過程的時段的劃分，側重于事故發生前的緊急狀態下的預防措施。目前普遍認為，加強無功備用、提高緊急狀態的無功應變能力、防二無功功率的遠距離傳輸、緊急切負荷、閉鎖甚至反調是預防嚴重事故的有效措施。

2 電壓穩定性破壞的原因

電壓崩潰的起因。電力系統穩定問題的物理本質是系統中功率平衡問題，電力系統運行的前提是必須存在一個平衡點。電力系統的穩定問題，直觀的講也就是負荷母線上的節點功率平衡問題。當節點提供的無功功率與負荷消耗的無功功率之間能夠達成此種平衡，且平衡點具有抑制擾動而維持負荷母線電壓的能力，電力系統即是電壓穩定的，反之倘若系統無法維持這種平衡，就會引起系統電壓的不斷下降，并最終導致電壓崩潰。當有擾動發生的時候，會造成節點功率的不平衡，任何一個節點的功率不平衡將導致節點電壓的相位和幅值發生改變。各節點電壓和相位運動的結果若是能穩定在一個系統可以接受的新的狀態，則系統是穩定的，若節點的電壓和相角在擾動過后無法控制的發生不斷的改變，則系統進入失穩狀態。電力系統的電壓穩定和系統的無功功率平衡有關，電壓崩潰的根本原因是由于無功缺額造成的，擾動發生后，系統電壓無法控制的持續下降，電力系統進入電壓失穩狀態。無論是來自動態元件的擾動還是來自網絡部分的擾動，所破壞的平衡均歸結為動態元件的物理平衡。電力系統的動力學行為僅受其動態元件的動力學行為及其相互關系的制約。

3 電壓穩定性的分類

將電壓穩定性問題適當分類，對電壓穩定性的分析，造成不穩定基本因素的識別，以及提出改善穩定運行的方法等都是有利的。

3.1 按擾動的規模來講電壓穩定問題可以分為小擾動電壓穩定性，大擾動電壓穩定性。一是小擾動電壓穩定性是在如系統負荷逐漸增長，送到負荷節點的功率的微小變化之下系統控制電壓的能力。二是大擾動電壓穩定性是關于在發生諸如系統故障后，系統控制電壓的能力。這些擾動包括輸電線上短路、失去一臺大發電機或負荷，或者失去兩個子系統間的輸電線。系統對大擾動的響應涉及大量的設備。此外，用來保護單個元件的裝置對系統變量變化的響應也影響系統的特性。

3.2 按照失穩事故的時間場景電壓穩定問題可以分為：一是暫態電壓穩定性，穩定破壞的時間框架從0~大約10秒，這也是暫態功角穩定性的時間框架。在這類電壓不穩定中，電壓失穩和功角失穩之間的區別并不總是清晰的，也許兩種現象同時存在。二是中期電壓穩定性，穩定破壞的時間框架通常為30秒到50秒，典型者為2到3分。發生此類電壓失穩事故時電力系統一般處于高負荷水平，且從遠方電源送入大量功率，當重載條件下運行的系統受到突然的大擾動后，由于電壓敏感性負荷的作用，系統能夠暫時保持穩定。三是長期電壓不穩定性，這種場景的電壓崩潰發展過程經歷一個相當長的時間，其過程可大致描述如下:負荷過速增長，導致主要負荷母線電壓單調下降。

4 小擾動電壓穩定性的機理分析

電力系統在給定的穩態運行點遭受任意小的擾動后，如果負荷節點的電壓與擾動前的電壓值相同或者相近，則稱系統在給定運行點為小干擾電壓穩定，此時系統擾動后的狀態位于系統擾動后的吸引域內。從負荷節點可將系統分為兩部分，一部分可以看為電源系統，則另一部分看為負荷。小擾動電壓穩定性的前提是擾動后的系統電源的無功—電壓靜態特性和負荷的無功—電壓靜態特性必須有交點，并且在該點具有維持電壓不變或有微小變化的能力。

5 大擾動電壓穩定性的機理分析

小擾動電壓穩定性是系統在受到擾動后是否存在平衡點的問題，對于大擾動電壓穩定性而言，擾動后的系統存在平衡點是其必要條件，但不是充分條件，系統是否能夠恢復到平衡點，還依賴于系統中各元件無功功率的變化速度。當電源自動調節的速率愈快時，對大干擾的穩定性愈有利。在穩定性的評價中所關心的問題是電力系統遭受暫態擾動后的行為。電力系統在給定的穩態運行點遭受一定的擾動后，如果故障后平衡點超出系統運行限制范圍，系統沒有能力保持在一個靜態穩定的運行點，也就是擾動后由于負荷QL增長，QL—U向上移動，或電源QG下降QG—U向下移動，使QL—U完全在QG—U上方，兩者無交點，表示在任意電壓下均有負荷吸收的無功大于電源發出的無功。系統失去發電機或回路的事故之后控制電壓的能力，因此電壓崩潰，電壓穩定性破壞。大擾動的電壓穩定性涉及系統中的大量設備，但在任何給定條件下，只有有限數量設備的響應是至關重要的。為確定穩定性所必須考慮的裝置、過程和時間范圍對大擾動電壓穩定問題的研究至關重要。

七十年代末以來，電壓穩定研究取得了很大的進展，但是仍然存在許多問題，甚至對電壓失穩機理的認識也還沒有統一，進一步開展電壓穩定問題研究非常必要。在以后的研究工作中，確定負荷動態在電壓穩定問題中的主導地位，建立適合于電壓穩定性研究的負荷模型，將是電壓穩定理論走向成熟的關鍵。

參考文獻：

[1]袁季修.電力系統安全穩定控制[M].北京:中國電力出版社.