考慮電壓敏感的負荷特性的電力系統暫態穩定研究

林承華，林 東

（福建工程學院 電子信息與電氣工程系，福建 福州 350108）

考慮電壓敏感的負荷特性的電力系統暫態穩定研究

林承華，林 東

（福建工程學院 電子信息與電氣工程系，福建 福州 350108）

圍繞電壓敏感的負荷特性對電力系統暫態穩定的影響這一問題展開研究.描述了一個基于MATLAB的電力系統仿真軟件PSAT在電力系統暫態穩定中的應用.利用PSAT軟件中的5機14節點的系統模型作為仿真實例，建立不同參數的電壓負荷模型，經過時域仿真得到大量的仿真圖形和數據.結果表明：電壓負荷參數的改變對電力系統暫態穩定具有一定的影響.

電力系統；電壓負荷；暫態穩定；PSAT

1 引言

電力系統暫態穩定是指系統在正常運行狀態下經受大擾動后,各同步發電機保持同步運行并過渡到新的穩定運行方式或恢復到原來穩定運行方式的能力，通常指保持第一或第二個振蕩周期不失步.大擾動一般指短路故障、突然斷線、負荷的瞬間大容量突變、大容量發電機組的切除、輸電或變電設備的切除等.在電力系統暫態穩定中電壓穩定是一個復雜而又至關重要的問題，因此本文著重研究電壓負荷對電力系統電壓穩定的影響.負荷是電力系統中最重要的部分之一，其對電力系統的電壓穩定性影響之大已經得到了電力系統幾乎所有研究人員的肯定.因此，研究負荷模型對電力系統電壓穩定性的影響有重要意義.

文獻[1]指出：如果電力系統能夠維持電壓以確保負荷增加時，負荷消耗的功率隨著增大，就稱系統是電壓穩定的；反之就稱系統是電壓不穩定.文獻[2]也指出：如果受到一定的擾動后，鄰近節點的負荷電壓達到擾動后平衡狀態的值，并且該受擾狀態處于擾動后的穩定平衡點的吸引域內，那么就認為系統是電壓穩定的；與此相反，如果擾動后平衡狀態下負荷鄰近的節點電壓低于可接受的極限值，那么就成稱系統電壓崩潰.所謂電壓崩潰，是指由于電壓不穩定所導致的系統內大面積、大幅度的電壓下降過程.

2 負荷特性和負荷的數學模型

2.1 負荷特性

負荷特性指負荷功率隨負荷端電壓或系統頻率變化而變化的規律，因而有電壓特性和頻率特性之分.它們又都可進一步分為靜態特性和動態特性兩類.前者指電壓或頻率變化后進入穩態時負荷功率與電壓或頻率的關系；后者指電壓或頻率急劇變化過程中負荷功率與電壓或頻率的關系.頻率的偏移不是電壓穩定問題的主要因素，所以在本文中只討論電壓負荷特性.

負荷特性對電壓穩定有著極其重要的影響,因為從靜態看,負荷的靜態特性尤其是低電壓條件下的靜態電壓特性在根本上決定了系統靜態運行點的電壓穩定行為;從動態看,負荷的功率恢復特性及低電壓失穩特性在根本上決定了系統電壓崩潰與否及電壓崩潰的過程.

2.2 負荷的數學模型

電壓穩定分析中對模型要求有別于其他仿真的獨特之處在于：負荷模型必須適應電壓大跨度變化的要求.一方面負荷的功率恢復特性可能將運行較低的系統推向崩潰的邊緣,尤其是低電壓失穩特性可能導致電壓崩潰；另一方面負荷的低電壓失穩而脫離電網則可以抑制電壓崩潰的發生.這就是負荷特性對電壓穩定的雙重性,因此理想的用于電壓穩定分析的負荷模型必須能夠描述這種二重性.

負荷模型可以用一個函數形式的表達式來描述，如式1，式2，其自變量是電壓U、頻率f以及另一個獨立的變量即負荷需求Z，在此必須強調實際負荷消耗功率（P、Q）與負荷需求z之間的區別，因為考慮電壓負荷特性后，有可能負荷需求的增長反而導致功率消耗的減少.

電壓負荷，即負荷功率隨負荷端電壓變化而變化的負荷，其功率是母線電壓的單項式函數.如式3、式4所示：

式中無量綱量z代表負荷需求（取Z=1）

U——實際運行電壓

U0——潮流算得的母線初始電壓即無擾動時的正常運行電壓

P——實際有功功率

Q——實際無功功率

P0——電壓為額定值的有功功率

Q0——電壓為額定值的無功功率

α——有功功率指數

β——無功功率指數

指數負荷模型中的指數α、β決定了負荷功率對電壓的敏感程度.其靈敏度為可以用式（5）（6）來表示：

當U=U0時的靈敏度可以得到：

式7、式8即反映了α、β的物理意義，又提供了其量測的理論依據.從電壓負荷數學模型可以看出，只要改變有功功率指數α和無功功率指數β的值就可以改變負荷的電壓，為了得到α、β的變化對電力系統暫態的影響，本文通過PSAT試驗平臺進行仿真，從而得到電壓負荷特性對電力系統暫態穩定影響的具體結果.

3 電壓負荷的仿真

為了研究電壓負荷對復雜電力系統的影響，本文采用了由5機14節點構成的復雜的電力系統，如圖1，此系統由14條Π型傳輸線路、5臺同步發電機、1臺PV發電機、1個故障點和若干變壓器、恒功率負荷、自動電壓調節器（AVR）構成.1-5號母線為69KV的高壓電母線，通過變壓器連接6-14號低壓母線，其中8號母線為18KV，其余為13.8KV的低壓母線.14個節點中2、3、6、8號為PV節點，其余為PQ節點.設定斷路器在1s的時候斷開，在1.5s時閉合，通過這個斷路器的斷開閉合來模擬一個電力系統的斷路故障.

本文中將母線2以加電壓負荷之前該母線上的各個參數定為參考量，通過加載電壓負荷并改變負荷上的相關參數來進行仿真和對比.從而確定改變某種參數下電壓負荷對電力系統暫態穩定的影響.

圖1 5機14節點的電力系統仿真模型

3.1 電壓負荷加在母線2時增大指數的仿真與結論

（1）將電壓負荷加在母線2時，增大無功功率指數β，見圖2.

圖2-1（不加電壓負荷）

圖2-2（α=2、β=64）

圖2-3（α=2、β=6999）

圖2-4（α=2、β=7000）

表1 β取不同值時的電壓和穩定時間

（2）將電壓負荷加在母線2時，增大有功功率指數 α， 見圖3.

圖3 α取不同值時電壓變化曲線

表2 α取不同值時的電壓和穩定時間

圖4 α、β取不同值時電壓變化曲線

表3 α、β取不同值時的電壓和穩定時間

通過以上波形和數據可以看出：

1）從波形上可以看出：不論是增大無功功率指數β或者是增大有功功率指數α，還是同時增大β和α，母線2電壓在受到擾動后都會重新達到穩定的，而且穩定性隨著指數的增大而提高.但是當β或者α增大到一定值時，系統就會出現電壓崩潰.

2）從“達到穩定時間”可以看出：同時增大α、β時母線2電壓在受到擾動后達到穩定時間最短、其次是只增大有功功率指數α，達到穩定時間最長的是只增大無功功率指數β.所以同時增大α、β時母線2電壓在受到擾動后能最迅速的恢復到穩定狀態.

3）通過△V可以發現：隨著α、β這兩個指數的不斷增大，母線2電壓的波動在逐漸減小，說明達到穩定的時間在縮短，這也與仿真得出的“穩定的時間”相吻合.

4）通過4S時的電壓變化可以發現：4S時波峰的電壓在逐漸降低，有達到穩定的趨勢.

3.2 電壓崩潰

從圖2-4、圖3-4、圖4-4可以看出：當電壓負荷增大到一個值時，系統就不能重新趨于穩定，這時出現電壓崩潰現象.80年代以來,國外多次發生大電力系統因電壓失穩而導致系統崩潰,造成大面積停電的事故，在電壓穩定分析中,通常把系統中某一節點的功率極限作為靜態電壓穩定極限,靜態電壓穩定臨界點也就是電壓崩潰點.系統的電壓-功率傳輸特性,即V-P或V-Q曲線（通常稱為鼻形曲線）是分析靜態電壓穩定性的有力工具[3-6].而本文是間接利用鼻形曲線，通過V-α、V-β曲線來分析電壓的崩潰點，達到很好的效果.

4 結語

電力系統的暫態穩定是一個復雜而又至關重要的問題，安全穩定運行是電力系統首要的任務.本文通過PSAT軟件對敏感性電壓負荷進行模擬仿真，得出了不同的電壓負荷對電力系統的暫態穩定的影響，并提出了用V-α、V-β曲線來分析電壓的崩潰點，具有很好的現實意義，并為后續更深入的研究提供強有力的理論支持.

〔1〕王一宇,周于邦，等.電力系統暫態分析.北京：中國電力出版社，2003.

〔2〕周春梅.論我國電力系統穩定運行.科技資訊，2008,12（1）：8-12.

〔3〕王梅義，等.大電網系統技術.北京:中國電力出版社,1995.

〔4〕Taylor C W.Power system voltage stability.M cGraw-Hill,Inc.1994.

〔5〕程浩忠.電力系統電壓崩潰研究.電力系統自動化,1996,19（11）:13-17.

〔6〕李欣然,賀仁睦,章健,張伶俐.負荷特性對電力系統靜態電壓穩定性的影響及靜態電壓穩定性廣義實用判據.中國電機工程學報，1999,19（4）:26-30.

TP273

A

1673-260X（2012）01-0107-04

福建省自然科學基金項目（2010J05102）