電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定的統(tǒng)一分析原理

（國網(wǎng)四川省電力公司德陽供電公司，四川 德陽 618000）

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定的統(tǒng)一分析原理

丁 睿

（國網(wǎng)四川省電力公司德陽供電公司，四川 德陽 618000）

電壓穩(wěn)定與功角穩(wěn)定的統(tǒng)一問題一直是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，這兩種情況均屬于一種極端狀態(tài)，分析電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)問題，必須分別對二者進行分析，同時對二者之間的關(guān)系統(tǒng)一進行分析，這是掌控電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。為此，本文分別闡述了電壓穩(wěn)定及功角穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)問題，并對二者的統(tǒng)一分析原理進行了簡述，以供參考。

電力系統(tǒng)；電壓穩(wěn)定；功角穩(wěn)定；統(tǒng)一分析

隨著社會水平與經(jīng)濟水平的提高，生活用電量與工業(yè)用電量猛增，這就對電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性提出了更高的要求。世界上許多國家都由于停電發(fā)生電壓穩(wěn)定問題。由于在電力系統(tǒng)中，僅有兩種狀態(tài)，即不穩(wěn)定性和穩(wěn)定性2種，如果一個系統(tǒng)是由一個PQ節(jié)點與一個平衡點構(gòu)成，則只存在電壓穩(wěn)定問題；若一個系統(tǒng)是由一個PV節(jié)點與一個平衡點構(gòu)成，則此系統(tǒng)只存在電壓穩(wěn)定問題。

1 電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)問題

1.1 功角穩(wěn)定問題。在互聯(lián)系統(tǒng)中，如果同步發(fā)電機受到干擾，但仍擁有同步運行的能力，即為功角穩(wěn)定狀態(tài)。造成功角失穩(wěn)的原因主要有兩方面因素，一是同步轉(zhuǎn)矩不足，二是阻尼轉(zhuǎn)矩不足。前者會導(dǎo)致非周期性的失穩(wěn)，而后者則會導(dǎo)致振蕩性的失穩(wěn)。

當(dāng)電力系統(tǒng)受到外界干擾后，其潮流及發(fā)電機兩者的輸出功率即會發(fā)生相應(yīng)的變動，在發(fā)電機方面，即會表現(xiàn)出其轉(zhuǎn)軸發(fā)生不平衡轉(zhuǎn)矩的現(xiàn)象，一旦此情況出現(xiàn)，即會改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，進而使轉(zhuǎn)子間的相對角度發(fā)生相應(yīng)的一系列變化，變化反作用于各發(fā)電機的輸出功率，進而影響各發(fā)電機功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子間的相對角度，造成發(fā)電機電流、輸出功率及電壓出現(xiàn)大幅度波動，最終導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。

1.2 電壓穩(wěn)定。電壓穩(wěn)定性包括2個方面，一是發(fā)生電力系統(tǒng)初始狀態(tài)下，二是在受到干擾后，仍然可以將母線電壓維持在穩(wěn)定值得能力。當(dāng)出現(xiàn)干擾時，如系統(tǒng)狀態(tài)變化或負(fù)荷增加引起的電壓下降或增高，表明其直接進入電壓不穩(wěn)狀態(tài)，通常導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要因素為電力系統(tǒng)喪失了滿足無功功率需求的能力。

對系統(tǒng)功角穩(wěn)定的分析，應(yīng)集中在被干擾后，發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動規(guī)律與功角穩(wěn)定性問題相比，電壓穩(wěn)定沒有類似的核心方程，重點在于負(fù)荷點的電壓情況，而且相關(guān)人員對電壓穩(wěn)定本質(zhì)方面的相關(guān)研究目前比較缺乏全面的認(rèn)識，相關(guān)研究的理論及對策仍待補充和實踐，所以，對于電壓崩潰機理的問題當(dāng)前仍需進一步研究。

1.3 功角穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定關(guān)系。電壓穩(wěn)定與功角穩(wěn)定間有著密切關(guān)系的，根據(jù)研究得出，暫態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)功角穩(wěn)定有一定聯(lián)系，變化過程較慢的電壓穩(wěn)定和小干擾功角穩(wěn)定有關(guān)。根據(jù)IEEE報告分析兩種極端情況：（1）遠方的一臺同步發(fā)電機由輸入線路接入了無窮大系統(tǒng)；（2）一臺同步發(fā)電機或無窮大系統(tǒng)由輸電線接入有異步負(fù)荷。圖1表示了這兩種極端情況。

通常在負(fù)荷區(qū)域某點出現(xiàn)崩潰問題時，一般都是由于電壓失穩(wěn)所引起的，在距離負(fù)荷區(qū)域較遠的系統(tǒng)某點出現(xiàn)崩潰問題時，通常是由電壓發(fā)電機失去同步引起的功角失穩(wěn)問題。在電力系統(tǒng)中，負(fù)荷區(qū)域與負(fù)荷特性是引發(fā)電壓穩(wěn)定性問題的主要因素，將長距離的輸電線路引入大系統(tǒng)中，雖然已經(jīng)盡可能地確保發(fā)電機保持同步運行，但亦常發(fā)生發(fā)電壓崩潰事故，多數(shù)研究者認(rèn)其為這是負(fù)荷穩(wěn)定，是電壓穩(wěn)定的本能，可見，電機穩(wěn)定是功角穩(wěn)定的本質(zhì)。

2 電壓穩(wěn)定的分析方法

在電力系統(tǒng)中，使用潮流平衡點的存在來分析電壓是否穩(wěn)定，這是分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定的主要方法，無功功率Q的傳輸與電壓幅值U關(guān)系緊密，無功功率傳輸通常是從高壓節(jié)點向低壓節(jié)點流動，因此引起電壓不穩(wěn)定的主要原因就是點原距離負(fù)荷中心較遠，線路傳輸功率較大，系統(tǒng)無功率電源不足等。可用差分方式、微分方程以及代數(shù)方程組來對電壓穩(wěn)定進行描述，將勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機以及各種負(fù)荷等元件的動態(tài)特征進行綜合考慮。

3 電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定之間的關(guān)系

利用能量函數(shù)法的理論，將穩(wěn)定平衡點設(shè)置在勢能阱的最低處，不穩(wěn)定的平衡點設(shè)置在勢能阱的壁上，UEP和阱壁上的最小勢能點可相互適應(yīng)，臨界穩(wěn)定時，電力系統(tǒng)在I類UEP附近選出勢能阱。

在能量函數(shù)的理論下，電力系統(tǒng)中的電壓穩(wěn)定與功角穩(wěn)定都可以看作是UEP模式，用不同的UEP模式區(qū)分兩者。若電力系統(tǒng)中同時存在電壓失穩(wěn)模式與功角失穩(wěn)模式時，可以利用UEP分析兩者的關(guān)系，得出系統(tǒng)在大擾動中會以什么方式失穩(wěn)，這也取決于系統(tǒng)故障中變化的系統(tǒng)狀態(tài)，若電壓失穩(wěn)模式的UEP是主導(dǎo)UEP，那么則為暫態(tài)電壓失穩(wěn)；當(dāng)功角失穩(wěn)模式的UEP是主導(dǎo)UEP時，則為功角失穩(wěn)；如在不同功率的變化方式與功率分布時，兩種極端情形是可以同時出現(xiàn)的，也可以單獨出現(xiàn)，并且二者還可以相互轉(zhuǎn)化。

圖1 表示穩(wěn)定問題極端情況的簡單系統(tǒng)

4 電壓穩(wěn)定與功角穩(wěn)定的統(tǒng)一分析

4.1 電壓穩(wěn)定判據(jù)與靜態(tài)功角穩(wěn)定判據(jù)的關(guān)系。由于以往對電壓失穩(wěn)的解釋大都建立在負(fù)荷恒定阻抗模型的基礎(chǔ)上，因此無法對其進行合理詮釋，而不合理的解釋則直接導(dǎo)致靜態(tài)功角穩(wěn)定判據(jù)和電壓穩(wěn)定的判據(jù)存在差異，只能清楚表明靜態(tài)功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定有一定聯(lián)系。PV節(jié)點有功功率失去平衡與PQ節(jié)點電壓失去穩(wěn)定的密切關(guān)系，于此同時，其可詮釋些許電壓失穩(wěn)的機理問題，但需牢記，應(yīng)注意時間動態(tài)特性的電壓穩(wěn)定性，所以，這還有待相關(guān)人員進行深入研究。

4.2 無功補償約束下電壓穩(wěn)定分析。在PV節(jié)點無功功率越限前，PV節(jié)點一直保持靜態(tài)功角穩(wěn)定狀態(tài)。若PV節(jié)點的無功功率剛好超過限度，則PV節(jié)點立即會發(fā)生轉(zhuǎn)變，及成為PQ節(jié)點，而相應(yīng)的電壓穩(wěn)定狀態(tài)亦會被破壞，這種狀態(tài)亦稱為約束誘導(dǎo)分岔點，其為電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定解，或電壓穩(wěn)定臨界點始終位于節(jié)點P-V曲線的下半支。

結(jié)語

研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定及功角穩(wěn)定間的關(guān)系，及其統(tǒng)一分析原理意義重大。所以，對電壓穩(wěn)定與功角穩(wěn)定的關(guān)系進行解析，能夠了解電力系統(tǒng)發(fā)生這兩種極端情形的原因，有利于技術(shù)人員制定合理的解決方案，調(diào)整運行方式。

[1]劉光曄，楊以涵.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與功角穩(wěn)定的統(tǒng)一分析原理[J].中國電機工程學(xué)報，2013（13）.

[2]范強，彭志煒，張靖.功角穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)性研究現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012（12）.

[3]王銳，曹清亮，朱凌志，周雙喜.電壓穩(wěn)定分析的潮流算法研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2012（05）.

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