基于分支理論探究電力系統電壓穩定性

菅瑞霞

摘 要：在社會經濟高速發展的背景下，我國電力系統也逐漸發展完善，電網結構的復雜程度不斷提升，高電壓、大電網和遠距離已經成為電力系統的主要發展方向，電壓崩潰事故的發生頻率也隨之增加，電力行業對電力系統電壓穩定性的研究逐漸重視。近些年，動態補償器等設備的應用，加劇了問題的復雜程度。本論文針對電力系統電壓穩定性差的問題，基于分支理論，對電力系統電壓穩定性進行探究，并在此基礎上，提出合理的校正建議，希望對促進我國電力事業的發展有所幫助。

關鍵詞：分支理論；電力系統；電壓穩定性

中圖分類號：TM714.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0172-02

0 引言

在科學技術發展的推動下，電力系統逐漸朝向大機組、大電網、高電壓的方向發展，穩定電力系統電壓的難度也隨之加大，電壓失去穩定性，引發惡性事故的情況時有發生。從上世紀80年代截至到目前，發達國家均已發生過多起電壓崩潰的事故。國內電力系統同樣發生過這類事故。就當前的實際情況而言，有關電壓穩定性的理論尚未形成，甚至對于電壓失穩機理也沒有形成統一的看法。目前常用的電壓研究方法主要包括靈敏度法、最大功率法以及擾動法，雖然這些方法，可以起到一定的效果，但卻無法反映問題的實質，然而利用分支理論對電力系統電壓穩定性進行探究，卻可以取得良好的效果。因此，對基于分支理論探究電力系統電壓穩定性進行研究，具有十分重要的意義。

1 電壓穩定性分析方法理論概述

電力系統電壓穩定性探究主要包括以下方面的內容：

（1）建立電力系統數學模型；（2）選擇分析方法；（3）分析電壓穩定性喪失的動力特性；（4）計算電壓穩定裕度；（5）計算安全運行指標；（6）保持電力系統電壓穩定性的措施。

在上述內容中最為關鍵的內容是選擇分析方法，這是保證分析準確性的前提基礎。由于動態分析方法可以對電壓失穩的原因進行分析，故本文利用該分析方法，對電壓失穩問題的物理機理進行研究。

2 電力系統電壓穩定性的分析方法

2.1 小干擾分析法

小干擾分析法是指對系統微分代數運行點處進行線性化處理，其目的在于消除系統代數的變量干擾，繼而得到對電力系統狀態進行反映的方程系數矩陣，然后找出矩陣中的特征值，并根據該值的變化，對系統電壓穩定特性進行判斷。這種方法可以對電力系統中干擾電壓穩定性的元件特征進行統計。但這種方法的效果，會隨著電力系統規模的日益擴大而減弱，僅適用運行點處的系統矩陣，很難對影響電力系統電壓穩定性的原因進行綜合分析。

2.2 動態潮流法

動態潮流指的是系統功率并未處于平衡狀態時的穩態潮流，通過這種方法的使用，在計算潮流的過程中，可以使用微分方程，能夠對傳統的潮流分析方法進行補充和優化，從而得到準確的分析結果。

2.3 能量函數法

能量函數法也被成為直接法，主要是指依據電力系統的特征，建立與之相匹配的能量函數，對比系統受擾動后以及電壓穩定邊界上的能量函數值，并根據差值結果，對系統電壓穩定性進行分析。這個方法為確定電力系統電壓穩定性提供了新的方向，可以得到穩定域，并且可以作為對比不同規模電力系統間電壓穩定性的依據。但是這種方法存在較大的誤差，可信度難以得到保證，并且隨著電力系統規模的日益擴大，這種計算方法已經很難適用于當下。

2.4 時域仿真法

該方法屬于大干擾分析方法的一種，電力系統的微分代數方程是其分析的基礎，可以對動態元件和非線性特性的作用進行保存，通過數值積分的使用，獲取的系統電壓的變化曲線，通過分析曲線，即可明確影響電壓穩定性的因素。該方法具有以下方面的優點：一是對系統元件的動態化特征進行強調，確保了仿真結果的準確性；二是適應能力較強，可以在不同的機制環境下，分析電壓失穩的原因；三是可以對電壓失穩的表現進行直接觀察，從而為解決對策的制定，提供理論依據。

2.5 分岔理論分析法

電力系統在臨界點處如果出現分岔，那么就會導致電力系統電壓失穩問題的發生，這是影響電壓穩定性的根本原因，因此，在探究電力系統電壓穩定性時，應用該分析方法，可以對電壓失穩的物理機理進行明確。基于此，本文在分析電力系統電壓穩定性采用的主要方法就是時域分析法和分岔分析法，充分發揮兩種方法相結合的優勢，得到準確的分析結果[1]。

3 基于分支理論探究電力系統電壓穩定性分析

在社會用電需求不斷增加的背景下，我國電力事業實現了快速的發展，高電壓電網逐漸完善，電力系統結構的也愈加復雜，電壓失穩事故的發生頻率與日俱增。應用分支理論對電力系統電壓穩定性的研究，在國內外相對較少，其中最常見的分叉點主要有兩種，分別為SNB和HB，這兩個分岔點對于電力系統電壓穩定性來說十分關鍵。有助于電壓失穩問題物理機理的研究。在基于分支理論探究電力系統電壓穩定性階段，還要使用一種分岔軟件，這個軟件的研發基礎是windows操作系統，這個軟件的應用，有利于降低分析電力系統電壓穩定性的難度，可以為電力系統電壓穩定性的研究，創造有利的條件。

3.1 分岔分析軟件

隨著分岔理論的日漸完善，分岔分析軟件也實現了快速的發展。其中最常用的軟件為AUTO和MATCONT。其中，在分析電力系統電壓穩定性時，AUTO軟件取得了廣泛的應用，究其原因，主要是研究人員可以借助該軟件，追蹤計算分岔點，為電力系統電壓穩定性的分析研究，提供了一個新的方向，并創造了有利的條件。但是這種軟件卻存在天然的劣勢，這款軟件無法適用于windows操作系統，因而加大了使用的難度。因此，在實際工作過程中，這款軟件只能在特定情況下使用，在分岔分析中的使用相對偏少。

而MATCONT軟件的基礎是windows系統，因此，該軟件與AUTO軟件相比，在使用上較為便捷，并且該軟件集多種功能于一身，將其應用于電力系統電壓穩定性分岔分析之中，取得的優勢十分顯著。可以使用該軟件對各種分岔點進行計算。與AUTO軟件相比，這款軟件具有更多的功能，且使用更為便捷。

3.2 分岔理論分析電力系統電壓穩定性的具體流程

電力系統的電壓在運行過程中，如果從穩態變為分岔，電壓穩定性就會受到影響，會出現電壓失穩，此時，通過分岔理論的使用，可以準確分析導致電壓失穩的因素[2]。

平衡解流形，能夠對電力系統隨參數改變而發生變化的情況進行表現，對其進行追蹤，有利于計算電力系統各岔點的結果，繼而得到正確的解題答案。在電力系統電壓穩定性探究中應用分岔理論的關鍵點在于，對平衡解流形的追蹤，只有保證追蹤的有效性，方能了解和掌握電力系統處在負荷工作狀態下，其內部電壓的變化情況，繼而根據所掌握的內容，對負荷點附近的電壓和極限功率進行直觀化的描述，在預防電力系統電壓失穩方面的作用十分顯著，同時也是分岔點搜尋的基礎。如果解題答案，能夠滿足平衡點集合，就可以保證追蹤平衡解流形的有效性。

目前，在計算平衡解流形時，主要是通過參數化方法的使用，將其轉化為方程，然后選擇一個點，并將其作為初始點，通過切線法以及割線法的使用，對平衡解流形上的點進行準確的預測，并在此基礎上，對其進行校正處理，以保證預測結果的準確性，不斷重復上述步驟，繼而對平衡解流形進行求取。在這一過程中，步長的選擇，會對計算時間和準確性造成決定性的影響[3]。

4 基于分支理論的電力系統電壓穩定性仿真性研究

為了對上述計算流程進行合理的驗證，本文選擇實驗的方式，建立仿真模型，以保證計算的準確性。

4.1 追蹤平衡解流形

研究人員可以將電力系統參數代入到平衡解流形的公式之中，經過計算求解后，可以將公式轉化為方程組，并且這個方程組能夠對系統動態特征進行反映，在此基礎上，即可對電力系統電壓穩定性進行分析仿真分析。

4.2 電壓仿真分析

根據上面的計算結果，可以對電力系統各負荷階段的電壓變化情況進行準確的判斷和仿真分析。

第一，在電壓尚未分岔的階段，電力系統中的電壓變化較小，趨于穩定。盡管受到擾動，但并不會導致電壓失穩問題的發生。第二，如果電力系統受到干擾，那么電壓就會在特定的節點內發生波動，分岔情況會隨之出現。第三，隨著分岔點處電壓不斷降低，崩潰現象出現的概率會隨之極大，電壓穩定性會受到不利的影響。

由上述分析得知，基于分支理論中的分岔分析方法和時域仿真研究方法，可以對電力系統電壓穩定性進行準確且有效的分析，且計算量較少。

5 電力系統未來發展方向

通過上述分析得知，電力系統電壓失穩現象的實質就是分岔，而電力系統分岔可以被分為兩種，一種是靜態分岔，另一種是動態分岔，而本文研究的分岔內容，只是電力系統分岔中最為簡單的一種，基于分支理論探究電力系統的電壓穩定性任重而道遠。在未來研究中，應該做好以下幾方面的工作：

（1）對分岔算法進行優化，充分發揮計算機軟件的優勢，對分岔點取值方法進行完善，降低取值和計算的難度。

（2）對數學模型進行完善，現階段分析電力系統電壓穩定性時，經常會假設一些條件，但是假設條件的背景卻過于理想化，與電力系統實際運行情況存在偏差，致使模型準確性受到不利影響。因此，研究人員應該在未來重視對數學模型的完善。并借助分支理論對導致電壓失穩現象的原因進行深入探索，在此基礎上，制定有效的解決措施，避免電壓失穩問題的出現，從而保證電力系統的穩定運行[4]。

6 結語

在社會經濟高速發展的背景下，我國電力事業實現了快速發展，電力系統的規模、覆蓋范圍也不斷加大，與此同時，電負荷及負荷密度呈快速增加的趨勢，容易對電壓穩定性造成影響，繼而導致電壓失穩的現象，這種現象一旦出現，就會對電力系統的正常運行造成影響。如何采用有效的方法，對電力系統電壓穩定性問題進行分析和探究，成為了人們重點關注的問題。本文基于分支理論，通過分岔分析方法和時域仿真分析方法的使用，對電力系統電壓穩定性進行了研究，并取得了良好的研究成果，從而為電力系統的優化和完善，提供了理論依據。

參考文獻

[1] 張孝乾.含風電場的電力系統靜態電壓穩定性研究[J].電工技術，2018（24）：111-114.

[2] 李憲華.電力系統電壓穩定性研究[J].科學咨詢（科技·管理），2018（12）：57.

[3] 章熙，賀先強，覃海，等.一種基于電壓靜態穩定性的電力系統自復性指標[J].電測與儀表，2018，55（21）：9-13.

[4] 胡健，付立軍，馬凡.基于突變理論的獨立電力系統電壓穩定性分析[J].電工技術學報，2018，33（20）：4855-4863.