8第八章_电力系统的电压稳定性分析.docx

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1、第8章电力系统的电压稳定性分析8.1概述20世纪70年代以来,世界上许多国家的电力系统相继发生了电压崩溃事故,造成了巨大的经济损失和社会影响。例如，1978年12月19日法国电力系统发生的电压崩溃事故，失去负荷29GW和100 GWh,直接经济损失达2亿到3亿美元；1987年7月23日东京电力系统的电压崩溃事故，导致失去8168MW的负荷,涉及2800多万用户；1973年7月12日我国大连地区的电网因电压崩溃而造成大面积停电事故。因此，电网电压稳定性问题引起了世界各国电力工业界和学术界的极大重视，并进行了大量的研究工作。TEEE和CIGRE等学术组织也相继成立了专门工作小组，从不同侧面对电压稳

2、定性问题进行调查和研究。目前，在越来越多的电力系统中，电压不稳定已成为系统正常运行的最大威胁，人们已将系统的电压稳定性和热过载、功角稳定性等放在同等重要的地位加以研究和考虑。电压稳定性，是指正常运行情况下或遭受干扰后电力系统维持所有母线电压在可以接受的稳态值的能力。当一些干扰发生时，例如负荷增加或系统状态变化引起电压不可控制地增高或下降时，系统进入电压不稳定状态。引起电压不稳定的主要原因是电力系统没有满足无功功率需求的能力。问题的核心常常是由于有功和无功功率流过感应电抗时产生的电压降。判断电压稳定的准则是，在正常运行情况下，对于系统中的每个母线，母线电压的幅值随着该母线注入无功功率的增加而升高

3、。如果系统中至少有一个母线，其母线电压的幅值随着该母线注入无功功率的增加而降低，则该系统是电压不稳定的。这显然和我们通常对于提高母线电压所采取的无功补偿控制措施是相一致的。电压崩溃(Voltage Collapse)比电压稳定性要复杂得多，它常常是系统发生一系列事件后导致一些母线电压持续性降低，其中央杂着电压不稳定和功角不稳定。这里应当指出的是，网络中的母线电压逐渐降低与功角失步有着一定的关系,在功角失步过程中，电压降低只是功角失步的结果而不是其发生的原因。但是与电压不稳定有关的电压崩溃发生时，功角稳定并不是问题的焦点。总体来讲，某些运行状况下的电力系统，在遭受干扰后的几秒或几分钟内，系统中一

4、些母线电压可能经历大幅度、持续性降低，从面使得系统的完整性遭到破坏，功率不能正常地传送给用户。这种灾变称为系统电压不稳定，其灾难性后果则是电压崩溃。通过较长时间的研究，人们正在逐渐认识电网电压稳定性的动态本质和电压崩溃的机理，并提出了一些有关电压稳定性的分析方法和防止电压崩溃的对策。起初人们观察到，发生电压不稳定或电压崩溃时的系统负荷较大，因此直观地将电压崩溃的原因归结为系统过载。但这种解释是含糊不清的，它没有回答一个至关重要的问题，即：“当系统过载时，电压崩溃是如何发生的？工后来的研究工作主要集中在分析电压崩溃的机理，从而为系统的电压控制器设计提供理论基础。现代大型互联电力系统中一般总包含从

5、遥远发电厂到负荷中心的长距离输电线路，并且各于系统之间的联系薄弱，当有功和无功功率流过具有电感特性的输电线路时，会产生较大的电压降落，这就使得系统的电压控制面临挑战。电力系统中一般有两种基本的电压控制方式。一种是借助于励磁控制器调整发电机的端电压。然而当输电线路很长时，这种控制方式对于改善负荷电压的效果并不明显。因此，要使负荷电压维持在正常的水平，就需要其他的电压控制器。通常在负荷点附近加装并联电容器，从而可以补偿交流电流的感性分量。另一种是通过控制有载调压(Under-Load Tap Chaging, ULTC)变压器的分接头来调整负荷电压。然而，所有电压控制器都存在限值。正常运行情况下，

6、在控制器未达其限值之前，所有母线电压能够维持在指定的电压水平。而在一些严重情况下，例如重要的输电线路停运、重负荷等，控制器可能达到其限值。系统的电压控制显然是一个动态过程，各控制器自身的时间常数大约在几秒到几分钟之间。在实际系统中，由于包含众多的控制器且网络结构庞大，负荷也随电压或频率的波动而变化,因此这个动态过程是相当复杂的。当电压低于一定水平时，各种保护装置还可能动作，从而切除一些设备和/或断开网络的一些联系。所有这些事件的综合后果可能使得系统电压逐渐降低，即发生电压崩溃。总体来讲，输电网络的强度，系统传送功率的水平，负荷特性，各种无功电压控制装置的特性和限制及其协调等等，都对系统的电压不

7、稳定甚至电压崩溃起着重要的作用。电力系统是典型的动态系统，它可以用微分-代数方程加以描述。由于通常意义上的“稳定性”是针对动态系统而言的，因此毫无疑问，和功角稳定性一样,系统的电压稳定性也属于一类动态系统的稳定性问题。在前面研究系统的功角稳定性时，我们关注的是在遭受干扰后发电机的转子运动规律。而在系统的电压稳定性分析时，则主要关注负荷点电压的行为，因此有时又将电压稳定性称为负荷稳定性。关于电压稳定性的定义、研究方法等方面的问题，国际上已召开了多次专家讨论会，CIGRR、IEEE也出版了相应的专题报告田屹。但迄今为止还没有公认的关于电压稳定性的准确定义。一般地讲，电压稳定性，是指正常运行情况下的

8、电力系统遭受干扰后系统维持所有母线电压在可以接受的稳态值的能力。在当前的研究中，为了便于分析，和功角稳定性一样，也常将电压稳定性划分为小干扰电压稳定性和大干扰电压稳定性：（1）小干扰电压稳定性，是指在遭受小的干扰（例如负荷的变化等）后系统控制电压的能力。这种形式的稳定性主要由系统的负荷特性、各种连续控制和指定时刻的离散控制所决定。判断系统小干扰电压稳定的准则是，对于给定运行情况下系统中的每个母线，母线电压的数值随着该母线注入无功功率的增加而升高。如果系统中至少有一个母线，其母线电压的数值随着该母线注入无功功率的增加而降低，则该系统是电压不稳定的。换言之，如果所有母线的V-Q灵敏度为正，则系统是

9、电压稳定的，如果至少一个母线的V-Q灵敏度为负，则系统是电压不稳定的。（2）大干扰电压稳定性，是指在遭受大的干扰（例如网络故障、切除发电机或其他输电设备等）后系统控制电压的能力。这个能力主要由系统的负荷特性、各种连续和离散控制以及保护的相互作用所决定。对于给定的干扰和随后的系统控制措施，如果系统中所有母线的电压能够保持在可以接受的水平，我们就说系统是大干扰电压稳定的。电压稳定或电压崩溃常常被人们看作是电力系统的“稳态生存能力”问题，即系统“平衡点”的存在性问题，因此静态（潮流）分析方法可有效地用1：确定系统的“稳定极限”识别影响“稳定”的因素，并且考察系统在各种运行情况和预想事故后的电压“稳定

10、性”。然而，必须清楚地认识到，由于静态分析方法未涉及系统的动态，出而所得到的“极限”通常只是“功率极限”而非“电压稳定极限”。要研究系统遭受小干扰下的电压稳定性，必须考虑系统中各种动态元件的作用。而要研究系统遭受大干扰下的电压稳定性，由于电压失稳或崩溃的过程相当缓慢，需要在充分长的时间内考察系统中各种动态元件的作用，以便捕捉到一些装置，如ULTC、发电机励磁电流限制等之间的相互影响。因此需要对系统的动态过程进行校长时间的仿真。值得注意的是，电压不稳定现象并不总是孤立地发生。功角不稳定和电压不稳定的发生常常交织在一起，一般情况下其中的一种占据主导地位，但并不易区分。然而，人为地将功角稳定性和电压

11、稳定性区分开来，对于充分了解系统不稳定的原因，进而制定系统的运行方式和稳定控制策略是相当重要的。电力系统的电压稳定性是一个相当复杂的问题。迄今为止，电压稳定性问题从概念到分析方法还处于形成阶段，各个研究者从不同的侧面提出了许多有关电压稳定性的分析方法和控制策略，但这方面的研究工作离成熟还有相当的距离，因此成为目前电力系统稳定问题研究的热点。要了解近年来电压稳定性分析和控制的更多内容，可参阅有关的著作口和教材u以及近年来有关电压稳定问题研究的文献综述1。本章首先以一个简单的辐射系统为例，说明电压不稳定的现象及其物理解释和其中涉及到的一些基本概念。然后介绍了复杂系统电压稳定性的动态分析方法和三种静

12、态分析方法。最后，对电力系统电压稳定分析方法进行了展望。8. 2电压不稳定现象及其物理解释下面以恒定电压源（假定为同步发电机的行为）通过输电线路和有载调压变压器（ULTC）供应负荷的简单系统为例，说明电压不稳定的现象和其中的一些基本概念。1 .电力网络的特性如图8-1所示，电源电压为成=4,变压器的非标准变比为3输电线路阻抗为Z/。，负荷阻抗为Zje。可以计算出线路电流为Es8-1)图8-1带有ULTC的简单电力系统线路电流的幅值可表示为k2EsNhZ + 2/ZZmosG -)+Zl则电流幅值的规格化表达式为l 1 L2k2x( ) + k4x2式中:_2一ZJIse =受端电压为Vr =

13、1ZZyp受端电压幅值的规格化表达式为VrE.s =l + 12kkcs( 一 1#十 出412传输功率为Pr jQ = (cos中 + Jsin)乂R(8-2)(8-3)(8-4)(8-5)(8-6)(8-7)由上式可得p _ 碍COS夕xR = - 4. i + 2cos s 十十， Qr = Ptgg （8-8）当负荷阻抗Z0变化时，功率外,。区存在极大值。由华=。可得，当k = ；,即dxk当Zo=Zl时，功率达到极大值：Q = matgy(8-9)p&C0 评e - 2Zjl +cos（ w）1它也就是系统能够传输的极限功率。与和点的规格化表达式为Pr P Raw=Qa/Qa 皿 x

14、211 + cos (6 - 9)彳1 + 2/cos(C ) x - k4x2(8-10)图 8-2 给出了当 tg = 10,cos夕=0.95,Z = 1 时，/sc M/4，max、随ZlZd 变化的曲线。从式（8-9）可以看出，系统传输给负荷的最大功率与电源电压4、线路阻抗Z/N。和负荷功率出数角。有关，与变压器的变比%无关。达到的系统运行状态称为临界状态，相应的/和匕的值称为临界值。另外，由图8-2可以看出，&在到达最大值旦鹏之前是随着的减小而增大的，之后随着Z。的减小而减小。在外 耳皿阶段，当Zq很大时，ZJZ0很小，功率&很小；随着Z。的减小，相应地ZJZ0增大，电流/增大，电压%减小，由于/的增大相对于匕的减小来说占据主导地位，因此功率&随Z。的减小而增大。在外&nm阶段，随着Z。继续减小，电流/继续增大，电压匕继续减小，这时匕的减小相对/的增大来说占主导地位，因此功率与随Z。的减小而减小。对于给定的传输功率与（例如耳Aa=08）,出图8-2可以看出，系统存在两个不同的运行点，它们分别对应丁两个不同的Z,左边的点相应于正常运行状态，右边的点由于其处于低电压和大电流，因而属于不正常（我们不希望的）运行状态。