論電力系統穩定探討

【論文關(guān)鍵詞】 電力系統；穩定；電壓

【論文摘要】 電力系統是一個(gè)規模龐大的動(dòng)態(tài)系統，電力系統的安全經(jīng)濟運行對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著(zhù)重要的影響。本文針對電壓穩定性破壞進(jìn)行了詳細的分析。

近年來(lái)，我國電力事業(yè)發(fā)展迅速，電網(wǎng)內部也存在著(zhù)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(dòng)和電力部門(mén)過(guò)早地采用了甩負荷這一最后的措施，因而電壓穩定問(wèn)題似乎顯得不那么突出。隨著(zhù)電力市場(chǎng)化，人們對電能質(zhì)量要求提高，甩負荷這一措施的使用將會(huì )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(diǎn)：一是由于經(jīng)濟上及其它方面(如環(huán)保)的考慮，發(fā)、輸電設備使用的強度日益接近其極限值；二是并聯(lián)電容無(wú)功補償大量增加，因而當電壓下降時(shí)，向電網(wǎng)提供的無(wú)功功率按電壓平方下降；三是線(xiàn)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(cháng)期以來(lái)只注意功角穩定的研究。

1 電壓穩定性破壞的原因

1.1 電壓崩潰的起因 電力系統穩定問(wèn)題的物理本質(zhì)是系統中功率平衡問(wèn)題，電力系統運行的前提是必須存在一個(gè)平衡點(diǎn)。電力系統的穩定問(wèn)題，直觀(guān)的講也就是負荷母線(xiàn)上的節點(diǎn)功率平衡問(wèn)題。當節點(diǎn)提供的無(wú)功功率與負荷消耗的無(wú)功功率之間能夠達成此種平衡，且平衡點(diǎn)具有抑制擾動(dòng)而維持負荷母線(xiàn)電壓的能力，電力系統即是電壓穩定的，反之倘若系統無(wú)法維持這種平衡，就會(huì )引起系統電壓的不斷下降，并最終導致電壓崩潰。當有擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)候，會(huì )造成節點(diǎn)功率的不平衡，任何一個(gè)節點(diǎn)的功率不平衡將導致節點(diǎn)電壓的相位和幅值發(fā)生改變。各節點(diǎn)電壓和相位運動(dòng)的結果若是能穩定在一個(gè)系統可以接受的新的狀態(tài)，則系統是穩定的，若節點(diǎn)的電壓和相角在擾動(dòng)過(guò)后無(wú)法控制的發(fā)生不斷的改變，則系統進(jìn)入失穩狀態(tài)。電力系統的電壓穩定和系統的無(wú)功功率平衡有關(guān)，電壓崩潰的根本原因是由于無(wú)功缺額造成的，擾動(dòng)發(fā)生后，系統電壓無(wú)法控制的持續下降，電力系統進(jìn)入電壓失穩狀態(tài)。無(wú)論是來(lái)自動(dòng)態(tài)元件的擾動(dòng)還是來(lái)自網(wǎng)絡(luò )部分的擾動(dòng)，所破壞的平衡均歸結為動(dòng)態(tài)元件的物理平衡。電力系統的動(dòng)力學(xué)行為僅受其動(dòng)態(tài)元件的動(dòng)力學(xué)行為及其相互關(guān)系的制約。

2 電壓穩定性的分類(lèi)

將電壓穩定性問(wèn)題適當分類(lèi)，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。①按擾動(dòng)的規模來(lái)講電壓穩定問(wèn)題可以分為小擾動(dòng)電壓穩定性，大擾動(dòng)電壓穩定性。一是小擾動(dòng)電壓穩定性是在如系統負荷逐漸增長(cháng)，送到負荷節點(diǎn)的功率的微小變化之下系統控制電壓的能力。小擾動(dòng)下系統能夠穩定運行意味著(zhù)系統本身能夠不斷調整以適應變化的情況，系統控制系統有能力在小擾動(dòng)后令人滿(mǎn)意地運行，保證系統發(fā)出的無(wú)功等于消耗的無(wú)功，在出現最大負荷時(shí)能成功地供電。這種形式的穩定性由負荷特性、連續作用的控制及給定瞬間的離散控制作用所確定。系統對小擾動(dòng)的響應特性取決于初始運行條件、輸電系統強度以及所用的發(fā)電機的勵磁控制等因素。依靠負荷和電源自身固有的調節能力，使擾動(dòng)前后的電壓值相同或者相近。二是大擾動(dòng)電壓穩定性是關(guān)于在發(fā)生諸如系統故障后，系統控制電壓的能力。這些擾動(dòng)包括輸電線(xiàn)上短路、失去一臺大發(fā)電機或負荷，或者失去兩個(gè)子系統間的輸電線(xiàn)。系統對大擾動(dòng)的響應涉及大量的設備。

此外，用來(lái)保護單個(gè)元件的裝置對系統變量變化的響應也影響系統的特性。②按照失穩事故的時(shí)間場(chǎng)景電壓穩定問(wèn)題可以分為：一是暫態(tài)電壓穩定性，穩定破壞的時(shí)間框架從0~大約10秒，這也是暫態(tài)功角穩定性的時(shí)間框架。在這類(lèi)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(shí)存在。這類(lèi)電壓崩潰是由諸如感應電動(dòng)機，和直流換流設備等不良的快速反應負荷元件造成的。對于嚴重的電壓下降感應電動(dòng)機可能失速，吸收無(wú)功功率急劇增加，進(jìn)而將引起其臨近的其它感應電動(dòng)機失速。除非盡快切除該類(lèi)負荷，否則會(huì )導致電壓崩潰。二是中期電壓穩定性，穩定破壞的時(shí)間框架通常為30秒到50秒，典型者為2到3分。發(fā)生此類(lèi)電壓失穩事故時(shí)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(dòng)后，由于電壓敏感性負荷的作用，系統能夠暫時(shí)保持穩定。但擾動(dòng)后網(wǎng)絡(luò )無(wú)功損耗大量增加，引起負荷區域電壓下降，當自動(dòng)調節分接頭的變壓器和配電電壓調節器動(dòng)作，而恢復末端變壓器負荷側電壓，從而恢復負荷功率時(shí)，網(wǎng)絡(luò )傳輸電流進(jìn)一步增大加劇輸電網(wǎng)絡(luò )中電壓的下降。同時(shí)送端發(fā)電機可能因過(guò)勵磁限制而只發(fā)送有功，甚至由于發(fā)電機長(cháng)時(shí)間過(guò)電流而被切除。這樣含電源在內的輸電網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)不可能提供足夠的無(wú)功功率，以支持負荷消耗與網(wǎng)絡(luò )無(wú)功損耗的需要，就會(huì )最終導致電壓崩潰對于這類(lèi)電壓崩潰事故，運行人員來(lái)不及干預，自動(dòng)調節分接頭的變壓器及配電電壓調節器，發(fā)電機過(guò)勵限制等因素在此過(guò)程中起重要作用。應當指出的是，在這一過(guò)程中自動(dòng)調節分接頭的變壓器的作用是抑制或加劇電壓崩潰的進(jìn)程，與負荷特性分接頭位置及系統無(wú)功儲備有關(guān)。三是長(cháng)期電壓不穩定性，這種場(chǎng)景的電壓崩潰發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷一個(gè)相當長(cháng)的時(shí)間，其過(guò)程可大致描述如下：負荷過(guò)速增長(cháng)，導致主要負荷母線(xiàn)電壓?jiǎn)握{下降。幾分鐘內由于自動(dòng)調節分接頭的變壓器及調度干預等作用，電壓的下降得到遏止后，一方面自動(dòng)調節分接頭的變壓器使網(wǎng)上負荷得到恢復，另一方面負荷繼續快速增加，電源的增加或當地無(wú)功補償增加，跟不上負荷增長(cháng)速度的需要，電壓下降進(jìn)一步惡化，最終導致部分地區電壓崩潰，系統瓦解，造成大面積停電。在長(cháng)期電壓不穩定事故中，往往沒(méi)有直接的擾動(dòng)。其原因是本來(lái)已經(jīng)薄弱的嚴重過(guò)載的結構，不合理的網(wǎng)絡(luò )中的負荷恢復和快速增長(cháng)造成的。

3 小擾動(dòng)電壓穩定性的機理分析

電力系統在給定的穩態(tài)運行點(diǎn)遭受任意小的擾動(dòng)后，如果負荷節點(diǎn)的電壓與擾動(dòng)前的電壓值相同或者相近，則稱(chēng)系統在給定運行點(diǎn)為小干擾電壓穩定，此時(shí)系統擾動(dòng)后的狀態(tài)位于系統擾動(dòng)后的吸引域內。從負荷節點(diǎn)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(dòng)電壓穩定性的前提是擾動(dòng)后的系統電源的無(wú)功—電壓靜態(tài)特性和負荷的無(wú)功—電壓靜態(tài)特性必須有交點(diǎn)，并且在該點(diǎn)具有維持電壓不變或有微小變化的能力。

4 大擾動(dòng)電壓穩定性的機理分析

小擾動(dòng)電壓穩定性是系統在受到擾動(dòng)后是否存在平衡點(diǎn)的問(wèn)題，對于大擾動(dòng)電壓穩定性而言，擾動(dòng)后的系統存在平衡點(diǎn)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(diǎn)，還依賴(lài)于系統中各元件無(wú)功功率的變化速度。當電源自動(dòng)調節的速率愈快時(shí)，對大干擾的穩定性愈有利。在穩定性的評價(jià)中所關(guān)心的問(wèn)題是電力系統遭受暫態(tài)擾動(dòng)后的行為。電力系統在給定的穩態(tài)運行點(diǎn)遭受一定的擾動(dòng)后，如果故障后平衡點(diǎn)超出系統運行限制范圍，系統沒(méi)有能力保持在一個(gè)靜態(tài)穩定的運行點(diǎn)，也就是擾動(dòng)后由于負荷QL增長(cháng)，QL—U向上移動(dòng)，或電源QG下降QG—U向下移動(dòng)，使QL—U完全在QG—U上方，兩者無(wú)交點(diǎn)，表示在任意電壓下均有負荷吸收的無(wú)功大于電源發(fā)出的無(wú)功。系統失去發(fā)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(dòng)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(guān)重要的。為確定穩定性所必須考慮的裝置、過(guò)程和時(shí)間范圍對大擾動(dòng)電壓穩定問(wèn)題的研究至關(guān)重要。

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[1] 袁季修.電力系統安全穩定控制[M].北京：中國電力出版社，1996