電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與無功控制的研究

1、1.緒論1.1論文的研究背景及意義電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與無功控制的研究是電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行分析中的重要課題。電力系統(tǒng)實施無功電壓控制是提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，保證系統(tǒng)的供電質(zhì)量，防止系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰的必要措施。長期以來，無論是經(jīng)典的還是現(xiàn)代的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性理論及其分析方法，其關(guān)注的重點均為系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性，尤其是集中在系統(tǒng)受到大的擾動或故障沖擊后其暫態(tài)行為特征方面。對這一問題的機(jī)理，人們已有了較清楚的認(rèn)識，并發(fā)展出一套完備的分析方法和控制措施。 近年來，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大，逐步進(jìn)入高電壓、大機(jī)組、大電網(wǎng)時代，同時伴隨電力改革和電力市場的實踐，長線路、重負(fù)荷及無

2、功儲備不足的特征逐漸突出，系統(tǒng)的電壓安全裕度傾向于越來越小，使電力系統(tǒng)常常運行在穩(wěn)定的邊界；而目前系統(tǒng)運行操作人員并不能準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)的電壓安全狀態(tài)。所以事故發(fā)生時，缺乏足夠的安全信息來采取相應(yīng)的措施，導(dǎo)致了事故的擴(kuò)大。 從國內(nèi)外一些大的電力系統(tǒng)事故的分析來看，發(fā)生電壓崩潰的一個主要原因就是無法預(yù)計負(fù)荷增長或事故發(fā)生后可能導(dǎo)致的電壓不穩(wěn)定/崩潰的程度和范圍，難以擬定預(yù)防和校正的具體措施。此外，電力系統(tǒng)還具有許多固有特性，如：(1)系統(tǒng)的運行結(jié)構(gòu)調(diào)整頻繁，運行工況不斷變化；(2)負(fù)荷波動，諧波干擾以及隨機(jī)擾動難以估計；(3)規(guī)模龐大，維數(shù)高，控制分散性強(qiáng)，完整的運行信息難以獲??；(4)存

3、在飽和、死區(qū)、限幅等強(qiáng)非線性因素；(5)時變性強(qiáng)，對控制速度要求很高。這些特性使建立電力系統(tǒng)的精確模型變得極為困難，而且即使建立了較精確的數(shù)學(xué)模型，其結(jié)構(gòu)也過于復(fù)雜，難以實現(xiàn)快速有效的實時控制。因此，實時在線評估電力系統(tǒng)電壓安全、預(yù)測電壓崩潰是十分重要的。 在我國電壓不穩(wěn)定和電壓崩潰出現(xiàn)的條件同樣存在，首先我國電網(wǎng)更薄弱，并聯(lián)電容器的使用更甚，再加之城市中家用電器設(shè)備的巨增，我國更有可能出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定問題。目前國內(nèi)電壓穩(wěn)定問題“暴露的不突出”，原因之一可能是由于大多數(shù)有裁調(diào)壓變壓器分接頭(OLTC)末投人自動以及電力部門采用甩負(fù)荷的措施，而后一措施應(yīng)該是防止電壓不穩(wěn)定問題的最后一道防

4、線，不應(yīng)過早地或過分地使用。將來電力市場化之后，甩負(fù)荷的使用將受到更大的限制。因此在我國應(yīng)加緊電壓穩(wěn)定問題的研究。 另一方面，以往的工業(yè)實踐都是采用確定性方法進(jìn)行電壓穩(wěn)定性和無功控制進(jìn)行評估，這是在電力系統(tǒng)傳統(tǒng)壟斷結(jié)構(gòu)下常用的方法。它是按照“最嚴(yán)重事故決策標(biāo)準(zhǔn)”來獲得某一特定狀態(tài)下的系統(tǒng)安全狀態(tài)，分析的結(jié)果過于保守，付出了較大的經(jīng)濟(jì)代價。隨著電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展，控制的日益復(fù)雜，以及電力市場環(huán)境下能量交易量和不確定性的增加，概率性估計方法和準(zhǔn)則可能成為必需。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型正是通過學(xué)習(xí)、培訓(xùn)建立概率性模型，更能適應(yīng)現(xiàn)今電力系統(tǒng)的需要，因此具有廣闊的研究前景和應(yīng)用價值。1.2 電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定

5、與無功控制國內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在上世紀(jì) 40 年代,蘇聯(lián)學(xué)者馬爾柯維奇就提出電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題，但由于當(dāng)時電力系統(tǒng)的電壓等級、機(jī)組容量、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及互聯(lián)水平的限制，這個問題在當(dāng)時并不突出。然而隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，大容量電廠和大規(guī)模電力系統(tǒng)的出現(xiàn)，電壓問題已經(jīng)不僅僅是一個供電質(zhì)量問題，還關(guān)系到大系統(tǒng)安全運行和經(jīng)濟(jì)運行。隨著電力系統(tǒng)向大電網(wǎng)、高電壓和遠(yuǎn)距離輸電發(fā)展，上世紀(jì)70 年代以來世界上一些大電網(wǎng)（例如美國、日本、法國、瑞典、比利時等）連續(xù)發(fā)生以電網(wǎng)崩潰為特征的電網(wǎng)瓦解事故，導(dǎo)致大面積長時間停電，給社會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會生活紊亂，60 年代以來，電壓失穩(wěn)事件在一些國家的電網(wǎng)中多次發(fā)生（見

6、表1.1）。表 1.1 60 年代以來與電壓崩潰相關(guān)的國際大停電事故序號國家發(fā)生時間事故名稱停電規(guī)模（MW）停電時間1英國1961-5-15英國東北部大停電15002h55min2美國1965-1-28美國中部大停電20003h30min3加拿大1977-9-20魁北克州大停電100006h30min4法國1978-2-19法國大停電290008h30min5英國1981-8-5英國南部大停電11002h30min6瑞典1983-12-27瑞典南部大停電114005h20min7比利時1982-8-4比利時大停電24001h28min8日本1987-7-23日本東京大停電81683h21min

7、9加拿大1989-3-13魁北克州大停電94502h45min10美國2003-8-14美國東北部618013h前的研究工作按照其目的的同可以分為三大類：電壓失穩(wěn)現(xiàn)象機(jī)理探討、電壓穩(wěn)定安全計算和預(yù)防/控制措施研究。 (1)電壓失穩(wěn)機(jī)理探討：其目的是要弄清楚主導(dǎo)電壓失穩(wěn)發(fā)生的本質(zhì)因素，以及電壓穩(wěn)定問題和電力系統(tǒng)中其它問題的相互關(guān)系，電力系統(tǒng)中眾多元件對電壓穩(wěn)定性的影響，在電壓崩潰中所起的作用，從而建立起分析電壓穩(wěn)定問題的恰當(dāng)系統(tǒng)模型。在這方面主要的研究手段有定性的物理討論、電壓崩潰現(xiàn)象的剖析、小干擾分析方法和時域仿真計算。早期的靜態(tài)研究中機(jī)理認(rèn)識集中體現(xiàn)在P-V曲線和Q-V曲線分析、潮

8、流多解的穩(wěn)定性分析和基于靈敏度系數(shù)的物理概念討論。動態(tài)因素受到重視以后，負(fù)荷的動態(tài)特性，OLTC的負(fù)調(diào)壓作用受到了普遍關(guān)注。目前普遍認(rèn)為無功功率的平衡、發(fā)動機(jī)的無功出力限制、OLTC的動態(tài)和負(fù)荷的動態(tài)特性與電壓崩潰關(guān)系密切。但是對電壓崩潰的機(jī)理認(rèn)識還很不一致，不同研究人員所采用的系統(tǒng)模型也有很大差別，這種現(xiàn)狀表明迫切需要全面深入地分析電壓穩(wěn)定問題，分析它與電力系統(tǒng)中其它問題的相互關(guān)系，弄清各種因素的作用，抓住問題的本質(zhì)，為不同情況下的電壓穩(wěn)定研究建模提供必要的指導(dǎo)原則。 (2)電壓穩(wěn)定安全計算：主要包括兩個方面，即尋找恰當(dāng)?shù)姆€(wěn)定指標(biāo)和快速且有足夠精度的計算方法。電壓穩(wěn)定指標(biāo)（多為靜態(tài)

9、指標(biāo)）總體上分成兩類：裕度指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)。目前已提出的主要有：各類靈敏度指標(biāo)、最小模特征值指標(biāo)、電壓穩(wěn)定性接近指標(biāo)、局部指標(biāo)、負(fù)荷裕度指標(biāo)等?，F(xiàn)在又提出了很多新的指標(biāo)，如文獻(xiàn)3的快速電壓穩(wěn)定指標(biāo)FVSI，通過常規(guī)潮流程序計算每條線路的靜態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)，并按指標(biāo)排列。從而確定特定運行點到崩潰點的距離，來判斷系統(tǒng)的安全性。這個指標(biāo)實現(xiàn)容易、計算簡單、概念清晰，且預(yù)測結(jié)果較精確，可作為警告指標(biāo)來預(yù)防電壓崩潰；文獻(xiàn)4在線電壓穩(wěn)定指標(biāo)Lvsi, 反映的是系統(tǒng)在當(dāng)前運行狀態(tài)下，某一支路電壓穩(wěn)定的程度；文獻(xiàn)5基于網(wǎng)損靈敏度理論的二階指標(biāo)ILSI，可以很好指示電壓穩(wěn)定水平，并具有良好的線性度，也可用于在

10、線評估；文獻(xiàn)6提出將整個系統(tǒng)等值為一個簡單的兩節(jié)點系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上計及感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷，得到負(fù)荷母線在線小干擾電壓穩(wěn)定指標(biāo)。 兩類指標(biāo)都能給出系統(tǒng)當(dāng)前運行點離電壓崩潰點距離的某種量度。狀態(tài)指標(biāo)只取用當(dāng)前運行狀態(tài)的信息，計算比較簡單，但存在非線性；而裕度指標(biāo)能較好地反映電壓穩(wěn)定水平，但其計算涉及過渡過程的模擬和臨界點的求取問題，計算量較大。從目前研究看，盡管許多電壓穩(wěn)定指標(biāo)已被提出，但由于各種指標(biāo)都采用了不同程度的簡化，其準(zhǔn)確性與合理性需要進(jìn)一步驗證和改進(jìn)。 這方面目前需要解決的主要有以下三個問題：快速、準(zhǔn)確的指標(biāo)計算方法；根據(jù)動態(tài)機(jī)理對各類指標(biāo)的合理性、準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗，為運行

11、部門選擇指標(biāo)提供依據(jù)；在快速算法中計及影響電壓穩(wěn)定的主要動態(tài)元件的作用，比如發(fā)電機(jī)無功越限和負(fù)荷特性的影響等。(3)預(yù)防/控制措施的研究：以日本和法國采取的事故對策最為出色。前者強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)事故狀態(tài)下的電壓控制能力，后者以其對電壓崩潰過程的時段的劃分，側(cè)重于事故發(fā)生前的緊急狀態(tài)下的預(yù)防措施。目前普遍認(rèn)為，加強(qiáng)無功備用、提高無功應(yīng)變能力、防止無功功率的遠(yuǎn)距離傳輸、緊急切負(fù)荷、閉鎖甚至反調(diào)OLTC是預(yù)防嚴(yán)重事故的有效措施。電壓穩(wěn)定研究作為電力系統(tǒng)領(lǐng)域的一個重要的實際課題，在近三十年來取得了許多重要的成果，一些電網(wǎng)工程人員研制了電壓穩(wěn)定分析和監(jiān)測應(yīng)用軟件。但目前理論研究和應(yīng)用實踐表明，對電壓穩(wěn)定問題的認(rèn)

12、識深度和已取得的成果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與功角穩(wěn)定問題研究所取得的理論認(rèn)識深度及應(yīng)用成果相比擬，還不能通過對電壓穩(wěn)定全面的分析、預(yù)防、監(jiān)測、控制確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行。因此目前仍然存在的問題和今后可能的研究方向主要有： (1) 電壓崩潰的機(jī)理研究；  (2)對各種元件的動態(tài)特性還缺乏全面的分析和統(tǒng)一的認(rèn)識，負(fù)荷建模仍然是電壓穩(wěn)定研究的最大難題； (3)影響電壓穩(wěn)定的主要隨機(jī)因素的統(tǒng)計特性的獲取，以及這些隨機(jī)因素統(tǒng)計特性比較復(fù)雜時，如何進(jìn)行電壓穩(wěn)定概率分析； (4) 根據(jù)各種不同的電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)，開發(fā)相應(yīng)的監(jiān)測應(yīng)用軟件，使電壓穩(wěn)定的研究成果真正地為電

13、力系統(tǒng)服務(wù)。就我國而言，現(xiàn)代化建設(shè)正處于蓬勃發(fā)展，我國將迎來電網(wǎng)建設(shè)的高潮。根據(jù)我國電網(wǎng)的發(fā)展勢態(tài)以及對電力負(fù)荷增長需求，電力系統(tǒng)的規(guī)模將越來越大，將要發(fā)展系統(tǒng)中的互聯(lián)，無論在容量上、網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度上，或者地區(qū)的跨度上都在迅速地增加。展望今后電力系統(tǒng)的發(fā)展，各方面的原因?qū)⑹瓜到y(tǒng)穩(wěn)定性問題變得愈加突出。借鑒國外電壓崩潰事故，研究電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，防止電壓崩潰事故的發(fā)生，具有特別重要的意義。1.3本文的主要內(nèi)容及思路主要內(nèi)容：(1) 電力系統(tǒng)的電壓無功控制(2) 在臨界狀態(tài)附近的無功電壓控制分區(qū)(3) 電力系統(tǒng)無功源配置的研究(4) 撰寫論文。本論文重點研究內(nèi)容：無功電壓控制分區(qū)和無功源優(yōu)化配置，本

14、人先對對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和電壓無功控制的研究進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并將通過大量地、廣泛地閱讀專業(yè)期刊、雜志、相關(guān)學(xué)術(shù)著作，對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與無功控制進(jìn)行深入研究2 電力系統(tǒng)的無功在電網(wǎng)對用戶輸電的過程中，電網(wǎng)要提供給負(fù)載的電功率有兩種：有功功率和無功功率。有功功率（p）是指保持設(shè)備運轉(zhuǎn)所需要的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量（機(jī)械能、光能、熱能等）的電功率；而無功功率（Q）是指電氣設(shè)備中電感、電容等原件工作時建立磁場所需要的電功率。2.1無功功率的基本概念無功功率比較抽象，它主要用于電氣設(shè)備內(nèi)電場與磁場的能量轉(zhuǎn)換，在電氣設(shè)備中建立和維護(hù)磁場的功率。它不表現(xiàn)對外做功，由電能轉(zhuǎn)化為磁能，又由

15、磁能轉(zhuǎn)換為電能，周而復(fù)始，并無能量損耗。特別指出，無功功率并不是無用功，只是它不直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能等為外界提供能量，作用卻十分重要。電機(jī)運行需要旋轉(zhuǎn)磁場，就是靠無功功率來建立和維持的，有了旋轉(zhuǎn)的磁場，才能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而帶動機(jī)械的運行。變壓器也需要無功功率，才能使一次線圈產(chǎn)生磁場，二次線圈感應(yīng)出電壓，凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備運行都需要建立磁場，然而建立及維護(hù)磁場消耗的能量都來自無功功率，沒有無功功率，這些設(shè)備都不能正常運行。2.2 正弦電路的無功功率在電壓電流都為正弦波形，負(fù)荷為線性時，電壓和電流的瞬時值表達(dá)式可寫成： （21） （22）式中U、I和分別是電壓有效值、電流有效值和電流滯后電

16、壓的相角。如將電流i分解成與電壓同相的有功分量和與電壓相角差90°的無功分量，則可寫成 （23） （24）瞬時功率p為 （25） （26）瞬時功率可以分為兩個部分：是非正弦周期量，是輸入或輸出時功率中不可逆的分量；是正弦量，是瞬時功率中的可逆分量，它在一個周期內(nèi)正負(fù)交替變化兩次，表明了周期性的交換能量無功功率Q為 （27）它是式（26）中可逆變分量的幅值（最大值）。當(dāng)時，認(rèn)為該端口吸收無功功率；當(dāng)時，認(rèn)為該端口發(fā)出無功功率。對單一元件亦適用，既有,(吸收)，（發(fā)出）。、為電流、電壓的無功分量。無功功率反應(yīng)了內(nèi)部與外部往返交換能量的情況，但是它并不像有功功率那樣表示單位時間所做的功。常

17、用無功功率的單位為乏（var）,千乏（kvar），兆乏（Mvar）2.3 非正弦電路的無功功率在電網(wǎng)中，如果電壓和電流都具有非正弦波形，將電壓和電流分別分解為傅里葉級數(shù)，即 （28） （29）u(t)和i(t)具有相同的基波頻率。由于負(fù)荷可能是非線性的，所以電壓和電流不一定具有相同階次的諧波分量。在電壓和電流都為非正弦波的情況下，諧波的出現(xiàn)不僅會影響電壓和電流的有效值，也將影響到功率的數(shù)值。根據(jù)有功功率等于瞬時功率在一個周期內(nèi)的平均值的定義，并且考慮到三角函數(shù)的正交性可以得出 （210）式中為第n次諧波電流滯后電壓的相角。需要說明的是僅有同頻率的的電壓和電流才構(gòu)成有功功率，而不同頻率的電壓電流

18、則不構(gòu)成有功功率。仿照上述有功功率的計算公式，可以給出頻域的無功功率定義為 （211）在正弦波的情況下，習(xí)慣上規(guī)定感性負(fù)荷的無功功率為正，容性負(fù)荷的無功功率為負(fù)，利用無功功率的符號來研究無功補(bǔ)償問題不會引起任何矛盾。但在非正弦波的情況下，在同一個諧波源內(nèi)可能會出現(xiàn)某次諧波是感性無功，而另一次諧波則是容性無功。在利用無功功率的符號規(guī)定時，在這種情況下將導(dǎo)致不同諧波的無功相互補(bǔ)償，換句話說，在非正弦波的情況下，無功功率已經(jīng)沒有能量交換的最大量度等物理意義。另一方面，習(xí)慣上規(guī)定用戶吸收的有功功率為正、發(fā)出的有功功率為負(fù)2.4 功率因數(shù)感性負(fù)載的電壓與電流的相量間存在一個相位差，通常用相位角的余弦co

19、s來表示，cos稱為功率因數(shù) （212）P有功功率S視在功率功率因數(shù)的大小，反映了電網(wǎng)系統(tǒng)中電源輸出的視在功率的有效利用程度，為了提高電網(wǎng)系統(tǒng)中電能輸送質(zhì)量，希望功率因數(shù)越大越好。2.5 功率因數(shù)過低對電力系統(tǒng)的影響(1) 無功增加，會使系統(tǒng)電壓降低無功負(fù)荷增加時，輸電線路的電壓損失增加。由于線路存在阻抗，當(dāng)電流流過線路時就要產(chǎn)生電壓損失。其數(shù)值可用以下式子近似計算： （213）P線路輸送有功功率Q線路輸送無功功率R線路電阻X線路電抗U線路首段電壓(2)無功負(fù)荷增加，功率因數(shù)降低，會使線路、變壓器等設(shè)備功率損耗增大線路功率損耗 （214）由上式可得，當(dāng)傳輸?shù)挠泄β什蛔儠r，線損與成反比，功率因

20、數(shù)越低，線損越大。(3)系統(tǒng)無功負(fù)荷增加，功率因數(shù)降低，將限制變壓器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的有功輸出 （215）3電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性研究近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,用電量急劇增加,給電力系統(tǒng)的安全運行帶來了新的問題，一些大型電網(wǎng)相繼發(fā)生大面積電壓崩潰事故，用電量的增長速度超過了電網(wǎng)建設(shè)的速度,網(wǎng)架建設(shè)的薄弱也給電壓穩(wěn)定帶來很大的安全隱患。同時,電力市場競爭機(jī)制使各種電源競價上網(wǎng), 給龐大的極限運行的網(wǎng)絡(luò)帶來很多不確定的因素,使電壓穩(wěn)定性問題成為影響電網(wǎng)安全的一大因素。迫切要求對電壓穩(wěn)定性問題進(jìn)行深入研究。3.1. 電壓穩(wěn)定性的定義到現(xiàn)在為止，學(xué)術(shù)界對電壓穩(wěn)定性還沒有公認(rèn)的嚴(yán)格定義。電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)

21、則中將電壓穩(wěn)定定義為：當(dāng)電力系統(tǒng)受到或小或大的擾動后，電壓能保持或者恢復(fù)到容許的范圍內(nèi)，而不發(fā)生電壓崩潰的能力。1990年IEEE電壓穩(wěn)定小組的報告認(rèn)為：如果電力系統(tǒng)能夠維持電壓以確保負(fù)荷增大時，負(fù)荷消耗的功率隨著增大，就稱系統(tǒng)是電壓穩(wěn)定的；反之就稱系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。1993年CIGRE （國際大電網(wǎng)會議）提出：電壓穩(wěn)定是整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個子集，如果系統(tǒng)受到一定的擾動后，鄰近節(jié)點的負(fù)荷電壓達(dá)到擾動后平衡狀態(tài)的值，并且該受擾狀態(tài)處于擾動后的穩(wěn)定平衡點的吸引域內(nèi)，那么就認(rèn)為系統(tǒng)是電壓穩(wěn)定的；與此相反，如果擾動后平衡狀態(tài)下負(fù)荷鄰近的節(jié)點電壓低于可接受的極限值，那么就稱系統(tǒng)電壓崩潰。所謂電壓崩

22、潰，就是指由于電壓不穩(wěn)定所導(dǎo)致的系統(tǒng)內(nèi)大面積、大幅度的電壓下降的過程（電壓也可能是由于“角度不穩(wěn)定”而崩潰的）。當(dāng)出現(xiàn)擾動、負(fù)荷增大或系統(tǒng)變更使電壓急劇下降或向下漂移，并且運行人員和自動系統(tǒng)的控制已無法終止這種電壓衰落時，系統(tǒng)就會進(jìn)入電壓不穩(wěn)定狀態(tài)，這種電壓的衰落可能只需要幾秒鐘，也可能長達(dá)10-20min，甚至更長，如果電壓不停地衰落下去，靜態(tài)的角度不穩(wěn)定或電壓崩潰就會發(fā)生。3.2. 電壓穩(wěn)定的分類我國在 2001 年出版的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則中，參照了CIGRE 在1993 年的定義，并結(jié)合最新的研究成果，將電壓失穩(wěn)按表現(xiàn)分為靜態(tài)小擾動失穩(wěn)、暫態(tài)大擾動失穩(wěn)、大擾動動態(tài)失穩(wěn)、長過程失穩(wěn)。IE

23、EE/CIGRE 聯(lián)合工作組結(jié)合最新的研究成果，并考慮到電力工業(yè)界的實際需求，于2003 年重新對電力系統(tǒng)穩(wěn)定等問題進(jìn)行了定義，文中指出，電壓穩(wěn)定是指系統(tǒng)經(jīng)受擾動后所有節(jié)點保持穩(wěn)定的電壓的能力，同時電壓穩(wěn)定可以按照擾動大小和時間框架分別進(jìn)行劃分。按擾動大小分，電壓穩(wěn)定可以分為小擾動電壓穩(wěn)定和大擾動電壓穩(wěn)定，其中，小擾動指的是諸如負(fù)荷的緩慢增長之類的擾動，大擾動指的是諸如系統(tǒng)事故之類的擾動；按時間框架分，電壓穩(wěn)定可以分為短期電壓穩(wěn)定和長期電壓穩(wěn)定，短期電壓穩(wěn)定的研究對象主要是感應(yīng)電動機(jī)等，時間范圍一般在幾秒以內(nèi)，長期電壓穩(wěn)定的研究對象主要是發(fā)電機(jī)勵磁限流器等，時間范圍一般在幾分鐘到幾十分鐘之間。

24、3.3. 電壓穩(wěn)定領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀對電壓穩(wěn)定問題的研究大體上可歸納為兩類：基于潮流方程的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法，和基于狀態(tài)方程的動態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法。靜態(tài)電壓穩(wěn)定主要是評估電力系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，尤其是在當(dāng)前運行狀態(tài)下的電壓穩(wěn)定情況，這種分析方法經(jīng)歷了較長時期的研究，取得了比較讓人滿意的結(jié)果。靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析的方法主要有：靈敏度法、潮流多解法、最大功率法、奇異值分解（特征值分析）法，以下將簡單介紹：（1）靈敏度法：靈敏度法從定性的物理概念出發(fā)，利用系統(tǒng)中某些量的變化關(guān)系分析穩(wěn)定問題。電壓穩(wěn)定研究中最常見的靈敏度判據(jù)有,等，這里、分別為負(fù)荷節(jié)點電壓幅值、有功負(fù)荷、無功負(fù)荷、發(fā)電機(jī)節(jié)點電壓幅值。當(dāng)靈敏度系數(shù)

25、變大時，系統(tǒng)趨向于不穩(wěn)定；當(dāng)靈敏度系數(shù)趨于無窮大時，系統(tǒng)將發(fā)生電壓崩潰。在使用靈敏度法時，一般將控制變量取為負(fù)荷的變化量，電壓崩潰點通常定義為負(fù)荷的極限點。靈敏度法常用來判斷系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性、確定系統(tǒng)的薄弱母線及確定無功補(bǔ)償裝置的安裝位置等。（2）潮流多解法：電力系統(tǒng)的潮流方程是一組二階非線性方程，潮流解可能存在多個，對于一個n節(jié)點系統(tǒng)，系統(tǒng)最多可能有個潮流解，并且這些解都是成對出現(xiàn)的，其中一個為高電壓穩(wěn)定解，一個為低電壓不穩(wěn)定解。隨著系統(tǒng)負(fù)荷水平的增加，潮流方程解的個數(shù)成對減少，接近靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限時，只存在2個解。在到達(dá)穩(wěn)定極限后，這對潮流解融合成1 個解。該方法將潮流方程解的存在性與靜態(tài)

26、電壓穩(wěn)定性聯(lián)系起來，通過研究潮流方程解的情況判斷系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。（3）最大功率法：最大功率法將電力網(wǎng)絡(luò)向負(fù)荷母線輸送功率的極限運行狀態(tài)作為靜態(tài)電壓穩(wěn)定的極限運行狀態(tài)，可以采用有功功率最大或無功功率最大值作為判據(jù)。實際上，這類方法就是基于P-U 或Q-U 曲線定義電壓穩(wěn)定的方法，最大功率對應(yīng)于曲線的頂點。（4）奇異值分解（特征值分析）法：電壓穩(wěn)定臨界點，是系統(tǒng)到達(dá)最大功率傳輸點，同時也是系統(tǒng)潮流方程雅可比矩陣奇異的點。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷接近極限狀態(tài)時，潮流方程雅可比矩陣接近奇異，因此，最小奇異值顯示了雅可比矩陣奇異程度，可以把潮流雅可比矩陣的最小奇異值作為電壓穩(wěn)定的指標(biāo)，用來反映當(dāng)前工作狀態(tài)接近臨界

27、工作狀態(tài)的程度。隨著研究的不斷深入，電壓穩(wěn)定問題的動態(tài)本質(zhì)引起了人們的重視，人們逐漸認(rèn)識到要從本質(zhì)上解釋電壓失穩(wěn)機(jī)理，就必須建立電力系統(tǒng)的動態(tài)模型，用各種動態(tài)分析法來研究電壓崩潰的本質(zhì)。目前電壓穩(wěn)定性的動態(tài)分析方法主要有動態(tài)潮流法、時域仿真法、小干擾分析法、非線性動力系統(tǒng)的分岔理論分析法等。（1）動態(tài)潮流法：動態(tài)潮流是系統(tǒng)存在功率不平衡情況下的穩(wěn)態(tài)潮流，它與常規(guī)潮流的最大不同是不平衡功率不再由平衡節(jié)點獨立承擔(dān)，而是在各發(fā)電機(jī)之間協(xié)調(diào)分配，其核心是潮流計算和頻率計算。通過每一步的系統(tǒng)動態(tài)潮流解算得到某一節(jié)點和幾個節(jié)點的電壓幅值，從而描繪出電壓的變化曲線，為研究電壓穩(wěn)定性提供依據(jù)。動態(tài)潮流方法大都

28、應(yīng)用于調(diào)度員仿真系統(tǒng)（DTS），目前國內(nèi)外已經(jīng)投運的DTS 基本上都是以動態(tài)潮流模擬為主的。該方法的主要優(yōu)點是消除了常規(guī)潮流計算中PV, PQ 及平衡節(jié)點的假設(shè)，可以得到各種動態(tài)元件內(nèi)部的狀態(tài)變量，但是利用該方法分析電壓穩(wěn)定問題時計算得到的僅僅是系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定功率極限，并不能完整真實的反映系統(tǒng)的動態(tài)電壓特性。（2）時域仿真方法：時域仿真法是研究電力系統(tǒng)動態(tài)電壓特性的最有效方法, 目前時域仿真法主要用來認(rèn)識電壓崩潰現(xiàn)象的特征, 檢驗電壓失穩(wěn)機(jī)理, 給出預(yù)防和校正電壓穩(wěn)定的措施等。電壓穩(wěn)定按照其發(fā)生的實踐框架可以分為暫態(tài)電壓穩(wěn)定和中長期電壓穩(wěn)定。電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性動力學(xué)系統(tǒng)。（3）小干

29、擾分析法：小干擾分析法實際上是一種李雅普諾夫意義下的漸進(jìn)穩(wěn)定，其本質(zhì)在于將所考慮動態(tài)元件的微分方程在運行點處線性化，通過分析狀態(tài)方程特征矩陣的特征根判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和各元件的作用。小干擾分析法在電壓穩(wěn)定性研究中已得到廣泛應(yīng)用，它主要也是用來檢驗機(jī)理解釋的合理性，建立盡量簡單而又包含主要相關(guān)動態(tài)特性的系統(tǒng)模型，分析動態(tài)元件在小擾動下對電壓穩(wěn)定性的影響等。（4） 非線性動力系統(tǒng)的分岔理論分析方法：電壓穩(wěn)定問題是非線性分岔理論引入電力系統(tǒng)分析的一個入口，分岔理論廣泛應(yīng)用于描述隨參數(shù)變化的動態(tài)系統(tǒng)的軌跡結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和變化。H. G. Kwatny 較為全面和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貜睦碚撋涎芯苛司植糠植淼膽?yīng)用表現(xiàn)。從國內(nèi)

30、外研究現(xiàn)狀來看，國際上已經(jīng)較好地掌握了相關(guān)的數(shù)學(xué)工具，并有著較成熟的軟件開發(fā)經(jīng)驗和實踐結(jié)果；而國內(nèi)在這一問題上仍處于數(shù)學(xué)理論引入和軟件編程的剛剛起步階段。4電壓穩(wěn)定問題的機(jī)理和分析4.1 電壓失穩(wěn)及崩潰的機(jī)理探討電壓失穩(wěn)機(jī)理的研究目的在于正確揭示電壓穩(wěn)定問題與系統(tǒng)其他問題的區(qū)別，建立適合于電壓穩(wěn)定分析的模型，提出電壓穩(wěn)定問題的判據(jù)、穩(wěn)定裕度和相應(yīng)的預(yù)防措施。自從電壓穩(wěn)定問題受到重視以來，電壓失穩(wěn)現(xiàn)象的機(jī)理探討一直很活躍，提出了各種各樣的解釋。一直以來，對電壓失穩(wěn)機(jī)理沒有達(dá)成共識的主要原因是：針對哪些因素是導(dǎo)致電壓失穩(wěn)的主要因素以及電壓穩(wěn)定性的模型如何簡化等問題上的觀點不同。目前國內(nèi)外學(xué)者對電壓

31、失穩(wěn)的機(jī)理研究主要有：靜態(tài)電壓失穩(wěn)和動態(tài)電壓失穩(wěn)兩種解釋。分析方法相應(yīng)地分為：基于潮流方程的靜態(tài)分析方法與基于微分方程的動態(tài)分析方法兩類；或者按照系統(tǒng)動態(tài)持續(xù)時間的長短，可把電壓失穩(wěn)機(jī)制分為短期電壓失穩(wěn)和長期電壓失穩(wěn)。關(guān)于電壓失穩(wěn)的靜態(tài)機(jī)理清晰明了，逐漸被人們所接受。有關(guān)電壓崩潰的動態(tài)機(jī)理，由于考慮到發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)作用、負(fù)荷及其它動態(tài)元件的影響，涉及動態(tài)因素復(fù)雜，近十幾年來，對于中長期電壓穩(wěn)定的研究取得了一定的進(jìn)展，但短期電壓穩(wěn)定的機(jī)理和研究方法仍在探索之中。4.2電壓失穩(wěn)的靜態(tài)機(jī)理解釋目前電壓失穩(wěn)現(xiàn)象的靜態(tài)機(jī)理解釋主要有：P -U 曲線解釋、無功功率平衡解釋。（1）P-U 曲線解釋

32、圖4.1為一單負(fù)荷無窮大系統(tǒng)的供電接線示意圖。當(dāng)保持負(fù)荷功率因數(shù)不變時，圖 4.1 簡單系統(tǒng)圖形負(fù)荷節(jié)點的有功功率和電壓幅值的關(guān)系曲線如圖 4.2 所示，設(shè)B 點對應(yīng)的功率為Pmax。對于給定的負(fù)荷功率，存在電壓水平不同的兩個解，即高電壓解和低電壓解，P -U 曲線分為上下半支。上半支AB 是穩(wěn)定運行區(qū)，下半支OB 是不穩(wěn)定運行區(qū)。在下半支運行時，如果升高電源端電壓，反而使負(fù)荷節(jié)點電壓下降，即電壓控制失去因果性。一般情況下，系統(tǒng)運行于穩(wěn)定的上半支AB，但在某些特殊情況下，系統(tǒng)可能由穩(wěn)定圖 4.2 P-U 曲線上半支跳變到下半支，發(fā)生電壓失穩(wěn)。當(dāng)負(fù)荷逐漸加重時，運行點不斷向 B 點靠近，最后到達(dá)

33、B 點，這時如果負(fù)荷仍加重，則將發(fā)生分歧，導(dǎo)致電壓崩潰。頂點 B 的存在，反映了這樣一種網(wǎng)絡(luò)特性：網(wǎng)絡(luò)所能輸送的功率存在極限。研究P > Pmax以后的現(xiàn)象沒有任何物理意義。這說明，在正常的運行情況下，選擇功率代表負(fù)荷是可以的，但是P 不是一個基本的物理量，在討論極限情況和動態(tài)過程時，必須選擇更基本的狀態(tài)量。（2）無功功率解釋由于電力系統(tǒng)中高x / r比，使系統(tǒng)電壓水平的高低主要受無功功率的影響，這自然促使人們把電壓崩潰與某種形式的無功功率不平衡聯(lián)系起來，許多文獻(xiàn)都把電壓失穩(wěn)歸因于系統(tǒng)不能滿足無功需求的增加。dDQ/ dU 判據(jù)作為電壓穩(wěn)定問題的一種經(jīng)典的直觀的物理解釋，仍在電力系統(tǒng)中廣

34、為流行，并被許多教科書所采用。圖 4.3 單電源單負(fù)荷系統(tǒng)接線圖對于圖 4.3 所示的系統(tǒng)，圖4.4 給出電源的無功電壓特性曲線QG 和負(fù)荷的無功電壓靜特性曲線QL ， 。dDQ /dU 判據(jù)的意義是：當(dāng)電力系統(tǒng)某一負(fù)荷節(jié)點無功功率不平衡量對該節(jié)點電壓的導(dǎo)數(shù)小于0 時，該節(jié)點是電壓穩(wěn)定的；大于0 時則是電壓不穩(wěn)定的；等于0 的狀態(tài)對應(yīng)于靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界點。鑒于感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷是最主要的負(fù)荷組成部分，用感應(yīng)電動機(jī)的穩(wěn)定性來研究電壓穩(wěn)定性，即小擾動下系統(tǒng)能否維持一定的負(fù)荷電壓水平。正常運行時，該節(jié)點輸入、輸出的無功功率必須平衡，即必須運行在和的交點。系統(tǒng)在圖3.4 中兩個交點是否都能穩(wěn)定運行可以用小

35、干擾法來加以分析。圖 4.4 無功電壓靜特性曲線1) 在點 1 運行時，如果一個微小的擾動使該節(jié)點的電壓略微下降，則負(fù)荷需要的無功將改變到與1"對應(yīng)的值，電源供應(yīng)的無功功率將改變?yōu)榕c1'對應(yīng)的值，該節(jié)點的無功功率將有過剩，電源向該節(jié)點輸送的無功將減少，網(wǎng)絡(luò)中的電壓降落也將相應(yīng)減少，該節(jié)點電壓又恢復(fù)到初始值。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)微小的擾動使該節(jié)點電壓上升一個微量DU > 0時，則該節(jié)點無功功率將有缺額，迫使電源多送無功功率，網(wǎng)絡(luò)中的電壓損耗也相應(yīng)增大，導(dǎo)致該節(jié)點電壓下降而恢復(fù)到原始值。所以，在點1 運行時電壓是靜態(tài)穩(wěn)定的。2) 在點 2 運行時的情況不同，當(dāng)負(fù)荷節(jié)點電壓下降時，其從

36、電網(wǎng)吸收的無功功率反而增多，無功功率在電網(wǎng)中遠(yuǎn)距離傳輸導(dǎo)致該節(jié)點電壓進(jìn)一步下降，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致電壓崩潰的發(fā)生。在點 1 運行時，電壓處于較高水平，dDQ dU < 0；在點2 運行時，電壓處于較低水平，dDQ dU > 0，所以合乎邏輯的結(jié)論便是上面的dDQ dU 判據(jù)。靜態(tài)電壓失穩(wěn)的機(jī)理都針對靜特性負(fù)荷，它把系統(tǒng)靜態(tài)極限負(fù)荷能力作為電壓穩(wěn)定臨界狀態(tài)，反映的是潮流解可行性問題。無論是P-U 曲線解釋，還是Q-U 曲線解釋，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)前總存在兩個平衡點（由小擾動分析知，其一為穩(wěn)定平衡點，另一為不穩(wěn)定平衡點），臨界穩(wěn)定時這兩個平衡點融合。以上都是用靜態(tài)的觀點來解釋電壓失穩(wěn)的機(jī)理，

37、認(rèn)為系統(tǒng)中有功和無功的不平衡造成系統(tǒng)的電壓失穩(wěn)，而沒有考慮系統(tǒng)中的各種動態(tài)元件的影響。由于系統(tǒng)的穩(wěn)定不僅要求系統(tǒng)存在潮流解并且應(yīng)當(dāng)是動態(tài)穩(wěn)定的，因而僅以引起雅可比矩陣奇異的潮流狀態(tài)判別穩(wěn)定性，所得結(jié)論偏于樂觀。4.3 電壓失穩(wěn)的動態(tài)機(jī)理解釋（1） 無功功率解釋當(dāng)負(fù)荷電壓下降時，其從電網(wǎng)吸收的無功功率反而增多，無功功率在電網(wǎng)中遠(yuǎn)距離傳輸導(dǎo)致該節(jié)點電壓進(jìn)一步下降，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致電壓崩潰的發(fā)生。但是這只是電壓崩潰發(fā)生時的表面現(xiàn)象，動態(tài)機(jī)理的研究必須深入了解當(dāng)電壓下降時，其吸收的無功功率為什么會增多。此外，電壓下降和無功需求增多并不一定導(dǎo)致電壓崩潰。（2） 電壓失穩(wěn)的動態(tài)機(jī)理電壓崩潰包括電壓失穩(wěn)和

38、崩潰兩個階段，一般在崩潰之前都有較緩慢的電壓失穩(wěn)過程。隨著對電壓穩(wěn)定研究的發(fā)展，考慮發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)作用、負(fù)荷以及其他動態(tài)元件影響的動態(tài)失穩(wěn)機(jī)理也應(yīng)運而生。CIGRE 工作組在文獻(xiàn)26中指出，暫態(tài)電壓不穩(wěn)定的主要機(jī)理是在擾動后感應(yīng)電動機(jī)不能再加速，或者由于輸電系統(tǒng)變?nèi)醵垢袘?yīng)電動機(jī)堵轉(zhuǎn)；另一個機(jī)理與HVDC（高壓直流輸電系統(tǒng)）相關(guān)，特別是當(dāng)逆變端處于短路容量小的負(fù)荷區(qū)域時，逆變端的無功消耗特性及其電容補(bǔ)償可能引發(fā)電壓不穩(wěn)定，常用的恒功率/固定息弧角控制在1 秒內(nèi)恢復(fù)逆變端的無功功率也可能導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定和電壓崩潰。中長期電壓失穩(wěn)的機(jī)理則與OLTC（有載調(diào)壓變壓器）、負(fù)荷端電壓調(diào)節(jié)器、熱負(fù)

39、荷特性導(dǎo)致的負(fù)荷恢復(fù)、發(fā)電機(jī)勵磁電流限制有關(guān)。Cutsem 對短期電壓失穩(wěn)、中長期電壓失穩(wěn)、中長期動態(tài)引起的短期電壓失穩(wěn)分別提出三個機(jī)理。具體為，短期電壓失穩(wěn)的三個機(jī)理：擾動后短期動態(tài)平衡點的失去，例如故障后系統(tǒng)中的感應(yīng)電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩?zé)o交點；系統(tǒng)不在擾動后短期動態(tài)的平衡點的吸引域內(nèi)，例如故障后系統(tǒng)中的感應(yīng)電動機(jī)雖然存在穩(wěn)定運行點，但無法再加速；擾動后短期動態(tài)振蕩不穩(wěn)定。中長期電壓失穩(wěn)的三個機(jī)理：失去中長期動態(tài)的平衡點；系統(tǒng)不在中長期動態(tài)的平衡點吸引域內(nèi)；緩慢增長的電壓振蕩失穩(wěn)。中長期動態(tài)引起的短期電壓不穩(wěn)定的三個機(jī)理：中長期動態(tài)引起的短期平衡點消失；中長期動態(tài)導(dǎo)致短期動態(tài)吸引域收縮，

40、致使短期動態(tài)不在穩(wěn)定平衡點吸引域內(nèi)的電壓不穩(wěn)定；中長期動態(tài)引起的短期動態(tài)振蕩不穩(wěn)定。更多的學(xué)者從負(fù)荷穩(wěn)定的角度來研究系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。段獻(xiàn)忠根據(jù)感應(yīng)電動機(jī)等效導(dǎo)納不能突變的性質(zhì)，提出了以動態(tài)負(fù)荷等效導(dǎo)納為狀態(tài)變量作小擾動分析的電壓失穩(wěn)機(jī)理解釋，認(rèn)為電壓失穩(wěn)可以歸結(jié)為負(fù)荷為維持有功功率平衡而自動調(diào)節(jié)其導(dǎo)納的特性和網(wǎng)絡(luò)輸送能力的有限性共同作用的結(jié)果。但是實際中系統(tǒng)中存在的無功功率不平衡也會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。后來研究人員在單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)中對發(fā)電機(jī)、AVR（自動電壓調(diào)節(jié)器）和電壓控制元件之間的相互影響進(jìn)行時域仿真，考慮發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)及電動機(jī)的動態(tài)作用，提出了電壓崩潰的動態(tài)機(jī)理解釋。假設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定運行處于S

41、NB（鞍結(jié)分岔）點附近，發(fā)電機(jī)勵磁電流已接近于極限狀態(tài)。如果此時系統(tǒng)有一小擾動，使電動機(jī)端電壓減小，由分析可知：1) 假定電動機(jī)機(jī)械負(fù)荷為恒功率負(fù)荷，端電壓的降低導(dǎo)致電動機(jī)定子電流增加；2) 定子電流的增加加大了輸電線上的電壓降落，進(jìn)一步降低了電動機(jī)的端電壓；3) 端電壓的下降引起線路電容充電無功功率的減小，使系統(tǒng)中無功更加短缺；4) 電動機(jī)定子電流的增加導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電流的增加，在發(fā)電機(jī)勵磁電流己達(dá)極限不能再增加后，由于電樞反應(yīng)將引起氣隙磁通的減少，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)內(nèi)電動勢的減小，從而降低發(fā)電機(jī)端電壓，同時也減少了發(fā)電機(jī)的無功輸出，使系統(tǒng)各節(jié)點電壓進(jìn)一步降低。如此形成惡性循環(huán)，引起電壓的持續(xù)下降，

42、直至電壓崩潰。雖然這一動態(tài)機(jī)理解釋形象地說明了電壓崩潰的發(fā)展過程。但我們還要考慮系統(tǒng)中其他一些因素，比如：OLTC、SVC（靜止無功補(bǔ)償器）作用，負(fù)荷特性，系統(tǒng)中一些控制裝置、控制措施以及新型FACTS（柔性交流輸變電）設(shè)備。5.無功補(bǔ)償通過前面的說明，我們已經(jīng)知道電網(wǎng)除了輸送有功功率外，同時也要輸送無功功率，然而當(dāng)無功負(fù)荷增加時，系統(tǒng)的功率因數(shù)將降低，從而影響電壓使線路電壓降低，增大線路損耗。為了提高功率因數(shù)，減小線路損耗，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，因此要對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償5.1無功補(bǔ)償?shù)囊饬x（1）補(bǔ)償無功功率，可以增加電網(wǎng)中有功功率的比例常數(shù)。 （2） 減少發(fā)電設(shè)備和供電設(shè)備的設(shè)計容量，減少投資，例

43、如當(dāng)功率因數(shù)cos=0.8增加到cos=0.95時，裝1Kvar電容器可節(jié)省設(shè)備容量0.52KW；反之，增加0.52KW對原有設(shè)備而言，相當(dāng)于增大了發(fā)、供電設(shè)備容量。因此，對新建、改建工程，應(yīng)充分考慮無功補(bǔ)償，便可以減少設(shè)計容量，從而減少投資。 （3） 降低線損，由公式%=（1-cos/cos）×100%得出其中cos為補(bǔ)償后的功率因數(shù)，cos為補(bǔ)償前的功率因數(shù)，則： cos>cos，所以提高功率因數(shù)后，線損率也下降了，減少設(shè)計容量、減少投資，增加電網(wǎng)中有功功率的輸送比例，以及降低線損都直接決定和影響著供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。所以，功率因數(shù)是考核經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)，規(guī)劃、實施無功補(bǔ)

44、償勢在必行。5.2 無功功率的平衡無功功率平衡是指在電網(wǎng)運行的任一時間內(nèi)，所有無功電源發(fā)出的無功功率要與于所有負(fù)荷所消耗的無功功率和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)上無功功率損耗之和相等，無功電源包括發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、靜止無功補(bǔ)償器、并聯(lián)電容器等。系統(tǒng)中無功功率損耗主要是在線路和變壓器中的無功損耗。與有功損耗相比，系統(tǒng)中的無功損耗要大得多，這是因為高壓線路、變壓器的等值串聯(lián)電抗要比電阻大得多，變壓器的勵磁無功損耗也比有功損耗大得多。系統(tǒng)中的有功損耗一般只占負(fù)荷功率的百分之幾，而系統(tǒng)中的無功損耗與無功負(fù)荷的大小則是差不多的，無功電源發(fā)出的無功功率基本上一半是供給負(fù)荷的，而另一半是補(bǔ)償線路和變壓器中的無功功率損耗的。因

45、此，電網(wǎng)需要的無功功率僅靠發(fā)電機(jī)供給是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要裝設(shè)大量的無功補(bǔ)償設(shè)備。系統(tǒng)中無功功率的平衡關(guān)系與有功功率相似，如下式所示 （51）式中，電源供給的無功功率由兩部分組成，即發(fā)電機(jī)供應(yīng)的無功功率和補(bǔ)償設(shè)備供應(yīng)的無功功率，而補(bǔ)償裝置供應(yīng)的無功功率又分調(diào)相機(jī)供應(yīng)的、并聯(lián)電容器供應(yīng)的和靜止補(bǔ)償器供應(yīng)的三部分。因此，可分解為 （52）靜止補(bǔ)償器供應(yīng)的部分又包含靜止無功補(bǔ)償功率補(bǔ)償器SVC、靜止調(diào)相機(jī)Statcom、無功功率發(fā)生器SVG所發(fā)出的無功功率。式2-16中，負(fù)荷消費的無功功率可按負(fù)荷的功率因數(shù)計算。未經(jīng)改良的負(fù)荷功率因數(shù)一般不高，僅到0.60.9，但因規(guī)程對電力用戶的功率因數(shù)有一定的限制，

46、例如不得低于0.90等等，系統(tǒng)規(guī)劃運行部門作無功功率平衡時，可按規(guī)程規(guī)定確定負(fù)荷消費的無功功率。式2-16中，無功損耗包括三個部分：變壓器的無功功率損耗，線路電抗中的無功損耗，線路電納中的無功損耗。屬容性，如將其作感性無功功率處理，則應(yīng)具有負(fù)值。因此，可分解為 （53）根據(jù)如上的平衡關(guān)系，定期作無功功率平衡計算的內(nèi)容是：（1）參考累計的規(guī)劃運行資料確定未來的、有代表性的預(yù)想有功功率日負(fù)荷曲線（2）確定出現(xiàn)無功功率日最大負(fù)荷時系統(tǒng)中有功功率負(fù)荷的分配。（3）假設(shè)各無功功率電源的容量和配置情況以及某些樞紐點的電壓水平。（4）計算系統(tǒng)中的潮流分布。（5）根據(jù)潮流分布，統(tǒng)計出關(guān)系式2-17中的各項數(shù)據(jù)

47、，判斷系統(tǒng)中無功功率能否平衡。（6）如統(tǒng)計結(jié)果表明系統(tǒng)無功功率有缺額，則應(yīng)變更上列假設(shè)條件，重作潮流分布計算；如果無功功率始終無法平衡，則應(yīng)考慮增設(shè)無功電源的方案。無疑，如上的計算中，無論有功或無功功率的分布都應(yīng)力求最優(yōu)。需要指出的是，進(jìn)行無功功率計算的前提應(yīng)是系統(tǒng)的電壓水平正常。如不能在正常電壓水平下保證無功功率的平衡，系統(tǒng)的電壓質(zhì)量則不能保證。系統(tǒng)中無功功率也應(yīng)保持一定的備用。否則，當(dāng)負(fù)荷增大時，電壓質(zhì)量仍無法保證。無功功率備用容量一般可取最大無功功率負(fù)荷的7%8%。5.3 無功功率電源電力系統(tǒng)的無功電源，除了發(fā)電機(jī)外，還有同步調(diào)相機(jī)、靜電電容及靜止無功補(bǔ)償器，這三種裝置又稱無功補(bǔ)償裝置。

48、（1）發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)既是唯一的有功功率電源，又是最基本的無功功率電源，發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運行過時，可發(fā)出無功功率 （54）式中、發(fā)電機(jī)的額定視在功率，額定有功功率和額定功率因素角?，F(xiàn)在討論發(fā)電機(jī)在非額定功率因數(shù)下運行時可能發(fā)出的無功功率：假定隱極發(fā)電機(jī)連接在恒壓母線上，母線電壓為。發(fā)電機(jī)的等值電路和相量圖如下5.1所示。途中C點事額定運行點。電壓降相量AC的長度代表，正比于定子額定全電流，亦即正比于發(fā)電機(jī)的額定實在功率，它在縱軸上的投影為，在橫軸上的投影為，相量OC的長度代表空載電動勢E，它正比于發(fā)電機(jī)的額定勵磁電流，當(dāng)改變功率因數(shù)時，發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率P和無功功率Q要受定子電流額定值（額定視

49、在功率）、轉(zhuǎn)子電流額定值（空載電動勢）、原動機(jī)出力（額定有功功率）的限制。在圖中，以A為圓心，以AC為半徑的圓弧表示額定視在功率的限制；以O(shè)為圓心，以O(shè)C為半徑的圓弧表示額定轉(zhuǎn)子電流的限制；而水平線表示原動機(jī)出力的限制，這些限制條件在圖中用粗線畫出，這就是發(fā)電機(jī)的P-Q極限曲線：從圖中可以看到，發(fā)電機(jī)只有在額定電壓、電流和功率因數(shù)（即運行點C）下運行時視在功率才能達(dá)到額定值，這樣其容量就可以得到最充分的利用。當(dāng)系統(tǒng)無功電源不足而有功備用容量較充裕時，可利用靠近負(fù)荷中心的發(fā)電機(jī)降低功率因數(shù)，使之在低功率因數(shù)下運行，從而多發(fā)出無功功率以提高系統(tǒng)的電壓水平，但是發(fā)電機(jī)的運行點不應(yīng)越出P-Q極限曲線的

50、范圍。圖5.1發(fā)電機(jī)的等值電路和相量圖（2） 同步調(diào)相機(jī)同步調(diào)相機(jī)相當(dāng)于空載運行的同步發(fā)電機(jī)。在過勵磁運行時，它向系統(tǒng)供給感性無功功率而起無功電源的作用，能提高系統(tǒng)電壓；在欠勵磁運行時，它從系統(tǒng)吸取感性無功功率而起無功負(fù)荷作用，可降低系統(tǒng)電壓。由于實際運行的需要和對穩(wěn)定性的要求，欠勵磁最容量只有過勵磁容量的50%65%。裝有自動勵磁調(diào)節(jié)裝置的同步調(diào)相機(jī)，能根據(jù)裝設(shè)地點電壓的數(shù)值平滑改變輸出（或吸收）的無功功率，從而進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。特別是有強(qiáng)行勵磁裝置時，在系統(tǒng)故障情況下，還能調(diào)整系統(tǒng)的電壓，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，它的有功功率損耗較大，在滿負(fù)荷時約為額定容量的1.5%5%，容量越小，百分值越大。

51、小容量的調(diào)相機(jī)每千伏安容量的投資費用也較大，故同步調(diào)相機(jī)宜于大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不裝設(shè)。在我國，同步調(diào)相機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，運行維護(hù)比較復(fù)雜。隨著新一代無功補(bǔ)償裝置SVC、SVG的出現(xiàn)，同步調(diào)相機(jī)將有被拆除和被取代的可能。（3） 靜電電容器靜電電容器可按三角形或星形接法連接在變電所母線上。它供給的無功功率值與所在節(jié)點的電壓U的平方成正比，即式中，為靜電電容器的容抗。當(dāng)節(jié)點電壓下降時，它所供給系統(tǒng)的無功功率將減少。因此，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或由于其他原因電壓下降，希望電容器輸出無功增加以維持母線電壓時，電容器輸出的無功反而減少，所以電容器對系統(tǒng)的無功功率調(diào)節(jié)性能比較差。靜電電容器的容量可大

52、可小，而且即可集中使用，又可以分散裝設(shè)就地供應(yīng)無功功率，以降低網(wǎng)絡(luò)的電能損耗。電容器每單位容量的投資費用較小且與總?cè)萘康拇笮o關(guān)，與其他無功補(bǔ)償裝置相比，在投資費用上存在數(shù)量級的差別。其運行功率損耗只有額定容量的0.3%0.5%。此外由于它沒有旋轉(zhuǎn)部件，維護(hù)也較方便。為了在運行中調(diào)節(jié)電容的功率，還可以將電容器連接成若干組，根據(jù)負(fù)荷的變化，分組投入或切除，由于靜電電容器具有上述多種優(yōu)點，因此在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。（4） 靜止補(bǔ)償器靜止補(bǔ)償器全稱為靜止無功功率補(bǔ)償器（SVG），出現(xiàn)在70年代初，可謂靈活交流輸電“家族”的最早成員。靜止補(bǔ)償器有各種不同型式。目前常用的有晶閘管控制電抗器型（T

53、CR型）、晶閘管開關(guān)電容型（TSC型）和飽和電抗器型（SR型）三種，分別如圖5.2（A）、（B）、（C）所示。它們的靜態(tài)電壓特性（伏安特性），則分別示于圖5.3（A）、（B）、（C）。圖5.2靜止無功功率補(bǔ)償器TCR型補(bǔ)償器由TCR和若干組不可控電容器組成。與電容C串聯(lián)的電感構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，兼作高次諧波的濾波器，濾去由TCR產(chǎn)生的5、7、11······等次諧波電流。僅有TCR時，補(bǔ)償器的基波電流如圖5.5（A）中點劃線所示，其值取決于晶閘管的觸發(fā)角，而后者又取決于設(shè)定的控制規(guī)律和系統(tǒng)的運行狀況等。僅有電容器C時，補(bǔ)償器的電流如圖中

54、虛線所示，即隨其端電壓的增大而增大。TCR與電容器同時投入時，補(bǔ)償器的電流如圖中實線所示。這是補(bǔ)償器的正常運行方式。因此，這種形式補(bǔ)償器的運行范圍就在圖中與之間。TCR型補(bǔ)償器其實只是以晶閘管開關(guān)取代了常規(guī)電容器所配置的機(jī)械式開關(guān)。而其電流顯然就正比于其端電壓和投入電容器的組數(shù)n，如圖（B）所示。SR型補(bǔ)償器中的濾波回路與TCR型補(bǔ)償器的相似：與飽和電抗器串聯(lián)的電容則用以校正飽和電抗器伏安特性的斜率，其作用如圖（C）中虛線和電話線所示。這種補(bǔ)償器整體的伏安特性如圖中實線所示，但是由于這種補(bǔ)償器中實際并無晶閘管，嚴(yán)格說，它不應(yīng)屬于靈活交流輸電系統(tǒng)范疇。不論何種形式的靜電補(bǔ)償器，它們之所以能作無功

55、功率電源并產(chǎn)生感性無功功率，依靠的是其中的電容器。而電容器所能產(chǎn)生的感性無功功率則與其端電壓的平方成正比：因此，當(dāng)系統(tǒng)電壓水平過于低下，迫切需要補(bǔ)償器增加其感性無功功率輸出時，補(bǔ)償器往往無法增加，如圖（B）以及圖（A）、（C）中電壓低于伏安特性拐點時，這是作為無源元件的靜止補(bǔ)償器所無法克服的缺陷。圖5.3靜態(tài)電壓特性靜止補(bǔ)償器的這一缺陷正是有源元件調(diào)相機(jī)的獨特優(yōu)點，因為即使不計調(diào)相機(jī)所配自動調(diào)節(jié)勵磁裝置的作用，它在過勵運行時所發(fā)生的感性無功功率為，從而，亦即時，調(diào)相機(jī)發(fā)出的感性無功功率將隨其端電壓的下降而增加，而的條件一般都可滿足。(5)靜止調(diào)相機(jī)受上面靜止補(bǔ)償器的啟發(fā)，出現(xiàn)了靜止調(diào)相機(jī)的設(shè)想

56、,它其實相當(dāng)于半個綜合潮流控制器。具體而言，以電容器為電壓源，借可關(guān)斷晶閘管GTO和二極管D組成的換流器控制其交流側(cè)電壓，使之與系統(tǒng)電壓同相位，則當(dāng)/k時，調(diào)相機(jī)將向系統(tǒng)輸出感性無功功率；反之/k，將由系統(tǒng)輸入感性無功功率。重要的是，由于此次換流器交流側(cè)電壓完全可控，不存在靜止補(bǔ)償器因端電壓取決于系統(tǒng)電壓而帶來的缺陷。(6)無功功率發(fā)生器圖5.4是靜止無功發(fā)生器原理圖。它是近年來發(fā)展的一種新型的靜止無功發(fā)生器裝置（又稱靜止同步補(bǔ)償器）。圖5.4靜止無功發(fā)生器原理圖其主要部件是一個由可關(guān)斷晶閘管組成的三相逆變器裝置，其輸入來自一組儲能電容器上的直流電壓，其輸出的三相交流電壓與電力系統(tǒng)電壓同步。改變靜止無功發(fā)生器輸出無功的大小與極性。靜止無功發(fā)生器的性能優(yōu)于靜止無功補(bǔ)償器。例如，當(dāng)電網(wǎng)連接無功補(bǔ)償器處的電壓下降時，它的最大無功輸出會隨之大大下降時，它的最大無功功率輸出會隨之大大下降，因為其最大無功