電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及其評估概述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及其評估概述姓名：任志航 學(xué)號：31隨著近年來大電網(wǎng)、高電壓、超高壓的不斷發(fā)展，巨量的電能需要通過長距離的高壓輸電線送到負荷中心，電力系統(tǒng)面臨的壓力越來越大，很多電力系統(tǒng)不得不運行在其穩(wěn)定極限附近，事故風(fēng)險率極高。因此，電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的評估顯得尤為重要，是電力系統(tǒng)可靠運行的重中之重。電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性是指在給定的一個初始運行條件下，受到擾動后電力系統(tǒng)中所有母線維持原電壓穩(wěn)定或在允許范圍內(nèi)達到新的穩(wěn)定電壓的能力。電壓穩(wěn)定分為小干擾穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。小干擾電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受諸如負荷增加等小擾動后，系統(tǒng)所有母線維持原電壓穩(wěn)定的能力。大擾動電壓穩(wěn)定是指

2、電力系統(tǒng)遭受大干擾如系統(tǒng)故障，失去負荷，失去發(fā)電機或線路之后，系統(tǒng)不發(fā)生電壓崩潰的能力，包括暫態(tài)穩(wěn)定和中長期穩(wěn)定。而運行著的電力系統(tǒng)在遭受干擾后的幾秒或幾分鐘內(nèi)，系統(tǒng)中一些母線電壓可能經(jīng)歷大幅度、持續(xù)性的降低，從而使得系統(tǒng)的完整性遭到破壞，功率不能正常地傳給用戶。這種情況稱為系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。電壓不穩(wěn)定最嚴重的后果是導(dǎo)致電壓崩潰。電壓崩潰是指系統(tǒng)發(fā)生一系列事故后導(dǎo)致一些母線電壓持續(xù)降低，而功角穩(wěn)定性有可能并沒有破壞的跡象，從而很難預(yù)先察覺。電壓崩潰會導(dǎo)致大量負荷的丟失，嚴重時會造成系統(tǒng)解列。舉個例子，當(dāng)負荷大幅度上漲后,系統(tǒng)的無功補償能力嚴重不足,調(diào)度在全網(wǎng)電壓下降過程中未能果斷切除部分負荷；當(dāng)

3、系統(tǒng)無功功率供應(yīng)不足時,如果繼續(xù)保持負荷側(cè)的電壓水平,勢必造成上一級電網(wǎng)電壓下降,嚴重時會拖垮高壓電網(wǎng)電壓,進而發(fā)展為電壓崩潰。電壓崩潰事故是電力系統(tǒng)中發(fā)生的災(zāi)難性事故，通常會造成巨額直接經(jīng)濟損失以及長期大面積停電，危害性高，造成的經(jīng)濟損失也大。從電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的物理本質(zhì)上定義，電壓穩(wěn)定指當(dāng)系統(tǒng)向負荷提供的功率隨著電流的增加而增加時，系統(tǒng)處于電壓穩(wěn)定狀態(tài)；反之，系統(tǒng)處于電壓不穩(wěn)定狀態(tài)。電壓崩潰指當(dāng)系統(tǒng)處于電壓不穩(wěn)定狀態(tài)，負荷仍持續(xù)地試圖通過加大電流以獲得更大的功率(有功或無功)，則會發(fā)生電壓崩潰。當(dāng)系統(tǒng)處于電壓不穩(wěn)定狀態(tài)，此時系統(tǒng)向負荷提供的功率已不可能隨著電流的增加而增加，而負荷會試圖通

4、過加大電流以獲得更大功率。這可以從兩個方面去說明：一方面以空調(diào)負荷為例，當(dāng)氣溫上升或電壓降低或整定溫度被調(diào)低時，空調(diào)會加大開機時間與停機時間的比值，其群體效應(yīng)就是加大所在負荷節(jié)點的電流；另一方面當(dāng)系統(tǒng)處于電壓不穩(wěn)定狀態(tài)時，人們會痛感當(dāng)下用電器具或設(shè)備太不如意，此時他們會加開用電器具或設(shè)備，或調(diào)高現(xiàn)行用電具、設(shè)備的檔次或改變其整定值，這些行為都會加大它們所在負荷節(jié)點的電流。如果負荷仍持續(xù)地試圖通過加大電流以獲得更大的功率(有功或無功)，就會發(fā)生一個正反饋式的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致電壓崩潰。靜態(tài)研究認為電壓失穩(wěn)機理是負荷超過了網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸極限，從而造成潮流方程無解。但隨著對電壓穩(wěn)定研究的進一步深入，

5、人們開始用非線性動力學(xué)系統(tǒng)的理論知識來解釋電壓失穩(wěn)的機理。因此，TVanCustem提出：電壓失穩(wěn)產(chǎn)生于負荷動態(tài)地恢復(fù)其自身功率消耗的能力超出了傳輸網(wǎng)絡(luò)和發(fā)電機系統(tǒng)所能達到的最大極限。把電壓穩(wěn)定問題僅當(dāng)作靜態(tài)問題的觀念是不周全的；負荷是電壓失穩(wěn)的根源，因此，電壓失穩(wěn)這一現(xiàn)象也可稱為負荷失穩(wěn)，但負荷并不是電壓失穩(wěn)中唯一的角色；發(fā)電機不應(yīng)視為理想的電壓源，其模型（包括控制器）的準確性對準確的電壓穩(wěn)定分析十分重要。電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定研究方法按研究中采用的模型來劃分，電壓穩(wěn)定研究方法可分為兩大類，一類是基于潮流方程的靜態(tài)電壓穩(wěn)定研究，另一類是基于微分方程的動態(tài)電壓穩(wěn)定研究。一、基于潮流方程的靜態(tài)電壓穩(wěn)定

6、性研究，靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析中所采用的方法，都不計及各類元件的動態(tài)特性，而是基于潮流方程或經(jīng)過修改的潮流方程，在當(dāng)前運行點處線性化后進行計算分析，本質(zhì)上都把電力網(wǎng)絡(luò)的潮流極限作為電壓靜態(tài)穩(wěn)定的臨界點，其中各類方法的不同之處在于所采用的求取臨界點的方法不同，以及使用極限運行狀態(tài)下的不同特征作為電壓崩潰的判據(jù)。 靜態(tài)電壓穩(wěn)定研究分主要用于評估電力系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)，尤其是在當(dāng)前運行狀態(tài)下的電壓穩(wěn)定情況，此類分析方法經(jīng)歷較長時期的研究，已經(jīng)比較成熟，主要有以下幾種。 、最大功率法。這是一種最直觀地分析電壓穩(wěn)定性的方法。當(dāng)負荷的需求超過網(wǎng)絡(luò)所能傳輸功率的極限時，系統(tǒng)就會出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，其中包括電壓失穩(wěn)行為。最大功率

7、法就是求取這個臨界點即電壓穩(wěn)定極限運行狀態(tài)。常用的最大功率判據(jù)有：任意負荷節(jié)點的有功功率判據(jù)；無功功率判據(jù)以及所有負荷節(jié)點的復(fù)功率之和最大判據(jù)。 最大功率法的模型適應(yīng)性強，能夠方便地得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡點，對于指導(dǎo)系統(tǒng)的實際運行往往是有用的。然而，電壓穩(wěn)定問題屬于動態(tài)問題，必須考慮系統(tǒng)中各種元件特別是綜合負荷的動態(tài)特性，最大功率法以系統(tǒng)傳輸功率極限點當(dāng)作電壓穩(wěn)定臨界點不夠嚴格。 、潮流多值解法。電力系統(tǒng)的潮流方程是一組二階非線性方程，因而可能存在多個潮流解，對于一個節(jié)點系統(tǒng)，系統(tǒng)的潮流最多可能有n-1個解，并且這些解都是成對出現(xiàn)的，其中一個為高電壓解是穩(wěn)定解，一個為低電壓解是不穩(wěn)定解。隨著系統(tǒng)負

8、荷水平的加重，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，只存在個解。在到達穩(wěn)定極限后，這對潮流解融合成一個解。該方程將潮流方程解的存在性與靜態(tài)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。 潮流多值解法在電壓穩(wěn)定研究初期被以日本學(xué)者為主體的研究人員提出，潮流方程的多解性研究得出了很多有意義的結(jié)論，為計算電力系統(tǒng)的極限運行狀態(tài)提供了一條途徑，間接克服了潮流方程的雅可比矩陣在臨界點奇異而帶來的收斂問題，但低電壓解的求取一直是一個比較困難的問題，潮流多值解法在近年來的電壓穩(wěn)定研究中已經(jīng)較少采用。 、靈敏度法。靈敏度分析方法屬于靜態(tài)電壓穩(wěn)定研究的范疇，它以潮流計算為基礎(chǔ)，從

9、定性物理概念出發(fā)，利用系統(tǒng)中某些量的變化關(guān)系，即它們之間的微分關(guān)系來判斷系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，確定系統(tǒng)的薄弱母線及無功補償裝置的安裝位置等。目前，電壓穩(wěn)定研究中的靈敏度分析大部分是建立在潮流方程基礎(chǔ)上，各種靈敏度分析方法的差別主要體現(xiàn)為所選用指標的不同，以及對潮流方程變量的分類及其相互關(guān)系的處理上。所有的靈敏度指標從數(shù)學(xué)上均可以分為兩種類型：狀態(tài)變量X對控制變量U的靈敏度指標dX/dU和輸出變量Y對控制變量U的靈敏度指標dY/dU，前者簡稱為狀態(tài)變量靈敏度，后者簡稱為輸出變量靈敏度。 當(dāng)靈敏度系數(shù)變大時，系統(tǒng)趨向于不穩(wěn)；如靈敏度系數(shù)趨于無窮大時，系數(shù)發(fā)生電壓崩潰。對于不同的研究對象，可采用不同的狀

10、態(tài)變量，如需要監(jiān)視電壓，則可采用電壓靈敏度系數(shù)判據(jù)。在使用靈敏度時，一般將控制變量取為負荷的變化量，電壓崩潰點通常定義為負荷的極限點。靈敏度法在電壓穩(wěn)定研究中的應(yīng)用越來越廣泛，其突出特點是物理概念明確，計算簡單。但是靈敏值計算缺乏統(tǒng)一的靈敏度分析理論作基礎(chǔ)，許多文獻都按自己的方法進行靈敏度分析，沒有統(tǒng)一的標準；在計算靈敏度指標時，沒有考慮負荷動態(tài)的影響，沒有計及發(fā)電機無功越限、有功經(jīng)濟調(diào)度的影響；此外，靈敏度指標是一個狀態(tài)指標，它只能反映系統(tǒng)某一運行狀態(tài)的特性，而不能計及系統(tǒng)的非線性特性，不能準確反映系統(tǒng)與電壓失穩(wěn)臨界點的距離。 、奇異值分解（特征值分析）法。電壓穩(wěn)定臨界點，從物理上是系統(tǒng)到達

11、最大功率傳輸點，而從數(shù)學(xué)角度上就是系統(tǒng)潮流方程雅可比矩陣奇異的點。當(dāng)系統(tǒng)的負荷接近其極限狀態(tài)時，潮流雅可比矩陣接近奇異，因此，最小奇異值映射出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，用來反映當(dāng)前工作狀態(tài)接近臨界工作狀態(tài)的程度。 此方法的缺陷在于，隨著系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化，電壓最容易失去穩(wěn)定的模式可能改變，所以在進行系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析時，必須計算出一定數(shù)目的最小特征值及特征向量。實際上，潮流雅可比矩陣的奇異值或特征值變化較為緩慢，而且具有高度的非線性，發(fā)電機無功越限時會導(dǎo)致最小特征值跳變，因而最小奇異值不是一種很好的電壓穩(wěn)定指標，難以用它對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定程度做出客觀評

12、價。二、基于微分方程的動態(tài)電壓穩(wěn)定研究，電壓失穩(wěn)的發(fā)展演變過程是一個動態(tài)過程，系統(tǒng)中所有的動態(tài)元件包括發(fā)電機及其控制系統(tǒng)、負荷的動態(tài)特性、有載調(diào)壓變壓器及無功補償設(shè)備都對電壓失穩(wěn)有著重要影響。從動態(tài)角度研究電壓穩(wěn)定問題的方法也很多，主要的方法有：將描述電力系統(tǒng)運行的非線性微分方程和代數(shù)方程在運行點處線性化，形成狀態(tài)方程，并通過狀態(tài)方程特征矩陣的特征值分析來判斷該運行點的穩(wěn)定性的小擾動分析法；動態(tài)潮流法，即是系統(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，通過每一時步的系統(tǒng)動態(tài)潮流解算得到某一節(jié)點和幾個節(jié)