試論電力電壓穩(wěn)定及控制的重要性

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0 引言
　　
　　近幾年,隨著各種科技日益的更新及發(fā)展,電力系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入到了一個(gè)新時(shí)代。由于系統(tǒng)日益復(fù)雜化,使得電力系統(tǒng)中的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題越來(lái)越突出,成為了現(xiàn)代電力系統(tǒng)要解決的重要問(wèn)題之一。而各地先后發(fā)生了多起由于電壓失穩(wěn)導(dǎo)致的大面積停電事故,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響,因此,如何解決電壓穩(wěn)定及控制技術(shù),避免電壓崩潰事故的發(fā)生,具有重要的意義。
　　
　　1 電壓的穩(wěn)定的重要性
　　
　　在電力系統(tǒng)中電壓的穩(wěn)定性,是指從給定的初始運(yùn)行條件出發(fā),遭受擾動(dòng)后電力系統(tǒng)在所有母線上保持穩(wěn)定電壓的能力,它依賴于電力系統(tǒng)中保持或恢復(fù)負(fù)荷需求和負(fù)荷供給平衡的能力。可能發(fā)生的失穩(wěn),表現(xiàn)為一些母線上的電壓下降或升高。電壓的穩(wěn)定,是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。電壓的失穩(wěn),將造成電力系統(tǒng)中負(fù)荷的喪失、傳輸線路的跳閘、系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)停電,以及發(fā)電機(jī)異步等情況。由于電壓失穩(wěn)的情況復(fù)雜多變,在探討電壓穩(wěn)定性技術(shù)時(shí),必須對(duì)電壓穩(wěn)定性能進(jìn)行分類。最新的電壓穩(wěn)定性能分類,主要從2個(gè)角度進(jìn)行劃分:
　　 1)從外界擾動(dòng)性質(zhì)出發(fā)的電壓穩(wěn)定性劃分從外界擾動(dòng)的性質(zhì)出發(fā),可分為:
　　(1)大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定。指系統(tǒng)在遭受大的擾動(dòng)后,保持電壓穩(wěn)定的能力;
　　(2)小干擾電壓穩(wěn)定。指系統(tǒng)在遭受小的擾動(dòng)如系統(tǒng)負(fù)荷增加后,保持電壓穩(wěn)定的能力。
　　2)從時(shí)間范圍的角度出發(fā),電壓的穩(wěn)定性可以分為:
　　(1)短期電壓穩(wěn)定。包含快速動(dòng)作元件如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電子控制負(fù)荷、HVDC變流器的動(dòng)態(tài)過(guò)程;
　　(2)長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定。涉及慢動(dòng)作設(shè)備如變壓器分接頭、溫控負(fù)荷、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流限制器等。
　　
　　2 電壓穩(wěn)定性的分析
　　
　　2.1造成電壓不穩(wěn)的主要原因
　　從電壓穩(wěn)定性能的原理和分類中可以看出,造成電壓不穩(wěn)的主要原因表現(xiàn)在2個(gè)方面:
　　1)長(zhǎng)線路遠(yuǎn)距離輸電,且其使用強(qiáng)度日益接近其極限值,由于功率源和電壓源離負(fù)荷很遠(yuǎn),其補(bǔ)償電壓損耗和功率損耗的能力愈趨困難;
　　2)負(fù)荷側(cè)所帶負(fù)載太重,造成高壓線路上傳輸電流增大,電壓損耗和功率損耗(包括有功和無(wú)功功率)增加,發(fā)電機(jī)越限時(shí)不能補(bǔ)償電壓和功率的損失,致使負(fù)荷側(cè)電壓下降甚至崩潰。
　　當(dāng)負(fù)荷水平較重和系統(tǒng)無(wú)功不足的情況下,當(dāng)有擾動(dòng)發(fā)生時(shí),發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)限制器和負(fù)荷有載調(diào)壓變壓器等,這些慢動(dòng)態(tài)裝置的相互作用,會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓發(fā)生不穩(wěn)定。
　　2.2 分析電壓穩(wěn)定性能的技術(shù)
　　分析電壓穩(wěn)定性能的技術(shù),主要從無(wú)功和負(fù)荷2個(gè)點(diǎn)著手:
　　1)無(wú)功不足的電壓失穩(wěn)分析。通常認(rèn)為,有功與頻率有關(guān),而無(wú)功與電壓有關(guān)。這種說(shuō)法雖不嚴(yán)謹(jǐn),但也有其一定道理。從無(wú)功和電壓的關(guān)系分析電壓穩(wěn)定性,可以如下表述:當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值隨這個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功支持的增加而增加時(shí),則認(rèn)為系統(tǒng)是電壓穩(wěn)定的;而當(dāng)其中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值,隨這個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功支持的增加反而降低時(shí),認(rèn)為系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。比如,當(dāng)系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的U-Q靈敏度都為正時(shí),對(duì)應(yīng)電壓穩(wěn)定狀態(tài);只要系統(tǒng)中有一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)的U-Q靈敏度為負(fù)時(shí),對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。系統(tǒng)中無(wú)功功率損耗很高,并且遠(yuǎn)大于有功功率損耗。當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)功功率短缺時(shí),會(huì)造成電壓水平的低下,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些微小擾動(dòng)時(shí),有可能會(huì)使某些樞紐變電所母線電壓不穩(wěn),其母線電壓可能在頃刻之間就大幅度下降,不僅會(huì)造成電壓不穩(wěn)現(xiàn)象,更嚴(yán)重的還可能發(fā)展為電壓崩潰事故。
　　2)負(fù)荷突增時(shí)的電壓失穩(wěn)的分析。互聯(lián)電力系統(tǒng)的電壓失穩(wěn),常常發(fā)生在系統(tǒng)負(fù)荷很重的情況下。當(dāng)負(fù)荷接近極限時(shí),如果再增加少量負(fù)荷,系統(tǒng)電壓可能就會(huì)突然急劇下降,嚴(yán)重時(shí)甚至不能控制,導(dǎo)致電壓失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。負(fù)荷特性很大程度上決定了電壓失穩(wěn)/電壓崩潰的歷程。
如果一個(gè)電力系統(tǒng)處于重載情況,假定負(fù)荷已接近于臨界狀態(tài),無(wú)功電源已達(dá)極限,無(wú)法再提供多余的無(wú)功支持時(shí),系統(tǒng)發(fā)生很小的電壓降低,或負(fù)荷稍微增加一點(diǎn),都會(huì)打破系統(tǒng)的平衡,導(dǎo)致系統(tǒng)的局部電壓失去穩(wěn)定,最終結(jié)果可能就是整個(gè)系統(tǒng)的電壓崩潰。
　　2.3 電壓失穩(wěn)的形式
　　1)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題。緩慢增加的負(fù)荷,導(dǎo)致了負(fù)荷端母線電壓也慢慢下降,當(dāng)電壓下降到電力系統(tǒng)所能承受的最大負(fù)荷極限值,或接近這一極限值時(shí),當(dāng)繼續(xù)增加負(fù)荷、系統(tǒng)發(fā)生故障或系統(tǒng)運(yùn)行的正常操作等擾動(dòng)發(fā)生,都會(huì)使負(fù)荷母線電壓發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的突然下降,而且在電壓突然下降之前的整個(gè)過(guò)程中,并未發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度和母線電壓相角有很大變化。
　　2)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題。電力系統(tǒng)發(fā)生故障后,運(yùn)行人員會(huì)采取一些控制糾正措施來(lái)保證系統(tǒng)的功角暫態(tài)穩(wěn)定和維持系統(tǒng)的頻率;但如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)變得很脆弱了,或者系統(tǒng)中電源支持負(fù)荷的能力變?nèi)趿?那么緩慢的負(fù)荷恢復(fù)過(guò)程,也可能會(huì)導(dǎo)致電壓的失穩(wěn)。由于電力系統(tǒng)在發(fā)生電壓失穩(wěn)之前,己經(jīng)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中,因此,發(fā)電機(jī)及其控制器、負(fù)荷的動(dòng)態(tài)行為,都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
　　3)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題。在電力系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)(如系統(tǒng)故障等)時(shí),發(fā)電機(jī)之間發(fā)生相對(duì)搖擺,同時(shí)系統(tǒng)中某些負(fù)荷母線的電壓,會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的突然下降,而此時(shí)發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)搖擺,可能還未達(dá)到功角失穩(wěn)的程度。
　　
　　3 電壓穩(wěn)定控制的措施
　　
　　電壓穩(wěn)定控制,是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的重要組成部分。由于在很多實(shí)際的電壓失穩(wěn)事例中,完全沒(méi)有功角不穩(wěn)定即將來(lái)臨的跡象,因此,針對(duì)電壓失穩(wěn)的情況的電壓控制,非常有進(jìn)行探討的必要。電壓控制,是在電壓發(fā)生故障或者負(fù)荷連續(xù)快速增長(zhǎng)的情況下,電力系統(tǒng)進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)、處于電壓失穩(wěn)或者電壓崩潰的過(guò)程中,通過(guò)采取適當(dāng)?shù)拇胧?使電力系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài),或者暫時(shí)進(jìn)入恢復(fù)狀態(tài)的控制。
　　3.1保證電壓穩(wěn)定的兩種控制措施
　　通常保證電壓穩(wěn)定性,一般可以采取兩種控制措施:預(yù)防控制和緊急控制。根據(jù)約束條件是否滿足,電力系統(tǒng)運(yùn)行可分為正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急狀態(tài)、極端緊急狀態(tài)(電壓崩潰)和恢復(fù)狀態(tài)。
　　1)預(yù)防控制。在系統(tǒng)進(jìn)入電壓警戒狀態(tài)時(shí)進(jìn)行,主要通過(guò)在系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)定邊界時(shí),設(shè)定無(wú)功校正裝置的動(dòng)作整定值,以及校正現(xiàn)場(chǎng)控制器的可控變量,將系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)拉回到穩(wěn)定區(qū)域。