電力電壓穩(wěn)定性機(jī)理性

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　隨著電力事業(yè)發(fā)展迅速，電網(wǎng)內(nèi)部也存在著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(shù)有載調(diào)壓器分接頭未投入自動(dòng)和電力部門過早地采用了甩負(fù)荷這一最后的措施，因而電壓穩(wěn)定問題似乎顯得不那么突出。隨著電力市場化，人們對電能質(zhì)量要求提高，甩負(fù)荷這一措施的使用將會(huì)受到限制。研究認(rèn)為，電壓崩潰日趨嚴(yán)重的主要原因有以下幾點(diǎn)：一是由于經(jīng)濟(jì)上及其它方面（如環(huán)保）的考慮，發(fā)、輸電設(shè)備使用的強(qiáng)度日益接近其極限值；二是并聯(lián)電容無功補(bǔ)償大量增加，因而當(dāng)電壓下降時(shí)，向電網(wǎng)提供的無功功率按電壓平方下降；三是線路或設(shè)備的投切，引起電壓失穩(wěn)的可能性往往比功角穩(wěn)定研究中所考慮的三相短路情況要大得多，然而人們長期以來只注意功角穩(wěn)定的研究。

　　一、電壓穩(wěn)定性破壞的原因

　　電壓崩潰的起因。電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題的物理本質(zhì)是系統(tǒng)中功率平衡問題，電力系統(tǒng)運(yùn)行的前提是必須存在一個(gè)平衡點(diǎn)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，直觀的講也就是負(fù)荷母線上的節(jié)點(diǎn)功率平衡問題。當(dāng)節(jié)點(diǎn)提供的無功功率與負(fù)荷消耗的無功功率之間能夠達(dá)成此種平衡，且平衡點(diǎn)具有抑制擾動(dòng)而維持負(fù)荷母線電壓的能力，電力系統(tǒng)即是電壓穩(wěn)定的，反之倘若系統(tǒng)無法維持這種平衡，就會(huì)引起系統(tǒng)電壓的不斷下降，并最終導(dǎo)致電壓崩潰。當(dāng)有擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)候，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)功率的不平衡，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率不平衡將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓的相位和幅值發(fā)生改變。各節(jié)點(diǎn)電壓和相位運(yùn)動(dòng)的結(jié)果若是能穩(wěn)定在一個(gè)系統(tǒng)可以接受的新的狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，若節(jié)點(diǎn)的電壓和相角在擾動(dòng)過后無法控制的發(fā)生不斷的改變，則系統(tǒng)進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定和系統(tǒng)的無功功率平衡有關(guān)，電壓崩潰的根本原因是由于無功缺額造成的，擾動(dòng)發(fā)生后，系統(tǒng)電壓無法控制的持續(xù)下降，電力系統(tǒng)進(jìn)入電壓失穩(wěn)狀態(tài)。無論是來自動(dòng)態(tài)元件的擾動(dòng)還是來自網(wǎng)絡(luò)部分的擾動(dòng)，所破壞的平衡均歸結(jié)為動(dòng)態(tài)元件的物理平衡。電力系統(tǒng)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。

　　二、電壓穩(wěn)定性的分類

　　將電壓穩(wěn)定性問題適當(dāng)分類，對電壓穩(wěn)定性的分析，造成不穩(wěn)定基本因素的識別，以及提出改善穩(wěn)定運(yùn)行的方法等都是有利的。

　　1.按擾動(dòng)的規(guī)模來講電壓穩(wěn)定問題可以分為小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性，大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性。一是小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性是在如系統(tǒng)負(fù)荷逐漸增長，送到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的功率的微小變化之下系統(tǒng)控制電壓的能力。小擾動(dòng)下系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行意味著系統(tǒng)本身能夠不斷調(diào)整以適應(yīng)變化的情況，系統(tǒng)控制系統(tǒng)有能力在小擾動(dòng)后令人滿意地運(yùn)行，保證系統(tǒng)發(fā)出的無功等于消耗的無功，在出現(xiàn)最大負(fù)荷時(shí)能成功地供電。這種形式的穩(wěn)定性由負(fù)荷特性、連續(xù)作用的控制及給定瞬間的離散控制作用所確定。系統(tǒng)對小擾動(dòng)的響應(yīng)特性取決于初始運(yùn)行條件、輸電系統(tǒng)強(qiáng)度以及所用的發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制等因素。依靠負(fù)荷和電源自身固有的調(diào)節(jié)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(wěn)定性是關(guān)于在發(fā)生諸如系統(tǒng)故障后，系統(tǒng)控制電壓的能力。這些擾動(dòng)包括輸電線上短路、失去一臺大發(fā)電機(jī)或負(fù)荷，或者失去兩個(gè)子系統(tǒng)間的輸電線。系統(tǒng)對大擾動(dòng)的響應(yīng)涉及大量的設(shè)備。此外，用來保護(hù)單個(gè)元件的裝置對系統(tǒng)變量變化的響應(yīng)也影響系統(tǒng)的特性。

　　2.按照失穩(wěn)事故的時(shí)間場景電壓穩(wěn)定問題可以分為：

　　一是暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，穩(wěn)定破壞的時(shí)間框架從0～大約10秒，這也是暫態(tài)功角穩(wěn)定性的時(shí)間框架。在這類電壓不穩(wěn)定中，電壓失穩(wěn)和功角失穩(wěn)之間的區(qū)別并不總是清晰的，也許兩種現(xiàn)象同時(shí)存在。這類電壓崩潰是由諸如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，和直流換流設(shè)備等不良的快速反應(yīng)負(fù)荷元件造成的。對于嚴(yán)重的電壓下降感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可能失速，吸收無功功率急劇增加，進(jìn)而將引起其臨近的其它感應(yīng)電動(dòng)機(jī)失速。除非盡快切除該類負(fù)荷，否則會(huì)導(dǎo)致電壓崩潰。

　　二是中期電壓穩(wěn)定性，穩(wěn)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)生此類電壓失穩(wěn)事故時(shí)電力系統(tǒng)一般處于高負(fù)荷水平，且從遠(yuǎn)方電源送入大量功率，當(dāng)重載條件下運(yùn)行的系統(tǒng)受到突然的大擾動(dòng)后，由于電壓敏感性負(fù)荷的作用，系統(tǒng)能夠暫時(shí)保持穩(wěn)定。但擾動(dòng)后網(wǎng)絡(luò)無功損耗大量增加，引起負(fù)荷區(qū)域電壓下降，當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)分接頭的變壓器和配電電壓調(diào)節(jié)器動(dòng)作，而恢復(fù)末端變壓器負(fù)荷側(cè)電壓，從而恢復(fù)負(fù)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(jī)可能因過勵(lì)磁限制而只發(fā)送有功，甚至由于發(fā)電機(jī)長時(shí)間過電流而被切除。這樣含電源在內(nèi)的輸電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不可能提供足夠的無功功率，以支持負(fù)荷消耗與網(wǎng)絡(luò)無功損耗的需要，就會(huì)最終導(dǎo)致電壓崩潰對于這類電壓崩潰事故，運(yùn)行人員來不及干預(yù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)分接頭的變壓器及配電電壓調(diào)節(jié)器，發(fā)電機(jī)過勵(lì)限制等因素在此過程中起重要作用。應(yīng)當(dāng)指出的是，在這一過程中自動(dòng)調(diào)節(jié)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(fù)荷特性分接頭位置及系統(tǒng)無功儲備有關(guān)。

　　三是長期電壓不穩(wěn)定性，這種場景的電壓崩潰發(fā)展過程經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間，其過程可大致描述如下：負(fù)荷過速增長，導(dǎo)致主要負(fù)荷母線電壓單調(diào)下降。幾分鐘內(nèi)由于自動(dòng)調(diào)節(jié)分接頭的變壓器及調(diào)度干預(yù)等作用，電壓的下降得到遏止后，一方面自動(dòng)調(diào)節(jié)分接頭的變壓器使網(wǎng)上負(fù)荷得到恢復(fù)，另一方面負(fù)荷繼續(xù)快速增加，電源的增加或當(dāng)?shù)責(zé)o功補(bǔ)償增加，跟不上負(fù)荷增長速度的需要，電壓下降進(jìn)一步惡化，最終導(dǎo)致部分地區(qū)電壓崩潰，系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。在長期電壓不穩(wěn)定事故中，往往沒有直接的擾動(dòng)。其原因是本來已經(jīng)薄弱的嚴(yán)重過載的結(jié)構(gòu)，不合理的網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷恢復(fù)和快速增長造成的。

　　三、小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性的機(jī)理分析

　　電力系統(tǒng)在給定的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)遭受任意小的擾動(dòng)后，如果負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓與擾動(dòng)前的電壓值相同或者相近，則稱系統(tǒng)在給定運(yùn)行點(diǎn)為小干擾電壓穩(wěn)定，此時(shí)系統(tǒng)擾動(dòng)后的狀態(tài)位于系統(tǒng)擾動(dòng)后的吸引域內(nèi)。從負(fù)荷節(jié)點(diǎn)可將系統(tǒng)分為兩部分，一部分可以看為電源系統(tǒng)，則另一部分看為負(fù)荷。小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性的前提是擾動(dòng)后的系統(tǒng)電源的無功—電壓靜態(tài)特性和負(fù)荷的無功—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。

　　四、大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性的機(jī)理分析

　　小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性是系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后是否存在平衡點(diǎn)的問題，對于大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性而言，擾動(dòng)后的系統(tǒng)存在平衡點(diǎn)是其必要條件，但不是充分條件，系統(tǒng)是否能夠恢復(fù)到平衡點(diǎn)，還依賴于系統(tǒng)中各元件無功功率的變化速度。當(dāng)電源自動(dòng)調(diào)節(jié)的速率愈快時(shí)，對大干擾的穩(wěn)定性愈有利。在穩(wěn)定性的評價(jià)中所關(guān)心的問題是電力系統(tǒng)遭受暫態(tài)擾動(dòng)后的行為。電力系統(tǒng)在給定的穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(tǒng)運(yùn)行限制范圍，系統(tǒng)沒有能力保持在一個(gè)靜態(tài)穩(wěn)定的運(yùn)行點(diǎn)，也就是擾動(dòng)后由于負(fù)荷QL增長，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，兩者無交點(diǎn)，表示在任意電壓下均有負(fù)荷吸收的無功大于電源發(fā)出的無功。系統(tǒng)失去發(fā)電機(jī)或回路的事故之后控制電壓的能力，因此電壓崩潰，電壓穩(wěn)定性破壞。大擾動(dòng)的電壓穩(wěn)定性涉及系統(tǒng)中的大量設(shè)備，但在任何給定條件下，只有有限數(shù)量設(shè)備的響應(yīng)是至關(guān)重要的。為確定穩(wěn)定性所必須考慮的裝置、過程和時(shí)間范圍對大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定問題的研究至關(guān)重要。