電力電壓穩(wěn)定性機理性

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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和電力部門過早地采用了甩負荷這一最后的措施，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，甩負荷這一措施的使用將會受到限制。研究認為，電壓崩潰日趨嚴重的主要原因有以下幾點：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(shè)備使用的強度日益接近其極限值；二是并聯(lián)電容無功補償大量增加，因而當(dāng)電壓下降時，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)運行的前提是必須存在一個平衡點。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，直觀的講也就是負荷母線上的節(jié)點功率平衡問題。當(dāng)節(jié)點提供的無功功率與負荷消耗的無功功率之間能夠達成此種平衡，且平衡點具有抑制擾動而維持負荷母線電壓的能力，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)有擾動發(fā)生的時候，會造成節(jié)點功率的不平衡，任何一個節(jié)點的功率不平衡將導(dǎo)致節(jié)點電壓的相位和幅值發(fā)生改變。各節(jié)點電壓和相位運動的結(jié)果若是能穩(wěn)定在一個系統(tǒng)可以接受的新的狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，若節(jié)點的電壓和相角在擾動過后無法控制的發(fā)生不斷的改變，則系統(tǒng)進入失穩(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)進入電壓失穩(wěn)狀態(tài)。無論是來自動態(tài)元件的擾動還是來自網(wǎng)絡(luò)部分的擾動，所破壞的平衡均歸結(jié)為動態(tài)元件的物理平衡。電力系統(tǒng)的動力學(xué)行為僅受其動態(tài)元件的動力學(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)定運行的方法等都是有利的。

　　1.按擾動的規(guī)模來講電壓穩(wěn)定問題可以分為小擾動電壓穩(wěn)定性，大擾動電壓穩(wěn)定性。一是小擾動電壓穩(wěn)定性是在如系統(tǒng)負荷逐漸增長，送到負荷節(jié)點的功率的微小變化之下系統(tǒng)控制電壓的能力。小擾動下系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行意味著系統(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)有能力在小擾動后令人滿意地運行，保證系統(tǒng)發(fā)出的無功等于消耗的無功，在出現(xiàn)最大負荷時能成功地供電。這種形式的穩(wěn)定性由負荷特性、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)對小擾動的響應(yīng)特性取決于初始運行條件、輸電系統(tǒng)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(diào)節(jié)能力，使擾動前后的電壓值相同或者相近。二是大擾動電壓穩(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。這些擾動包括輸電線上短路、失去一臺大發(fā)電機或負荷，或者失去兩個子系統(tǒng)間的輸電線。系統(tǒng)對大擾動的響應(yīng)涉及大量的設(shè)備。此外，用來保護單個元件的裝置對系統(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)定破壞的時間框架從0～大約10秒，這也是暫態(tài)功角穩(wěn)定性的時間框架。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)象同時存在。這類電壓崩潰是由諸如感應(yīng)電動機，和直流換流設(shè)備等不良的快速反應(yīng)負荷元件造成的。對于嚴重的電壓下降感應(yīng)電動機可能失速，吸收無功功率急劇增加，進而將引起其臨近的其它感應(yīng)電動機失速。除非盡快切除該類負荷，否則會導(dǎo)致電壓崩潰。

　　二是中期電壓穩(wěn)定性，穩(wěn)定破壞的時間框架通常為30秒到50秒，典型者為2到3分。發(fā)生此類電壓失穩(wěn)事故時電力系統(tǒng)一般處于高負荷水平，且從遠方電源送入大量功率，當(dāng)重載條件下運行的系統(tǒng)受到突然的大擾動后，由于電壓敏感性負荷的作用，系統(tǒng)能夠暫時保持穩(wěn)定。但擾動后網(wǎng)絡(luò)無功損耗大量增加，引起負荷區(qū)域電壓下降，當(dāng)自動調(diào)節(jié)分接頭的變壓器和配電電壓調(diào)節(jié)器動作，而恢復(fù)末端變壓器負荷側(cè)電壓，從而恢復(fù)負荷功率時，網(wǎng)絡(luò)傳輸電流進一步增大加劇輸電網(wǎng)絡(luò)中電壓的下降。同時送端發(fā)電機可能因過勵磁限制而只發(fā)送有功，甚至由于發(fā)電機長時間過電流而被切除。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，以支持負荷消耗與網(wǎng)絡(luò)無功損耗的需要，就會最終導(dǎo)致電壓崩潰對于這類電壓崩潰事故，運行人員來不及干預(yù)，自動調(diào)節(jié)分接頭的變壓器及配電電壓調(diào)節(jié)器，發(fā)電機過勵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程，與負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)歷一個相當(dāng)長的時間，其過程可大致描述如下：負荷過速增長，導(dǎo)致主要負荷母線電壓單調(diào)下降。幾分鐘內(nèi)由于自動調(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，一方面自動調(diào)節(jié)分接頭的變壓器使網(wǎng)上負荷得到恢復(fù)，另一方面負荷繼續(xù)快速增加，電源的增加或當(dāng)?shù)責(zé)o功補償增加，跟不上負荷增長速度的需要，電壓下降進一步惡化，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。其原因是本來已經(jīng)薄弱的嚴重過載的結(jié)構(gòu)，不合理的網(wǎng)絡(luò)中的負荷恢復(fù)和快速增長造成的。

　　三、小擾動電壓穩(wěn)定性的機理分析

　　電力系統(tǒng)在給定的穩(wěn)態(tài)運行點遭受任意小的擾動后，如果負荷節(jié)點的電壓與擾動前的電壓值相同或者相近，則稱系統(tǒng)在給定運行點為小干擾電壓穩(wěn)定，此時系統(tǒng)擾動后的狀態(tài)位于系統(tǒng)擾動后的吸引域內(nèi)。從負荷節(jié)點可將系統(tǒng)分為兩部分，一部分可以看為電源系統(tǒng)，則另一部分看為負荷。小擾動電壓穩(wěn)定性的前提是擾動后的系統(tǒng)電源的無功—電壓靜態(tài)特性和負荷的無功—電壓靜態(tài)特性必須有交點，并且在該點具有維持電壓不變或有微小變化的能力。

　　四、大擾動電壓穩(wěn)定性的機理分析

　　小擾動電壓穩(wěn)定性是系統(tǒng)在受到擾動后是否存在平衡點的問題，對于大擾動電壓穩(wěn)定性而言，擾動后的系統(tǒng)存在平衡點是其必要條件，但不是充分條件，系統(tǒng)是否能夠恢復(fù)到平衡點，還依賴于系統(tǒng)中各元件無功功率的變化速度。當(dāng)電源自動調(diào)節(jié)的速率愈快時，對大干擾的穩(wěn)定性愈有利。在穩(wěn)定性的評價中所關(guān)心的問題是電力系統(tǒng)遭受暫態(tài)擾動后的行為。電力系統(tǒng)在給定的穩(wěn)態(tài)運行點遭受一定的擾動后，如果故障后平衡點超出系統(tǒng)運行限制范圍，系統(tǒng)沒有能力保持在一個靜態(tài)穩(wěn)定的運行點，也就是擾動后由于負荷QL增長，QL—U向上移動，或電源QG下降QG—U向下移動，使QL—U完全在QG—U上方，兩者無交點，表示在任意電壓下均有負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、過程和時間范圍對大擾動電壓穩(wěn)定問題的研究至關(guān)重要。