電力系統電壓穩定機理研究論文

摘要：在學到理解電力系統電壓穩定概念的前提下，牢固掌握電壓穩定機理是研究電壓穩定的基礎環節。從失穩機理的角度來看，導致電力系統電壓失穩的原因包括：負荷的動態恢復特性，電力系統受端電壓支撐不足，電力系統送端的供電限制，以及綜合負荷因素。從以上四種角度定義的電壓穩定機理進行了綜合分析和評價，並歸納總結了各類定義方式的特點及優缺點。

關鍵詞：電力系統；電壓穩定；機理；負荷動態特性

在電力系統的研究領域當中，電壓穩定問題是一項十分重要的課題，因為它直接決定着電力系統能否正常運行⑴。研究電力系統電壓穩定主要有三個步驟：第一，明確理解電壓穩定機理；第二，根據電壓穩定機理來建立可以從本質上反映系統電壓崩潰的模型；第三，找到分析和控制電力系統電壓穩定性的手段與方法Ｗ。其中掌握電壓穩定機理是其餘兩個步驟的關鍵性基礎，因此本文就目前國內外對於電壓穩定機理的研究成果進行系統的歸納和總結，並指出其相應的優缺點。

１電壓穩定的定義

目前對於電壓穩定的定義，不同文獻資料中的研究成果不盡相同。但從總體上可以歸為兩類，大幹擾電壓穩定和靜態電壓穩定［３］。其中大幹擾電壓穩定還包括暫態電壓穩定，動態電壓穩定和中長期電壓穩定。這類問題主要反映在系統運行過程當中有大擾動介人時，系統不會發生電壓崩潰的能力。而靜態電壓穩定則指在電力系統運行過程中，小干擾事件發生並介人電力系統時，系統電壓水平能夠保持或者恢復到系統可接受的範圍極限內，不發生電壓崩潰的能力⑷。然而，以上定義電壓穩定的方法十分宏觀，對於具體定量的研究電力系統電壓穩定不利。因此本文引入電力系統電壓穩定的最新定義，電壓穩定是指：當負荷試圖通過增加電流來從系統中獲得更大的功率時，系統電壓的降低不足以抵消功率增大的趨勢，此時稱為電壓穩定狀態［５］。由此電壓穩定的概念得到了進一步的具體化，能更好的為反映電力系統電壓穩定本質而服務。

２電壓穩定機理的研究現狀

關於電力系統電壓穩定機理的學術研究成果中，影響電壓穩定的因素大體上可以分為四類：第一類，負荷的動態特性；第二類，電力系統受端的電壓支撐情況；第三類，電力系統送端的供電極限；第四類，綜合因素影響。本文將分別就以上四類影響電壓穩定的因素進行歸納總結並加以拓展。

２．１負荷的恢復特性對電壓穩定性的影響

負荷動態特性對於電壓穩定的影響，目前的學術成果可分為兩類：一類觀點認為，系統在發生故障時，負荷為了維持它自身的有功功率平衡，會試圖改變其自身對外的等效電納以此來進行功率調節，從而影響了電力系統電壓的穩定性［６］，然而這種調節自身導納的方式會因為具體元件的特性而有一定差異。例如，異步電動機常常利用電磁功率的輸入與機械功率的輸出來進行導納調節，配電系統中的ＯＬＴＣ（ＯｎＬｏａｄＴａｐＣｈａｎｇｅｒ有載分接開關）則會在維持其副邊電壓恆定的前提下，通過自動調節變比來實現導納的調節。含電力電子元件的負荷，調節自身導納的情況則更為複雜［６’７］。總體上來看，當元件的有功功率平衡被打破以後，若負荷輸出的其他形式功率多於輸人的電磁功率，那麼負荷就會根據自身特點自動選擇恰當手段來減小其等效阻抗，從而獲得自身所需要的功率［８］。但是隨着元件恢復功率過程中電流的增加，負荷元件的漏抗上會消耗更多的無功功率，這一部分的無功消耗，可以加劇整個系統的無功欠缺［９］。無功功率不足，使得系統電壓持續下降，進而產生電壓失穩的現象［１°］。這種觀點在用於定量研究負荷特性對電壓穩定的影響時意義重大，但理論不夠成熟，有待進一步完善。另一類觀點認為，電壓失穩與系統所帶負荷的性質密切相關［１１］。例如，系統所帶負荷為恆阻抗靜態負荷時，假定其功率因數為ｃｏｓｐ，阻抗為＆＝札＋）＆，那麼負荷消耗的有功功率如式（１）所示：由ＰＬ的單調性可知，當滿足｜Ｚ，｜＝丨＆｜時，在恆定功率因數的負荷模型下，負荷有功功率最大，由於電壓降低時恆阻抗負荷功率會下降，有利於電壓穩定［１２］，那麼當系統的功率和電壓水平均低於期望值時，系統電壓會保持穩定［１３］。當系統所帶的負荷為恆功率負荷模型時，一旦負荷端電壓降低，負荷為了保持恆定功率，必然會導致負荷電流的增加，由於輸電線路上阻抗的存在，使得輸電線路的壓降進一步增大，從而造成了更低的負荷端電壓［１４］。這也形成了一個電壓下降的正反饋機制，最終必然會導致電壓崩潰［１５］。這種觀點在計算和理論發展上，都比較成熟。但是，在實際電力系統當中，特別是系統受到擾動的過程當中，實際的負荷很難以恆定功率或恆定功率因數運行［１６］，因此將該理論算法應用於計算實際電力系統運行狀態時會存在一定誤差。

２．２電力系統受端電壓支撐情況對電壓穩定的影響

重負荷的電力系統本身就具備很多薄弱環節，一方面，受端的發電機一直處於過載狀態，發電機勵磁系統過載，如果這時出現了大幹擾事件，負荷為了恢復其有功功率的平衡，試圖調節自身電流獲得更大的功率［１７］。但是發電機勵磁繞組本身的熱容量存在一定限值。過勵磁限制器會將勵磁電流強制減少到額定值，使得負荷的有功功率無法平衡［１８］，同時網絡中的無功功率大量缺失。這種情況下受端發電機無法提供足夠的無功功率來支持系統的正常運行，最終導致電壓失穩甚至電壓崩潰…］。另一方面由於電力系統的無功功率的大小隨着電壓的平方而發生變化，如果系統電壓下降，則無功功率會以更快的速度減少，因此ＨＶＤＣ、ＳＶＣ以及大量安裝並聯電容器也是造成暫態電壓失穩的重要原因。

２．３電力系統送端供電極限對電壓穩定的影響

由於受到線路阻抗、輸電距離、電壓等級的制定以及送端發電機勵磁繞組的熱容量限制等一系列因素的影響，送端並不能毫無限制的向受端供電，並且送端對全網電壓的調節能力有限，因此在研究電力系統電壓穩定特性時，常常將電壓崩潰的臨界點作為衡量電網輸送能力的指標［２°］。動態負荷有功功率的恢復特性，即在電壓下降以後，各類負荷的有功功率和無功功率都會以或快或慢的速度恢復到一定水平，其中發電機、調相機側勵磁系統、負荷側同步電動機、電動機靜止無功補償器都屬於反應快速的元件，他們在暫態電壓失穩中，起到的作用十分巨大。因此為了提高在工程實踐中對於電壓穩定性評估的精確程度，常常使用瞬時有功功率隨暫態電壓變化的關係曲線來研究電壓穩定性問題［Ｍ］。系統向負荷提供的功率隨着電流的增加而增加時，系統負荷元件可以保持自身功率平衡，系統電壓處於穩定狀態，反之系統電壓不穩定。

２．４綜合因素對電壓穩定的影響

從單一類因素去考慮電力系統電壓穩定性的研究大多數意義明確，但是由於考慮因素不夠全面，因此這種理論成果與工程實際情況差距比較大，所以從以上三類因素的綜合作用來解釋電壓穩定的機理會更加完善。當有干擾事件介人電力系統後，發電機勵磁系統會啟動強勵磁作用，系統無功缺失，電壓下降，負荷對於功率的需求也相應的減少［２１］。此時系統能在短時間內保持電壓穩定，但是在系統負荷的中心電壓會維持在較高的水平，若負荷中心電壓降低，則該現象會迅速反映到配電系統中，那麼在２－４分鐘內ＯＬＴＣ會起到連續調節的作用，使負荷的`功率和電壓恢復到故障前水平，同時使ＯＬＴＣ原方電壓下降，並且ＯＬＴＣ每次的分接頭調整都會導致超高壓線路負荷的增加［２２］。由此可得，發電機需要強制增大無功功率的輸出來滿足系統電流的上升趨勢。但這種無功功率的輸出不會是沒有限制的，一旦造成發電機無功功率越限的連鎖反應，就會使得系統的電壓急劇下降，這個過程最終必然會導致發電機組失步，最後對受電系統停電［Ｍ］。雖然從綜合因素角度來分析電力系統電壓穩定機理比較全面，但是影響電壓穩定的因素實質上是多種因素的有機疊加，該方法只停留在理性階段，在工程實踐的應用中，很難形成準確的判據。

３結論

研究人員從不同的角度來研究了電壓穩定機理，這些理論研究取得了很多成果，但是也確實存在着亟待解決的問題，本文對迄今的研究成果進行了系統的總結。隨着新的電壓穩定理論模型以及研究方法的引人，人們對電壓穩定機理的認識將走向成熟。電壓穩定問題在電力系統的研究領域當中雖然是一個基礎性的課題，電力系統的結構也千差萬別，進而一系列綜合因素的有機疊加必將造成電力系統電壓的失穩。在做到考慮全面的前提下，還應當注重數學工具的恰當引入，使得完善的理論可以有效的與實際結合。

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