电力系统电压稳定性的技术探讨

【摘要】文中通过对电力系统电压稳定性技术的分析，指出电压崩溃的原因，并提出自己的看法。

【关键词】电力系统；电压稳定性；技术探讨

一、静态电压稳定的基本概念

简单地说，静态电压稳定研究的是电力系统运行方式的存在性和电源对负荷的输送能力。下面将通过单负荷无穷大系统的例子说明与电压稳定相关的概念，并给出静态电压失稳的机理解释。

1.简单电力系统的静态电压稳定性分析

由于电力系统的电压稳定性由负荷供给和负荷需求平衡决定，故作为承担功率传输任务的输电系统，其特性对电压稳定性有较大的影响。输电系统在电压稳定性研究中通常描述为潮流方程，其解的特性也就体现了输电系统的特性。考察如图1所示的单负荷无穷大系统。

图1 单负荷无穷大系统

忽略线路电阻时，系统的潮流方程式为

（1）

由上两式中消去变量，得

（2）

（3）

式（2）的等式条件描述了P—Q平面上的一条抛物线，如图l所示。抛物线内部的点满足不等式条件，潮流方程存在两个实数解；而外部的点不满足式（2），潮流方程无实数解。抛物线上，潮流方程只有一个实数解，对应于电压稳定临界点的集合。在给定功率因数角φ下，正值的P表示最大负荷，负荷的P表示最大发电。由于该抛物线相对于Q轴对称，故负荷所能吸收的最大负荷等于在该节点所能注入的最大功率，但这一性质在考虑线路电阻后不再成立。

由式（3）可知，最大无功负荷为短路容量E2/X的1/4，而功率因数为1.0条件下的有功输电极限负荷为短路容量的1/2；此外，开口向下的抛物线可行域也表明在负荷侧提供足够无功补偿的条件下，负荷端可吸收或发出任意多的有功功率；这说明了电网输送大量无功功率的困难。然而由于负荷节点电压存在上限约束，故实际上不可能在负荷节点注入无限多的无功功率，从而系统的打功功率传输也是有限的。

发电机是电力系统电比控制的重要手段。正常运行时，发电机将维持机端节点电压恒定。在系统电压降低时，发电机将增大励滋电流，提供更多的无功功率，但这可能导致发电机励磁电流或定子电流超过长期运行的极限。励磁电流受发电机过励保护的限制，保护动作后，励磁电流将被限制为最大允许电流，此时发电机只能维持同步电抗后的电势恒定，这等效于增加了负荷和恒压电源之间的电抗，恶化了系统电压崩溃的条件。发电机定子电流越限后，由运行人员手动改保护装置自动地降低发电机的无功或有功出力，以消除越限，这通常也对维持系统的电压稳定性不利。

2.静态电压失控的机理解释

静态电压失稳的机理解释把系统静态负载能力的极限作为电压稳定的临界状态，即电压崩溃点，所反映的是潮流解的可行性问题。从潮流多解性的角度来看，系统电压失稳前至少存在一对解，即高电压解和低电压解，它们对应于系统的两个平衡点。由小于干扰稳定性分析可知，其中一个为稳定的平衡点，另一个为不稳定的平衡点。

二、暂态电压稳定的基本概念

稳定性是动态系统的基本性质，因此，电压稳定性问题本质上是一个动态问题。下面将介绍暂态电压稳定性和长期电压稳定性的机理解释，并说明负荷特性的影响。

1.暂态电压稳定性和长期电压稳定性的时间框架

CLGRE工作组1993年提出如图3所示的电压稳定性的时间框架、明确了暂态电压稳定性和长期电压稳定性各自相关的现象，方便了数学模型的建立、机理的分析和控制策略的制定。暂态电压稳定性的时间框架大约从零秒至十几秒，与暂态功角稳定性的时间框架相同，涉及发电机、负荷、无功补偿、直流输电和继电保护等众多元件及其控制的快动态特性，其中感应电动机和直流换流器这类负载对暂态电压稳定性的影响最大，负荷侧的短路故障需特别重视。

负荷侧电压大幅度下降时，补偿电容器产生的无功功率将减小，而感应电动机的无功需求将增大，从而系统无功负载和输电电压损耗将增大，导致负荷侧电压进一步下降。如果保护或交流接触器不能及时切除电动机，则可能引起电动机连锁堵转，最终形成电压崩溃。

直流输电的逆变地处于短路容量的负荷区域时，逆变端需要吸收大量无功功率，通常这—无功功率中补偿电容提供，故逆变端电压的大幅下降可能会造成较大的无功功率不平衡、引发暂态电压失稳。此外，常用的恒功率/定熄弧角控制在ls内恢复逆变端的无功功率也可能导致暂态电压不稳定。

影响系统暂态电压稳定性的其他因素还包括故障后的电网结构、静态/动态无功补偿的配置及储备比例、故障后负荷节点与动态无功支撑点间的电气距离等。从稳定性理论的角度看，暂态电压失稳机理可归纳为3种：失去干扰后暂态稳定平衡点、系统不处于干扰后暂态稳定平衡点的吸引域、干扰后暂态电压振荡不稳定。长期电压失稳也可归入类似的3种；失去长期稳定平衡点、系统未处于长期稳定平衡点的吸引域中、缓慢增长的电压振荡失稳。此外，长期动态还可能引起暂态稳定平衡点消失或其吸引域收缩、诱发暂态电压振荡，从而导致暂态电压失火稳。这些解释较全面地给出了动态电压失稳的数学机理。

2.负荷特性的影响

负荷特性是影响电压稳定性的关键因素。在电压稳定性分析中，通常将110kv及以下的配电网等值为负材、其中包含了有载调压变压器、配电电压调节器以及小容量的发电机等，再考虑到负荷本身的多样性和时变性，故实际综合负荷的特性极为复杂。从负荷特性对电网的影响来看，恒阻抗负荷依附于电网，是被动的，不存在电压稳定性问题；而恒电流负荷不管节点电压的高低，从电网汲取恒定的电流，这对电网来说是—个强制因素，如果电网不能提供这一电流，就将导致电压失稳；从这个角度来说，恒功率负荷对网络的强制性更大，系统更容易发生电压失稳。这一概念可解释为感应电动机、温控负荷、有载调压变压器等因素对电压稳定性的影响最大。当然，堵转的感应电动机对系统电压稳定性的影响比其堵转前所具有的近似恒功率特性影响更大。

参考文献

[1]朱振青，杨晓广，周阁，晁晖.电力系统电压稳定性分析的实用算法[J].电网技术，1998（04）.

[2]林舜江，李欣然，刘杨华.电力系统电压稳定性及负荷对其影响研究现状[J].电力系统及其自动化学报，2008（01）.