負(fù)荷特性對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性影響的研究

申云朝, 鄧濤, 雷亞蘭, 李建東, 方艷斌

(云南電網(wǎng)公司玉溪供電局，云南玉溪，653100)

1 負(fù)荷特性對電壓穩(wěn)定性影響的研究綜述

對電力網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定性的研究，人們先后經(jīng)歷了從不太重視電壓穩(wěn)定性問題對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響到開始著手對電壓穩(wěn)定性進(jìn)行靜態(tài)機(jī)理的探討，最后再到對電壓穩(wěn)定性開展全方位的動(dòng)態(tài)機(jī)理探討三個(gè)不同的階段。目前隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷推進(jìn)及電力網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展，電壓穩(wěn)定性問題被人們提升到了前所未有的關(guān)注高度。人們對影響電壓穩(wěn)定性的諸多因素進(jìn)行研究分析后，普遍都認(rèn)為負(fù)荷特性是影響電壓穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，并且負(fù)荷特性對電壓穩(wěn)定性造成的影響通常通過負(fù)荷的失穩(wěn)特性及功率恢復(fù)特性來表現(xiàn)。

綜合負(fù)荷的負(fù)荷特性是由負(fù)荷模型的類型及參數(shù)共同決定的，因此負(fù)荷模型的類型選擇及參數(shù)設(shè)置會(huì)對電力網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定性分析的最終結(jié)論產(chǎn)生很大的影響。然而，負(fù)荷建模工作受電力網(wǎng)絡(luò)綜合負(fù)荷的相關(guān)特性影響較大，因此不管采取哪種方法來對實(shí)際的電力網(wǎng)絡(luò)開展建模工作，最終得到的負(fù)荷模型都難以做到毫無偏差的對電力網(wǎng)絡(luò)中的綜合負(fù)荷特性加以表現(xiàn)。正因如此，負(fù)荷模型的準(zhǔn)確度已經(jīng)成為阻礙電力網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定性問題開展深層次研究的短板。加之人們在對電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究時(shí)的側(cè)重點(diǎn)及認(rèn)知角度不同，因此迄今為止工程界及電力界都難以給出一個(gè)能被大家普遍接受的電壓穩(wěn)定性定義及研究方法。

2 負(fù)荷模型

2.1 三相RL并聯(lián)負(fù)荷及三相動(dòng)態(tài)負(fù)荷

三相RL并聯(lián)負(fù)荷模型屬于靜態(tài)負(fù)荷模型，它用于對電力網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)的三相平衡RL負(fù)荷進(jìn)行模擬[1]。在電力網(wǎng)絡(luò)頻率確定的情況下，它的負(fù)荷阻抗是一個(gè)定值并且它從網(wǎng)絡(luò)中吸取的有功功率和無功功率的大小與電壓的平方成正比。

式中V0為網(wǎng)絡(luò)的初始正序電壓；P0、 Q0為與V0對應(yīng)的有功功率和無功功率；V為正序電壓；Tp1、 Tp2為控制有功功率的時(shí)間常數(shù)；Tq1、 Tq2為控制無功功率的時(shí)間常數(shù)；np、 nq為控制負(fù)荷特性的指數(shù)，其值一般在1到3之間，若表示恒電流負(fù)荷則它們的值均為1，若表示恒阻抗負(fù)荷，則它們的值均為2。

2.2 異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷

異步電動(dòng)機(jī)模塊的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程滿足如下的公式：

式中Tm為加在電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；θm為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角位移；ωm為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度；H為機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)；F為考慮d、q繞組在動(dòng)態(tài)過程中的阻尼作用以及轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械阻尼后的定常阻尼系數(shù)。

3 實(shí)例仿真分析

3.1 仿真實(shí)例的模型

該仿真模型主要由發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁、調(diào)速系統(tǒng)，負(fù)荷，輸電線路，三相雙繞組變壓器及各節(jié)點(diǎn)的電壓和功率測量模塊組成[2]，仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型圖

3.2 視在功率相同時(shí)仿真實(shí)例及分析

3.2.1 穩(wěn)態(tài)時(shí)

3.2.2 單相接地短路時(shí)

以負(fù)載1所在的B4負(fù)荷母線為故障點(diǎn)，使系統(tǒng)在RL并聯(lián)負(fù)載及動(dòng)態(tài)負(fù)載下在5秒到5.2秒之間發(fā)生A相單相接地故障，在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載下，為了保證系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的功率波動(dòng)已經(jīng)停止，將故障時(shí)間設(shè)置為25秒到25.2秒之間。

3.3 單相接地時(shí)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷大小改變后仿真實(shí)例及分析

故障參數(shù)的設(shè)置同單相接地故障時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的視在功率由134.629120MVA增大到200MVA時(shí)的波形如圖8所示，將圖7和圖8對比分析可以看出當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大后，在它的啟動(dòng)過程中會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中各母線的電壓下降得更多，故障時(shí)，各母線的電壓波動(dòng)同樣也是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)所在的母線電壓下降最為明顯。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大需要從電網(wǎng)中吸收更多的無功功率來支撐電壓，導(dǎo)致各母線的電壓都發(fā)生了降低，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地短路時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)所在的負(fù)荷母線電壓就會(huì)比負(fù)荷增大之前的還要低，此外，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)持續(xù)時(shí)間更長，這是極不利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定的。

圖2 RL并聯(lián)負(fù)載

圖3 三相動(dòng)態(tài)負(fù)載

圖4 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載

圖6 三相動(dòng)態(tài)負(fù)載

圖7 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載

圖8 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載增大后

3.4 電壓失穩(wěn)時(shí)接入并聯(lián)電容器的仿真實(shí)例分析

將圖7和圖9進(jìn)行對比分析，可以看到當(dāng)單相接地故障的參數(shù)設(shè)置相同且感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的視在功率相同時(shí)，當(dāng)未接入并聯(lián)電容器時(shí)，在單相短路接地故障下，接入感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的B4母線的電壓降落到了0.35pu-0.45pu之間，但是在同樣的狀態(tài)下，當(dāng)在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)所接的B4母線上接入一個(gè)450Mvar的電容器后，B4母線的電壓降落就提升到了0.45pu-0.58pu的水平，也就是說并聯(lián)電容器的接入使得距離感應(yīng)電動(dòng)機(jī)接入點(diǎn)較近的母線電壓得到了極大的改善[3]。通過比較我們還可以發(fā)現(xiàn)其它距離并聯(lián)電容器安裝點(diǎn)較遠(yuǎn)的母線電壓穩(wěn)定性也得到了一定的改善，但是改善效果沒有距離并聯(lián)電容器較近的母線明顯。由上述的分析可知，在電力網(wǎng)絡(luò)中有大量感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的母線上并聯(lián)電容器是改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的有效措施。

圖9 單相接地故障時(shí)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載下接入并聯(lián)電容器

4 結(jié)論

通過對每種情況下的仿真波形進(jìn)行對比分析我們可以得知：負(fù)荷模型不同及負(fù)荷大小不同都會(huì)對電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響；電力系統(tǒng)中的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性影響最大，且離遭受擾動(dòng)的點(diǎn)越近，母線的電壓穩(wěn)定性越差；并聯(lián)電容器是改善電壓穩(wěn)定性切實(shí)可行的措施。