淺析負荷動態(tài)特性與電壓穩(wěn)定性的關(guān)系*

廖青華，張 銳

（河南機電高等?？茖W(xué)校電氣工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

隨著以高參數(shù)、大機組、高電壓、遠距離為特征的大電力系統(tǒng)的出現(xiàn)，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行方式變得越來越復(fù)雜，國內(nèi)外發(fā)生的多次電力系統(tǒng)事故都是由于電壓失穩(wěn)造成的。電壓穩(wěn)定問題，關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行。電壓失穩(wěn)事故的屢屢發(fā)生，推動了電壓穩(wěn)定問題的研究。與電壓穩(wěn)定關(guān)系密切的諸多因素中，負荷特性是最關(guān)鍵、最直接的因素，研究電壓穩(wěn)定這一特定的動態(tài)現(xiàn)象時，需要考慮負荷的動態(tài)特性，采用合適的負荷模型。

在早期的研究中，文獻［1］從電壓穩(wěn)定機理的角度研究了負荷特性對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，推導(dǎo)出了考慮負荷特性影響的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性廣義實用判據(jù);文獻［2］通過采用冪函數(shù)模型，研究了負荷模型與電壓穩(wěn)定性的關(guān)系;文獻［3］采用多種不同的靜態(tài)模型，研究了負荷特性對電壓穩(wěn)定性的影響。本文對電壓穩(wěn)定性的相關(guān)方面進行了總結(jié)，并進一步分析負荷動態(tài)特性與電壓穩(wěn)定之間的關(guān)系。

1 關(guān)于電壓穩(wěn)定性

1.1 電壓穩(wěn)定性的定義

對于電壓穩(wěn)定性雖然研究了很多年，但至今學(xué)術(shù)界對它還沒有公認的嚴格定義。美國電機電子工程學(xué)會(IEEE)將電壓穩(wěn)定性定義為系統(tǒng)維持電壓的能力，它使得負荷導(dǎo)納增加時，負荷功率也增加，即功率和電壓都是可控的。電壓崩潰是電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致系統(tǒng)相當一部分電壓很低的過程。一個系統(tǒng)進入電壓不穩(wěn)定狀態(tài)，是指當擾動、負荷增加或系統(tǒng)變化時引起電壓快速下降或向下偏移而運行人員和自動控制系統(tǒng)都不能停止這種衰變的過程，電壓失穩(wěn)的過程可能持續(xù)幾秒鐘，也可能需要數(shù)十分鐘甚至更長時間。電壓失穩(wěn)與電壓崩潰這兩個術(shù)語可以交換使用［4］。

1.2 電壓失穩(wěn)的機理解釋

電壓穩(wěn)定最初被認為是一個靜態(tài)問題，因此對電壓失穩(wěn)的機理也是從靜態(tài)的觀點來加以解釋的。如前蘇聯(lián)的馬爾柯維奇在單負荷—無窮大系統(tǒng)上提出第一個靜態(tài)電壓穩(wěn)定判據(jù)，即dQ/dU判據(jù)。靜態(tài)分析方法因難以完整計及系統(tǒng)動態(tài)元件的影響而無法深入研究電壓失穩(wěn)的機理及其演變過程。

隨著對電壓穩(wěn)定研究的發(fā)展，考慮發(fā)電機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)作用、負荷以及其他動態(tài)元件影響的動態(tài)失穩(wěn)機理也應(yīng)運而生。由于電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性動力系統(tǒng)，電壓失穩(wěn)的動態(tài)過程是很復(fù)雜的。

對于電壓失穩(wěn)的動態(tài)機理，國內(nèi)外許多學(xué)者從不同的角度作出了解釋，更多的學(xué)者從負荷穩(wěn)定的角度研究系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，文獻［5］根據(jù)異步電動機等效導(dǎo)納不能突變的性質(zhì)，認為電壓失穩(wěn)可以歸結(jié)為負荷為維持有功功率平衡而自動調(diào)節(jié)其導(dǎo)納的特性和網(wǎng)絡(luò)輸送能力的有限性共同作用的結(jié)果。但實際上，如果系統(tǒng)中存在無功功率不平衡，系統(tǒng)也會導(dǎo)致電壓失穩(wěn)。負荷動態(tài)特性在電壓穩(wěn)定問題中發(fā)揮著重要作用。

2 負荷動態(tài)特性與電壓穩(wěn)定的關(guān)系

2.1 負荷特性

單一負荷特性即負荷的電壓頻率特性是一個以函數(shù)形式給出的表達式，其自變量是電壓U、頻率f以及另外一個獨立變量z(稱為負荷需求)，負荷消耗的有功P和無功Q可以用負荷特性的一般形式給出，即

由于頻率的偏移不是電壓穩(wěn)定問題的主要因素，在討論中，除特別需要，一般忽略頻率對負荷特性的影響。廣泛使用的負荷特性有指數(shù)型負荷，其一般形式為

上式中無量綱z代表負荷需求，U0是參考電壓，指數(shù)α和β的值取決于負荷的類型。在電壓下降到臨界值以下時，許多負荷可能已經(jīng)被切除，或者它們的特性已經(jīng)完全改變了，指數(shù)負荷模型就不適用了。

2.2 負荷動態(tài)特性對電壓穩(wěn)定的影響

由2.1可知，負荷消耗的功率決定于它們的電壓特性，若這種相關(guān)性是不變的，則負荷是靜態(tài)的;若其隨時間而變化，則負荷是動態(tài)的。

電壓穩(wěn)定與負荷動態(tài)特性之間關(guān)系十分緊密，負荷模型的準確性直接影響到電壓穩(wěn)定分析結(jié)果的正確性和準確性，在電壓崩潰研究中，采用簡單的負荷模型無法解釋電壓崩潰。目前電壓穩(wěn)定研究中受到重視的負荷動態(tài)特性有以下3個方面［6］。

1)隨著負荷母線電壓下降，負荷從系統(tǒng)吸收的無功功率反而增加的特性，無功需求的增加，加重了系統(tǒng)電壓的下降。

2)動態(tài)負荷有功恢復(fù)特性，即在電壓下降以后，負荷從電網(wǎng)吸收的功率首先隨著電壓的下降而突然減少，隨后將逐漸上升，直至恢復(fù)到電壓下降前的負荷功率或低于電壓下降前的某一穩(wěn)定功率。負荷類型不同，功率恢復(fù)的機理和速度也不同。

①異步電動機類電壓敏感性負荷，當系統(tǒng)受到擾動時，端電壓突然降低后數(shù)秒內(nèi)快速響應(yīng)，其有功負荷最終與機械負荷相匹配。由于機械慣性的原因，電動機轉(zhuǎn)速不能隨擾動瞬時變化，根據(jù)其等值電路可知，電動機僅僅呈現(xiàn)為阻抗特性，其吸收功率開始隨著電壓下降而減少，但由于其內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換的需要，在隨后的過渡過程中，吸收的功率逐步恢復(fù)。這種功率恢復(fù)過程很短，通常以秒計。對于電壓緩慢降低的情況，異步電動機能夠跟隨系統(tǒng)其他裝置的慢動態(tài)過程，表現(xiàn)為恒定有功特性。

②恒溫控制負荷，因其電導(dǎo)不能瞬間調(diào)節(jié)，其吸收功率將隨著電壓的突然降低而減少，但由于要保持加熱空間溫度恒定，在電壓下降以后，其電導(dǎo)必然逐步增大，從而使其吸收的功率最終恢復(fù)到或接近電壓下降前的值。這種功率恢復(fù)的時間通常是分鐘級的。

③由于網(wǎng)絡(luò)受端有載調(diào)壓變壓器OLTC的作用，受端變壓器低壓側(cè)電壓降低后，在數(shù)十秒至數(shù)分鐘內(nèi)，OLTC將負荷側(cè)電壓恢復(fù)到接近其基準電壓，則基本由母線電壓決定的負荷功率也被恢復(fù)了。

3)負荷動態(tài)特性與電壓穩(wěn)定有關(guān)的本質(zhì)特征是，負荷為了維持有功功率平衡而自動調(diào)整其導(dǎo)納的內(nèi)在特性，任何動態(tài)負荷都是為了滿足某種形式的有功功率平衡，當這種平衡被打破以后，就會以其固有的方式進行調(diào)整，產(chǎn)生各種動態(tài)特性。

3 關(guān)于動態(tài)負荷建模

負荷建模是一個非常復(fù)雜的問題，負荷建模的核心是對負荷組成進行實時辨識，以及對不同集合的建模。電壓穩(wěn)定因其特殊性，要求負荷模型結(jié)構(gòu)中反映與電壓失穩(wěn)相關(guān)的本質(zhì)動態(tài)特性。目前，在電壓穩(wěn)定研究中被采用的動態(tài)負荷模型有無功功率平衡模型、功率恢復(fù)模型和機理式模型。這些負荷模型主要是為定性理解電壓穩(wěn)定問題服務(wù)，應(yīng)用于定量分析所必需的參數(shù)辨識討論不多。

目前用于電壓穩(wěn)定分析的動態(tài)負荷模型主要還有以下問題:

1)只考慮輸電網(wǎng)絡(luò)的模型，很少考慮連接負荷用戶與輸電網(wǎng)絡(luò)和發(fā)電廠的次輸電網(wǎng)絡(luò)、配電網(wǎng)絡(luò)的模型。

2)試圖用一個負荷模型來表示整個配電網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)(包括OLTC、電動機負荷、恒溫負荷、靜態(tài)負荷等)。

3)無法計及負荷動態(tài)的不連續(xù)性。

4 結(jié)束語

電壓失穩(wěn)主要與負荷的動態(tài)特性有關(guān)，在電壓穩(wěn)定性研究中，選取恰當?shù)膭討B(tài)負荷模型非常重要。在建立合適的負荷模型過程中，沒有普遍適用的原則，不同系統(tǒng)的負荷特性不同，研究不同問題需要不同的負荷模型。

［1］李欣然，賀任睦，章鍵，等.負荷特性對電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響及靜態(tài)電壓穩(wěn)定性廣義實用判據(jù)［J］.中國電機工程學(xué)報，1999，19(4):26－30.

［2］Voumas C D，Krassas N D.Voltage stability as affected by static load characteristics［J］.IEE Pro C，1993，140(3):221 －228.

［3］Tripathy S C，Induldar C S，Visw Anatha B.Voltage Collapse at the Load End of a Series Compensated EHV Transmission Line［J］.Electrical Power＆ Energy Systems，1993，15(4):251－253.

［4］周雙喜，朱凌志，郭錫久，等.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及其控制［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［5］段獻忠，何仰贊，陳德樹.電壓崩潰機理探討［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，1991，3(2):1 －6.

［6］段獻忠，包黎昕.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析和動態(tài)負荷建模［J］.電力系統(tǒng)自動化，1999，23(19):25 －28.