考慮電壓敏感的負荷特性的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究

林承華，林 東

（福建工程學院 電子信息與電氣工程系，福建 福州 350108）

考慮電壓敏感的負荷特性的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究

林承華，林 東

（福建工程學院 電子信息與電氣工程系，福建 福州 350108）

圍繞電壓敏感的負荷特性對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響這一問題展開研究.描述了一個基于MATLAB的電力系統(tǒng)仿真軟件PSAT在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定中的應用.利用PSAT軟件中的5機14節(jié)點的系統(tǒng)模型作為仿真實例，建立不同參數(shù)的電壓負荷模型，經(jīng)過時域仿真得到大量的仿真圖形和數(shù)據(jù).結果表明：電壓負荷參數(shù)的改變對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定具有一定的影響.

電力系統(tǒng)；電壓負荷；暫態(tài)穩(wěn)定；PSAT

1 引言

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下經(jīng)受大擾動后,各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的穩(wěn)定運行方式或恢復到原來穩(wěn)定運行方式的能力，通常指保持第一或第二個振蕩周期不失步.大擾動一般指短路故障、突然斷線、負荷的瞬間大容量突變、大容量發(fā)電機組的切除、輸電或變電設備的切除等.在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定中電壓穩(wěn)定是一個復雜而又至關重要的問題，因此本文著重研究電壓負荷對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響.負荷是電力系統(tǒng)中最重要的部分之一，其對電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性影響之大已經(jīng)得到了電力系統(tǒng)幾乎所有研究人員的肯定.因此，研究負荷模型對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響有重要意義.

文獻[1]指出：如果電力系統(tǒng)能夠維持電壓以確保負荷增加時，負荷消耗的功率隨著增大，就稱系統(tǒng)是電壓穩(wěn)定的；反之就稱系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定.文獻[2]也指出：如果受到一定的擾動后，鄰近節(jié)點的負荷電壓達到擾動后平衡狀態(tài)的值，并且該受擾狀態(tài)處于擾動后的穩(wěn)定平衡點的吸引域內(nèi)，那么就認為系統(tǒng)是電壓穩(wěn)定的；與此相反，如果擾動后平衡狀態(tài)下負荷鄰近的節(jié)點電壓低于可接受的極限值，那么就成稱系統(tǒng)電壓崩潰.所謂電壓崩潰，是指由于電壓不穩(wěn)定所導致的系統(tǒng)內(nèi)大面積、大幅度的電壓下降過程.

2 負荷特性和負荷的數(shù)學模型

2.1 負荷特性

負荷特性指負荷功率隨負荷端電壓或系統(tǒng)頻率變化而變化的規(guī)律，因而有電壓特性和頻率特性之分.它們又都可進一步分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩類.前者指電壓或頻率變化后進入穩(wěn)態(tài)時負荷功率與電壓或頻率的關系；后者指電壓或頻率急劇變化過程中負荷功率與電壓或頻率的關系.頻率的偏移不是電壓穩(wěn)定問題的主要因素，所以在本文中只討論電壓負荷特性.

負荷特性對電壓穩(wěn)定有著極其重要的影響,因為從靜態(tài)看,負荷的靜態(tài)特性尤其是低電壓條件下的靜態(tài)電壓特性在根本上決定了系統(tǒng)靜態(tài)運行點的電壓穩(wěn)定行為;從動態(tài)看,負荷的功率恢復特性及低電壓失穩(wěn)特性在根本上決定了系統(tǒng)電壓崩潰與否及電壓崩潰的過程.

2.2 負荷的數(shù)學模型

電壓穩(wěn)定分析中對模型要求有別于其他仿真的獨特之處在于：負荷模型必須適應電壓大跨度變化的要求.一方面負荷的功率恢復特性可能將運行較低的系統(tǒng)推向崩潰的邊緣,尤其是低電壓失穩(wěn)特性可能導致電壓崩潰；另一方面負荷的低電壓失穩(wěn)而脫離電網(wǎng)則可以抑制電壓崩潰的發(fā)生.這就是負荷特性對電壓穩(wěn)定的雙重性,因此理想的用于電壓穩(wěn)定分析的負荷模型必須能夠描述這種二重性.

負荷模型可以用一個函數(shù)形式的表達式來描述，如式1，式2，其自變量是電壓U、頻率f以及另一個獨立的變量即負荷需求Z，在此必須強調(diào)實際負荷消耗功率（P、Q）與負荷需求z之間的區(qū)別，因為考慮電壓負荷特性后，有可能負荷需求的增長反而導致功率消耗的減少.

電壓負荷，即負荷功率隨負荷端電壓變化而變化的負荷，其功率是母線電壓的單項式函數(shù).如式3、式4所示：

式中無量綱量z代表負荷需求（取Z=1）

U——實際運行電壓

U0——潮流算得的母線初始電壓即無擾動時的正常運行電壓

P——實際有功功率

Q——實際無功功率

P0——電壓為額定值的有功功率

Q0——電壓為額定值的無功功率

α——有功功率指數(shù)

β——無功功率指數(shù)

指數(shù)負荷模型中的指數(shù)α、β決定了負荷功率對電壓的敏感程度.其靈敏度為可以用式（5）（6）來表示：

當U=U0時的靈敏度可以得到：

式7、式8即反映了α、β的物理意義，又提供了其量測的理論依據(jù).從電壓負荷數(shù)學模型可以看出，只要改變有功功率指數(shù)α和無功功率指數(shù)β的值就可以改變負荷的電壓，為了得到α、β的變化對電力系統(tǒng)暫態(tài)的影響，本文通過PSAT試驗平臺進行仿真，從而得到電壓負荷特性對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定影響的具體結果.

3 電壓負荷的仿真

為了研究電壓負荷對復雜電力系統(tǒng)的影響，本文采用了由5機14節(jié)點構成的復雜的電力系統(tǒng)，如圖1，此系統(tǒng)由14條Π型傳輸線路、5臺同步發(fā)電機、1臺PV發(fā)電機、1個故障點和若干變壓器、恒功率負荷、自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）構成.1-5號母線為69KV的高壓電母線，通過變壓器連接6-14號低壓母線，其中8號母線為18KV，其余為13.8KV的低壓母線.14個節(jié)點中2、3、6、8號為PV節(jié)點，其余為PQ節(jié)點.設定斷路器在1s的時候斷開，在1.5s時閉合，通過這個斷路器的斷開閉合來模擬一個電力系統(tǒng)的斷路故障.

本文中將母線2以加電壓負荷之前該母線上的各個參數(shù)定為參考量，通過加載電壓負荷并改變負荷上的相關參數(shù)來進行仿真和對比.從而確定改變某種參數(shù)下電壓負荷對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響.

圖1 5機14節(jié)點的電力系統(tǒng)仿真模型

3.1 電壓負荷加在母線2時增大指數(shù)的仿真與結論

（1）將電壓負荷加在母線2時，增大無功功率指數(shù)β，見圖2.

圖2-1（不加電壓負荷）

圖2-2（α=2、β=64）

圖2-3（α=2、β=6999）

圖2-4（α=2、β=7000）

表1 β取不同值時的電壓和穩(wěn)定時間

（2）將電壓負荷加在母線2時，增大有功功率指數(shù) α， 見圖3.

圖3 α取不同值時電壓變化曲線

表2 α取不同值時的電壓和穩(wěn)定時間

圖4 α、β取不同值時電壓變化曲線

表3 α、β取不同值時的電壓和穩(wěn)定時間

通過以上波形和數(shù)據(jù)可以看出：

1）從波形上可以看出：不論是增大無功功率指數(shù)β或者是增大有功功率指數(shù)α，還是同時增大β和α，母線2電壓在受到擾動后都會重新達到穩(wěn)定的，而且穩(wěn)定性隨著指數(shù)的增大而提高.但是當β或者α增大到一定值時，系統(tǒng)就會出現(xiàn)電壓崩潰.

2）從“達到穩(wěn)定時間”可以看出：同時增大α、β時母線2電壓在受到擾動后達到穩(wěn)定時間最短、其次是只增大有功功率指數(shù)α，達到穩(wěn)定時間最長的是只增大無功功率指數(shù)β.所以同時增大α、β時母線2電壓在受到擾動后能最迅速的恢復到穩(wěn)定狀態(tài).

3）通過△V可以發(fā)現(xiàn)：隨著α、β這兩個指數(shù)的不斷增大，母線2電壓的波動在逐漸減小，說明達到穩(wěn)定的時間在縮短，這也與仿真得出的“穩(wěn)定的時間”相吻合.

4）通過4S時的電壓變化可以發(fā)現(xiàn)：4S時波峰的電壓在逐漸降低，有達到穩(wěn)定的趨勢.

3.2 電壓崩潰

從圖2-4、圖3-4、圖4-4可以看出：當電壓負荷增大到一個值時，系統(tǒng)就不能重新趨于穩(wěn)定，這時出現(xiàn)電壓崩潰現(xiàn)象.80年代以來,國外多次發(fā)生大電力系統(tǒng)因電壓失穩(wěn)而導致系統(tǒng)崩潰,造成大面積停電的事故，在電壓穩(wěn)定分析中,通常把系統(tǒng)中某一節(jié)點的功率極限作為靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限,靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界點也就是電壓崩潰點.系統(tǒng)的電壓-功率傳輸特性,即V-P或V-Q曲線（通常稱為鼻形曲線）是分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的有力工具[3-6].而本文是間接利用鼻形曲線，通過V-α、V-β曲線來分析電壓的崩潰點，達到很好的效果.

4 結語

電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是一個復雜而又至關重要的問題，安全穩(wěn)定運行是電力系統(tǒng)首要的任務.本文通過PSAT軟件對敏感性電壓負荷進行模擬仿真，得出了不同的電壓負荷對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定的影響，并提出了用V-α、V-β曲線來分析電壓的崩潰點，具有很好的現(xiàn)實意義，并為后續(xù)更深入的研究提供強有力的理論支持.

〔1〕王一宇,周于邦，等.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析.北京：中國電力出版社，2003.

〔2〕周春梅.論我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行.科技資訊，2008,12（1）：8-12.

〔3〕王梅義，等.大電網(wǎng)系統(tǒng)技術.北京:中國電力出版社,1995.

〔4〕Taylor C W.Power system voltage stability.M cGraw-Hill,Inc.1994.

〔5〕程浩忠.電力系統(tǒng)電壓崩潰研究.電力系統(tǒng)自動化,1996,19（11）:13-17.

〔6〕李欣然,賀仁睦,章健,張伶俐.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).中國電機工程學報，1999,19（4）:26-30.

TP273

A

1673-260X（2012）01-0107-04

福建省自然科學基金項目（2010J05102）