電壓穩(wěn)定性受電力系統(tǒng)負(fù)荷的影響分析

吳裕善

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518048）

一、起因

電壓的不變性也被稱為負(fù)荷不變性，其意思是指電力體系在必然的外部前提或遭到擾動(dòng)以后體系仍然能連結(jié)輸出電壓的不變的本領(lǐng)，可是當(dāng)必然的外部前提的產(chǎn)生轉(zhuǎn)變或遭到較大的不受控的擾動(dòng)以后，輸出電壓呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況，此中首要的身分是體系無法提供無功功率的必要。

在研究之初，此類的研究主要是從靜態(tài)的狀態(tài)去分析和計(jì)算的，但是無論是在物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科上，靜態(tài)只是一種理論上的狀態(tài)，而現(xiàn)實(shí)中電力系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)力非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，電壓的穩(wěn)定和失控實(shí)際是一種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，因此在解釋電壓失穩(wěn)原理時(shí)，我們主要考慮的是電力系統(tǒng)受到干擾后情況，其他部件的調(diào)整電壓的情況，首先是在主體發(fā)電機(jī)中的電磁體系逐漸減少而得到激勵(lì)和負(fù)荷都符合要求后，系統(tǒng)才能夠確保穩(wěn)定；其次是當(dāng)電壓系統(tǒng)中反映的負(fù)荷超高壓水平下降時(shí)，變壓器就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，而且每次調(diào)整都會(huì)增加超高壓線路承受的負(fù)荷、增加線路的損耗和增大電流這些變化；最后使發(fā)電機(jī)整個(gè)系統(tǒng)增加無功輸出，持續(xù)增加無功功率，負(fù)荷的電壓就會(huì)下降，系統(tǒng)更加容易出現(xiàn)不穩(wěn)定電壓。這就是電壓穩(wěn)定性的原理。

二、負(fù)荷對穩(wěn)定性的影響

圖1 仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 為單機(jī)大系統(tǒng)在不同負(fù)荷功率因數(shù)下的關(guān)系曲線

圖3 單機(jī)大系統(tǒng)在不同負(fù)荷功率因數(shù)喜愛的V-PL特性

我們研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性時(shí)，主要研究電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)條件下負(fù)荷的變化引起的不穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)及出現(xiàn)的一些必要的調(diào)整。所以，電力系統(tǒng)的負(fù)荷都會(huì)在受到外部的干擾時(shí)發(fā)生變化，從而會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，這主要是動(dòng)態(tài)而非理論上的靜態(tài)過程，主要原因就是負(fù)荷的兩大特性的作用，分別是恢復(fù)特性和失穩(wěn)特性，下面本文就這種講解一下這兩個(gè)主要特性。

1 電力系統(tǒng)受干擾后的負(fù)荷的恢復(fù)特性

負(fù)荷的恢復(fù)特征是指負(fù)荷功率隨輸入電壓的下降而臨時(shí)減小隨后又逐步增加的特征。我們從下面幾個(gè)實(shí)例進(jìn)行解釋負(fù)荷功率恢復(fù)的現(xiàn)象：首先是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)端電壓降低后的數(shù)秒內(nèi)，它的有功功率就會(huì)恢復(fù)至與機(jī)械負(fù)載相匹配，這就是負(fù)荷的恢復(fù)特征的一種；其次是OLTC分接頭動(dòng)作，恢復(fù)其低壓側(cè)電壓，從而恢復(fù)對電壓反應(yīng)靈敏的用電設(shè)備的功率，這也是負(fù)荷的恢復(fù)特征的一種表現(xiàn)；最后一種現(xiàn)象是恒溫控制負(fù)荷在溫度調(diào)節(jié)裝置控制下恢復(fù)從電網(wǎng)吸收的功率，這也是負(fù)荷的恢復(fù)特征的一種。負(fù)荷的這種強(qiáng)大的恢復(fù)特性使得輸出電路的電壓有很大的起伏，引起負(fù)荷母線電壓的進(jìn)一步下降，從而使系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性下降。所以就要研究負(fù)荷的恢復(fù)特性，來解決這樣引起的失穩(wěn)現(xiàn)象。

同前面的靜態(tài)分析不同的是負(fù)荷的功率恢復(fù)這種過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，這個(gè)過程的描述我們可以用一個(gè)簡單的微分方程進(jìn)行解釋。我們在分析解釋負(fù)荷對電壓穩(wěn)定性時(shí)，必須對負(fù)荷進(jìn)行相關(guān)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)建模進(jìn)行分析，負(fù)荷功率的恢復(fù)不是靜止的過程，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，這就需要從一個(gè)具體的過程進(jìn)行解釋。但是從靜態(tài)的模式進(jìn)行解釋的話就會(huì)造成計(jì)算各方面的不準(zhǔn)確，不能保證正常的運(yùn)行；通過計(jì)算可知，無功的負(fù)荷采用靜態(tài)恒定功率模型得出電壓輸出曲線的下半支是穩(wěn)定的結(jié)果，這是采用靜態(tài)模式計(jì)算的結(jié)果不準(zhǔn)確的，這也說明不能采用靜態(tài)的模式來解釋負(fù)荷的恢復(fù)特性。

但是現(xiàn)在的相關(guān)研究只是對相關(guān)穩(wěn)定圖像的研究過程，還沒得到一個(gè)準(zhǔn)確的負(fù)荷功率恢復(fù)的相關(guān)表達(dá)式或者數(shù)學(xué)過程，因此研究此過程多在考慮得到的穩(wěn)定圖像是不是與理想的相近，還要加強(qiáng)這方面的研究來從數(shù)學(xué)上解決相關(guān)的問題，這樣既準(zhǔn)確又節(jié)約成本。

以IEEE-30節(jié)電力胸進(jìn)行負(fù)荷恢復(fù)為例盡心高反正，研究發(fā)電機(jī)選擇與路徑的優(yōu)化，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，實(shí)線為恢復(fù)路徑，虛線為未恢復(fù)路徑。節(jié)點(diǎn){1,2,13,22,23,27}為已恢復(fù)電源節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)各支路已經(jīng)恢復(fù)，節(jié)點(diǎn)1-30為待恢復(fù)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)待恢復(fù)負(fù)荷約為最大負(fù)荷的40%。當(dāng)前系統(tǒng)總負(fù)荷為3.5280p.u。

通過仿真計(jì)算，系統(tǒng)可恢復(fù)量是0.3566p.u，是系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)荷量的10.1%，恢復(fù)量比較樂觀。

2 電力系統(tǒng)受干擾后的負(fù)荷失穩(wěn)特性

負(fù)荷失穩(wěn)是指負(fù)荷元件因其運(yùn)行電壓太低而不得不采取保持其正常的能量轉(zhuǎn)換功效的措施，或因其低電壓運(yùn)行而損壞內(nèi)部核心裝備，或者因?yàn)樽约旱谋Ｗo(hù)行為而暫時(shí)切斷電源。負(fù)荷失穩(wěn)的一些情況，主要是低電壓條件下負(fù)荷元件失穩(wěn)，主要有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的失速乃至堵轉(zhuǎn)（包括空調(diào)、熱泵、冰箱等帶壓縮機(jī)負(fù)載的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的失速和堵轉(zhuǎn)）、熒光燈的突然熄滅等情況，負(fù)荷元件失穩(wěn)后，就會(huì)導(dǎo)致有功和無功功率發(fā)生急劇的變化，嚴(yán)重的影響到整個(gè)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

什么原因造成負(fù)荷的失穩(wěn)特性？主要原因是負(fù)載的在失穩(wěn)后將要從線路中吸收電流，但是這樣的電流的無功功率將會(huì)不斷增加，從而導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)的無功功率不足，使得線路的電壓降落增大，結(jié)果就是負(fù)荷的電壓進(jìn)一步減小，這就造成線路的電壓不穩(wěn)。因此如同熒光燈突然熄滅，電動(dòng)機(jī)保護(hù)停轉(zhuǎn)都是為了緩解系統(tǒng)的無功功率不足，再等到電壓穩(wěn)定后在此工作。

此現(xiàn)象的出現(xiàn)可以通過靜態(tài)負(fù)荷特性對電壓穩(wěn)定產(chǎn)生影響進(jìn)行分析，靜態(tài)負(fù)荷特性指的是電壓變化后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓與負(fù)荷功率之間的關(guān)系。以單機(jī)系統(tǒng)為例，圖2為單機(jī)大系統(tǒng)。

從圖中可看出，系統(tǒng)負(fù)荷在增大到極限值以后，如果繼續(xù)增加，那么系統(tǒng)將失去穩(wěn)定。靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法采用靜態(tài)模型描述負(fù)荷，以靜態(tài)觀點(diǎn)解釋電壓崩潰機(jī)理。用代數(shù)方法對系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行到的極限點(diǎn)距離進(jìn)行求職，對于運(yùn)行人員來說，最直觀的是系統(tǒng)運(yùn)行的功率極限。負(fù)荷較高的時(shí)候，可通過負(fù)荷的改變對功率的不穩(wěn)定性進(jìn)行控制，即在符合阻抗降低的時(shí)候，使功率也得到降低，負(fù)荷特性決定了電壓是否穩(wěn)定、系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展，無論是家庭還是工業(yè)中對電力的要求越來越多，對遠(yuǎn)距離的電力傳輸?shù)目简?yàn)越來越重，這其中電壓的穩(wěn)定性問題是基礎(chǔ)性難題，電壓的失穩(wěn)是各個(gè)方面的原因，現(xiàn)在還沒有得到徹底的研究，很多技術(shù)方面的原因有待進(jìn)一步的研究。在研究負(fù)荷的影響方面，主要從負(fù)荷自身的原因進(jìn)行分析，其表現(xiàn)在構(gòu)成復(fù)雜、隨機(jī)時(shí)變、地域分散和非線性等特點(diǎn),以及負(fù)荷本身的組成龐大、隨機(jī)時(shí)變、地區(qū)分離和非線性等特色，這些條件就會(huì)影響到在解釋電力系統(tǒng)的變化時(shí)都要認(rèn)真的考慮，通過大量的試驗(yàn)后做出分析。因此，建立精確、耐用的負(fù)荷模型對于電壓不變而產(chǎn)生的進(jìn)步都將會(huì)有很大的增強(qiáng)。

[1]郭瓊，姚曉寧.淺析電力系統(tǒng)負(fù)荷對電壓穩(wěn)定性的影響[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào).2004.

[2]林舜江，李欣然，劉楊華.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及負(fù)荷對其影響研究現(xiàn)狀[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào).2008.

[3]吳伯強(qiáng).負(fù)荷對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響[J].浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào).2002.

[4]范廣偉.電力系統(tǒng)負(fù)荷建模與電壓穩(wěn)定性分析的研究[J].西安理工大學(xué).2010.

[5]彭志煒，胡國根，韓禎祥.電力系統(tǒng)負(fù)荷電壓穩(wěn)定性研究──第2部分實(shí)例分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.1997.