電壓穩(wěn)定性分析

李秋　楊燕　張琰　李小綿

摘要：該文首先介紹了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的基本定義，包括國際上的早期定義和結(jié)合我國國情形成的新定義。根據(jù)定義分析了電壓不穩(wěn)定造成的后果，主要有：負載增加引起有裁調(diào)壓變壓器將處于極限運行位置；感應電動機停轉(zhuǎn)引起電壓崩潰；自動裝置將降低勵磁使一次網(wǎng)絡中的無功損耗增加。然后闡述了電壓穩(wěn)定性靜態(tài)分析的方法，并描述了這些方法的特點。最后總結(jié)了電壓穩(wěn)定分析方法的未來研究趨勢。為相關(guān)人員進一步的研究提供了一定的參考和幫助。

關(guān)鍵詞：電壓穩(wěn)定 p-v曲線 潮流方程 潮流雅可比矩陣

中圖分類號：TMT12 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）04（a）-0028-02

電能從產(chǎn)生到用戶使用，中間跨越了數(shù)千公里，是一個非常大的動態(tài)系統(tǒng)。在早期，電力系統(tǒng)水平發(fā)展較低的時候，電壓不穩(wěn)定對電力系統(tǒng)的影響并不明顯，但是從七十年代以來，我國電力系統(tǒng)正向著“大機組、遠距離、大容量”的方向發(fā)展，尤其近幾年高壓、超高壓輸電越來越多，交直流電網(wǎng)的互聯(lián)越做越大，這些都對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提出了越來越高的要求。要使系統(tǒng)電壓保持穩(wěn)定，首先要對電壓進行監(jiān)控，所以我們應該建立性能完善的電壓監(jiān)控系統(tǒng)，用來防止電壓崩潰。

1.電壓穩(wěn)定的基本定義

對電壓穩(wěn)定性研究之前，應該先分析一下什么是穩(wěn)定狀態(tài)，什么是不穩(wěn)定狀態(tài)。國際電工與電子工程師協(xié)會（IEEE）在早期給出的定義是，當電壓一定的情況下，負荷增加時，負荷消耗的功率也隨之增加，同時電壓和功率都是可控的。

我國在結(jié)合我國國情和IEEE的研究成果的基礎上，形成了新的定義：電壓穩(wěn)定指電力系統(tǒng)受到大的和小的擾動之后，系統(tǒng)電壓還能保持或恢復到系統(tǒng)能承受的范圍之內(nèi)，不發(fā)生電壓崩潰。電壓失去穩(wěn)定表現(xiàn)為小擾動失穩(wěn)、暫時大擾動失穩(wěn)、動態(tài)大擾動失穩(wěn)以及長時間失穩(wěn)過程。運行著的電力系統(tǒng)在受到干擾后的幾秒或幾分鐘內(nèi)，母線電壓可能經(jīng)歷大幅度的降低，從而使得系統(tǒng)的完整性遭到破壞，不能正常的給用戶供電，這種情況稱為電壓不穩(wěn)定。

從以上定義可以看出，電壓不穩(wěn)定主要指因為負荷增大等原因造成電壓下降導致無法控制的狀態(tài)。當電壓下降時，會有一些其他原因會導致電壓下降加劇，電力系統(tǒng)狀態(tài)變得更為惡劣。這些原因有：（1）當負載增加時，有載調(diào)壓變壓器就會自動動作，使低壓系統(tǒng)電壓回升，低壓側(cè)的無功負荷將逐漸恢復運行，導致高壓側(cè)的電壓進一步下降。如果此時負荷再增加，就會引起上面一系列的反應繼續(xù)進行，導致惡性循環(huán)，最后有載調(diào)壓變壓器將處于極限運行位置。（2）工業(yè)系統(tǒng)中有很多負荷都是感應電動機，該電動機對于電壓的變化非常敏感，它的電壓會隨著系統(tǒng)電壓的下降而下降。但當電壓降低過多時，感應電動機會因為不穩(wěn)定而停止轉(zhuǎn)動。如果發(fā)生級聯(lián)效應，會有更多的電動機停止轉(zhuǎn)動，最終將會出現(xiàn)大面積的電壓崩潰。（3）當系統(tǒng)中發(fā)電機的電壓大幅度降低時，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器迅速增大勵磁電流以升高系統(tǒng)電壓，提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。但是，當無功補償較多時，發(fā)電機的過勵保護、過流保護等自動裝置將降低勵磁，減少無功出力，使無功進一步缺少，遠方發(fā)電機就必須增加勵磁使得電壓升高，致使一次網(wǎng)絡中的無功損耗增加，電壓進一步下降。

2.電壓穩(wěn)定分析方法的種類

電壓穩(wěn)定性研究的分析方法分為兩類：針對潮流方程的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法，和針對狀態(tài)方程的動態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法。關(guān)于電壓穩(wěn)定本質(zhì)的認識，在早期，人們從靜態(tài)問題范疇研究電壓穩(wěn)定性。后來人們發(fā)現(xiàn)，負荷、發(fā)電機及其勵磁、無功補償、有載調(diào)壓器等整個電力系統(tǒng)的狀態(tài)都是成動態(tài)變化的，所以，人們逐漸開始研究電壓穩(wěn)定的動態(tài)本質(zhì)。目前在電壓穩(wěn)定分析這個問題上，動態(tài)方法一般只作為理論研究電壓穩(wěn)定性的一個方向，在工程實際中應用較廣的還是靜態(tài)分析方法。所以下面只討論靜態(tài)分析方法。

（1）p-v曲線法該具體方法如下，首先確定系統(tǒng)基本狀態(tài)潮流計算結(jié)果，然后逐步增加系統(tǒng)負荷，得到反應負荷實際吸收功率與節(jié)點電壓關(guān)系的一系列（p，v）點，最后將這些點相連就得到了p-v曲線。這條曲線存在有拐點，拐點的左側(cè)被認為是電壓不穩(wěn)定區(qū)，拐點右側(cè)被認為是電壓穩(wěn)定區(qū)。當前系統(tǒng)運行點和拐點之間的距離的遠近反應了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度。但是該方法只是理論分析的結(jié)果，在實際應用中發(fā)現(xiàn)，某些情況下（p，v）點落在右側(cè)穩(wěn)定區(qū)，但實際情況是已經(jīng)失穩(wěn)。而有些點落在p v曲線左側(cè)，仍然能保持穩(wěn)定。所以，該方法誤差較大，不能準確的判斷當前電壓是否穩(wěn)定。

（2）靈敏度分析法該方法是利用一些變量的微分關(guān)系來確定。比如：負荷節(jié)點電壓和負荷有功功率的微分比、負荷節(jié)點電壓和負荷無功功率的微分比，它們用來表示狀態(tài)變量輸入靈敏度。還有系統(tǒng)有功網(wǎng)損和負荷有功功率的微分比、系統(tǒng)無功網(wǎng)損和負荷有功功率的微分比，它們用來表示輸出變量靈敏度。根據(jù)這些靈敏度指標得到的矩陣可以判斷系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。因為在復雜系統(tǒng)中有效性不容易得到保證，所以該方法主要用于單機單負荷的簡單系統(tǒng)中。

（3）潮流多解法該方法是通過研究潮流方程的解，來研究電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)的潮流方程是一組非線性方程組，它存在多個值。而且這些解都是成對出現(xiàn)的，其中一個是高壓解，它是和電力系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)相對應的，是穩(wěn)定解，另一個解是不穩(wěn)定運行點，為不穩(wěn)定解。潮流解只是一種數(shù)學結(jié)果，得到的解的穩(wěn)定性的判別不由解的本身來決定，而是由系統(tǒng)中各元件的動態(tài)特性來決定。該方法的求解過程也比較繁瑣，因此現(xiàn)在該方法使用較少。

（4）潮流雅可比矩陣奇異法該方法是目前最為成熟的一種計算方法。主要是利用潮流方程的雅可比矩陣的奇異性來分析系統(tǒng)靜態(tài)電壓的穩(wěn)定性。其中最小奇異值用來衡量電壓穩(wěn)定程度，即用當前雅可比矩陣離奇異值的遠近來判斷穩(wěn)定性，又被稱為電壓穩(wěn)定裕度。該方法總體來說計算較為簡單，且計算量小，所以現(xiàn)在用的最多。

3.電壓穩(wěn)定性分析未來的發(fā)展狀況

由以上分析可以看出，電壓穩(wěn)定性的分析方法各有優(yōu)缺點，并且使用時應該根據(jù)實際情況具體分析。結(jié)合以上的分析成果和實際的電網(wǎng)情況，還需要在以下幾個方面進一步研究。主要有：元件動態(tài)數(shù)學建模、在線電壓穩(wěn)定實時監(jiān)控、數(shù)字仿真技術(shù)等。

4.結(jié)語

作為復雜的非線性動力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性一直是備受重視的課題之一。近年來連續(xù)發(fā)生的電壓崩潰事故，使電壓穩(wěn)定成為穩(wěn)定性研究的重點。該文討論了電壓穩(wěn)定性的概念，詳細分析了由于電壓不穩(wěn)定造成的后果。著重討論了四種常見的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析的方法，并比較了這四種方法的優(yōu)缺點。最后簡述了電壓穩(wěn)定性分析未來的發(fā)展狀況。隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展，穩(wěn)定性更面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。建立功能完善、性能可靠的電壓穩(wěn)定監(jiān)控系統(tǒng)，防止電壓崩潰，有重要的現(xiàn)實意義。