基于分支理論探究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

菅瑞霞

摘 要：在社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，我國電力系統(tǒng)也逐漸發(fā)展完善，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不斷提升，高電壓、大電網(wǎng)和遠(yuǎn)距離已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，電壓崩潰事故的發(fā)生頻率也隨之增加，電力行業(yè)對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究逐漸重視。近些年，動態(tài)補償器等設(shè)備的應(yīng)用，加劇了問題的復(fù)雜程度。本論文針對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性差的問題，基于分支理論，對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行探究，并在此基礎(chǔ)上，提出合理的校正建議，希望對促進(jìn)我國電力事業(yè)的發(fā)展有所幫助。

關(guān)鍵詞：分支理論；電力系統(tǒng)；電壓穩(wěn)定性

中圖分類號：TM714.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0172-02

0 引言

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動下，電力系統(tǒng)逐漸朝向大機組、大電網(wǎng)、高電壓的方向發(fā)展，穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓的難度也隨之加大，電壓失去穩(wěn)定性，引發(fā)惡性事故的情況時有發(fā)生。從上世紀(jì)80年代截至到目前，發(fā)達(dá)國家均已發(fā)生過多起電壓崩潰的事故。國內(nèi)電力系統(tǒng)同樣發(fā)生過這類事故。就當(dāng)前的實際情況而言，有關(guān)電壓穩(wěn)定性的理論尚未形成，甚至對于電壓失穩(wěn)機理也沒有形成統(tǒng)一的看法。目前常用的電壓研究方法主要包括靈敏度法、最大功率法以及擾動法，雖然這些方法，可以起到一定的效果，但卻無法反映問題的實質(zhì)，然而利用分支理論對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行探究，卻可以取得良好的效果。因此，對基于分支理論探究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行研究，具有十分重要的意義。

1 電壓穩(wěn)定性分析方法理論概述

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性探究主要包括以下方面的內(nèi)容：

（1）建立電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；（2）選擇分析方法；（3）分析電壓穩(wěn)定性喪失的動力特性；（4）計算電壓穩(wěn)定裕度；（5）計算安全運行指標(biāo)；（6）保持電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的措施。

在上述內(nèi)容中最為關(guān)鍵的內(nèi)容是選擇分析方法，這是保證分析準(zhǔn)確性的前提基礎(chǔ)。由于動態(tài)分析方法可以對電壓失穩(wěn)的原因進(jìn)行分析，故本文利用該分析方法，對電壓失穩(wěn)問題的物理機理進(jìn)行研究。

2 電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的分析方法

2.1 小干擾分析法

小干擾分析法是指對系統(tǒng)微分代數(shù)運行點處進(jìn)行線性化處理，其目的在于消除系統(tǒng)代數(shù)的變量干擾，繼而得到對電力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行反映的方程系數(shù)矩陣，然后找出矩陣中的特征值，并根據(jù)該值的變化，對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性進(jìn)行判斷。這種方法可以對電力系統(tǒng)中干擾電壓穩(wěn)定性的元件特征進(jìn)行統(tǒng)計。但這種方法的效果，會隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大而減弱，僅適用運行點處的系統(tǒng)矩陣，很難對影響電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的原因進(jìn)行綜合分析。

2.2 動態(tài)潮流法

動態(tài)潮流指的是系統(tǒng)功率并未處于平衡狀態(tài)時的穩(wěn)態(tài)潮流，通過這種方法的使用，在計算潮流的過程中，可以使用微分方程，能夠?qū)鹘y(tǒng)的潮流分析方法進(jìn)行補充和優(yōu)化，從而得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

2.3 能量函數(shù)法

能量函數(shù)法也被成為直接法，主要是指依據(jù)電力系統(tǒng)的特征，建立與之相匹配的能量函數(shù)，對比系統(tǒng)受擾動后以及電壓穩(wěn)定邊界上的能量函數(shù)值，并根據(jù)差值結(jié)果，對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析。這個方法為確定電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性提供了新的方向，可以得到穩(wěn)定域，并且可以作為對比不同規(guī)模電力系統(tǒng)間電壓穩(wěn)定性的依據(jù)。但是這種方法存在較大的誤差，可信度難以得到保證，并且隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，這種計算方法已經(jīng)很難適用于當(dāng)下。

2.4 時域仿真法

該方法屬于大干擾分析方法的一種，電力系統(tǒng)的微分代數(shù)方程是其分析的基礎(chǔ)，可以對動態(tài)元件和非線性特性的作用進(jìn)行保存，通過數(shù)值積分的使用，獲取的系統(tǒng)電壓的變化曲線，通過分析曲線，即可明確影響電壓穩(wěn)定性的因素。該方法具有以下方面的優(yōu)點：一是對系統(tǒng)元件的動態(tài)化特征進(jìn)行強調(diào)，確保了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；二是適應(yīng)能力較強，可以在不同的機制環(huán)境下，分析電壓失穩(wěn)的原因；三是可以對電壓失穩(wěn)的表現(xiàn)進(jìn)行直接觀察，從而為解決對策的制定，提供理論依據(jù)。

2.5 分岔理論分析法

電力系統(tǒng)在臨界點處如果出現(xiàn)分岔，那么就會導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)問題的發(fā)生，這是影響電壓穩(wěn)定性的根本原因，因此，在探究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性時，應(yīng)用該分析方法，可以對電壓失穩(wěn)的物理機理進(jìn)行明確?；诖?，本文在分析電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性采用的主要方法就是時域分析法和分岔分析法，充分發(fā)揮兩種方法相結(jié)合的優(yōu)勢，得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果[1]。

3 基于分支理論探究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析

在社會用電需求不斷增加的背景下，我國電力事業(yè)實現(xiàn)了快速的發(fā)展，高電壓電網(wǎng)逐漸完善，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的也愈加復(fù)雜，電壓失穩(wěn)事故的發(fā)生頻率與日俱增。應(yīng)用分支理論對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究，在國內(nèi)外相對較少，其中最常見的分叉點主要有兩種，分別為SNB和HB，這兩個分岔點對于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性來說十分關(guān)鍵。有助于電壓失穩(wěn)問題物理機理的研究。在基于分支理論探究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性階段，還要使用一種分岔軟件，這個軟件的研發(fā)基礎(chǔ)是windows操作系統(tǒng)，這個軟件的應(yīng)用，有利于降低分析電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的難度，可以為電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究，創(chuàng)造有利的條件。

3.1 分岔分析軟件

隨著分岔理論的日漸完善，分岔分析軟件也實現(xiàn)了快速的發(fā)展。其中最常用的軟件為AUTO和MATCONT。其中，在分析電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性時，AUTO軟件取得了廣泛的應(yīng)用，究其原因，主要是研究人員可以借助該軟件，追蹤計算分岔點，為電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的分析研究，提供了一個新的方向，并創(chuàng)造了有利的條件。但是這種軟件卻存在天然的劣勢，這款軟件無法適用于windows操作系統(tǒng)，因而加大了使用的難度。因此，在實際工作過程中，這款軟件只能在特定情況下使用，在分岔分析中的使用相對偏少。

而MATCONT軟件的基礎(chǔ)是windows系統(tǒng)，因此，該軟件與AUTO軟件相比，在使用上較為便捷，并且該軟件集多種功能于一身，將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分岔分析之中，取得的優(yōu)勢十分顯著?？梢允褂迷撥浖Ω鞣N分岔點進(jìn)行計算。與AUTO軟件相比，這款軟件具有更多的功能，且使用更為便捷。

3.2 分岔理論分析電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的具體流程

電力系統(tǒng)的電壓在運行過程中，如果從穩(wěn)態(tài)變?yōu)榉植?，電壓穩(wěn)定性就會受到影響，會出現(xiàn)電壓失穩(wěn)，此時，通過分岔理論的使用，可以準(zhǔn)確分析導(dǎo)致電壓失穩(wěn)的因素[2]。

平衡解流形，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)隨參數(shù)改變而發(fā)生變化的情況進(jìn)行表現(xiàn)，對其進(jìn)行追蹤，有利于計算電力系統(tǒng)各岔點的結(jié)果，繼而得到正確的解題答案。在電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性探究中應(yīng)用分岔理論的關(guān)鍵點在于，對平衡解流形的追蹤，只有保證追蹤的有效性，方能了解和掌握電力系統(tǒng)處在負(fù)荷工作狀態(tài)下，其內(nèi)部電壓的變化情況，繼而根據(jù)所掌握的內(nèi)容，對負(fù)荷點附近的電壓和極限功率進(jìn)行直觀化的描述，在預(yù)防電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)方面的作用十分顯著，同時也是分岔點搜尋的基礎(chǔ)。如果解題答案，能夠滿足平衡點集合，就可以保證追蹤平衡解流形的有效性。

目前，在計算平衡解流形時，主要是通過參數(shù)化方法的使用，將其轉(zhuǎn)化為方程，然后選擇一個點，并將其作為初始點，通過切線法以及割線法的使用，對平衡解流形上的點進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，并在此基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行校正處理，以保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，不斷重復(fù)上述步驟，繼而對平衡解流形進(jìn)行求取。在這一過程中，步長的選擇，會對計算時間和準(zhǔn)確性造成決定性的影響[3]。

4 基于分支理論的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性仿真性研究

為了對上述計算流程進(jìn)行合理的驗證，本文選擇實驗的方式，建立仿真模型，以保證計算的準(zhǔn)確性。

4.1 追蹤平衡解流形

研究人員可以將電力系統(tǒng)參數(shù)代入到平衡解流形的公式之中，經(jīng)過計算求解后，可以將公式轉(zhuǎn)化為方程組，并且這個方程組能夠?qū)ο到y(tǒng)動態(tài)特征進(jìn)行反映，在此基礎(chǔ)上，即可對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析仿真分析。

4.2 電壓仿真分析

根據(jù)上面的計算結(jié)果，可以對電力系統(tǒng)各負(fù)荷階段的電壓變化情況進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和仿真分析。

第一，在電壓尚未分岔的階段，電力系統(tǒng)中的電壓變化較小，趨于穩(wěn)定。盡管受到擾動，但并不會導(dǎo)致電壓失穩(wěn)問題的發(fā)生。第二，如果電力系統(tǒng)受到干擾，那么電壓就會在特定的節(jié)點內(nèi)發(fā)生波動，分岔情況會隨之出現(xiàn)。第三，隨著分岔點處電壓不斷降低，崩潰現(xiàn)象出現(xiàn)的概率會隨之極大，電壓穩(wěn)定性會受到不利的影響。

由上述分析得知，基于分支理論中的分岔分析方法和時域仿真研究方法，可以對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確且有效的分析，且計算量較少。

5 電力系統(tǒng)未來發(fā)展方向

通過上述分析得知，電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象的實質(zhì)就是分岔，而電力系統(tǒng)分岔可以被分為兩種，一種是靜態(tài)分岔，另一種是動態(tài)分岔，而本文研究的分岔內(nèi)容，只是電力系統(tǒng)分岔中最為簡單的一種，基于分支理論探究電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性任重而道遠(yuǎn)。在未來研究中，應(yīng)該做好以下幾方面的工作：

（1）對分岔算法進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮計算機軟件的優(yōu)勢，對分岔點取值方法進(jìn)行完善，降低取值和計算的難度。

（2）對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行完善，現(xiàn)階段分析電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性時，經(jīng)常會假設(shè)一些條件，但是假設(shè)條件的背景卻過于理想化，與電力系統(tǒng)實際運行情況存在偏差，致使模型準(zhǔn)確性受到不利影響。因此，研究人員應(yīng)該在未來重視對數(shù)學(xué)模型的完善。并借助分支理論對導(dǎo)致電壓失穩(wěn)現(xiàn)象的原因進(jìn)行深入探索，在此基礎(chǔ)上，制定有效的解決措施，避免電壓失穩(wěn)問題的出現(xiàn)，從而保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[4]。

6 結(jié)語

在社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，我國電力事業(yè)實現(xiàn)了快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模、覆蓋范圍也不斷加大，與此同時，電負(fù)荷及負(fù)荷密度呈快速增加的趨勢，容易對電壓穩(wěn)定性造成影響，繼而導(dǎo)致電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，就會對電力系統(tǒng)的正常運行造成影響。如何采用有效的方法，對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析和探究，成為了人們重點關(guān)注的問題。本文基于分支理論，通過分岔分析方法和時域仿真分析方法的使用，對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并取得了良好的研究成果，從而為電力系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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