電壓穩定性分析是指對系統維持電壓的能力進行分析。一般在電力系統中工作的人比較熟悉·
基本介紹
- 中文名：電壓穩定性分析
- 外文名：Voltage stability analysis
- 拼音：dianyawendingxingfenxing
- 套用：電力系統
性質介紹,概念介紹,分析方法,研究方向,技術手段,結論,參考文獻,
性質介紹
電壓穩定性是指系統維持電壓的能力.當負荷導納增大時,負荷功率亦隨之增大,並且功率和電壓都是可控的.電壓崩潰是指由於電壓不穩定導致系統內大面積、大幅度的電壓下降的過程。電壓穩定性分析則是對這一過程進行理論分析，使得這個過程變得可以人為控制。
隨著負荷需求的不斷增長和電源點越來越遠離負荷中心，我國電力系統正在向遠距離、大容量、超高壓輸電方式發展。同時由於電力市場的引入帶來的經濟性及可能出現的環境保護等方面的壓力，迫使電力系統運行狀態正逐漸趨近於極限狀態，電網的穩定性問題將變得日益突出。
電力系統的穩定性問題是多種多樣的，其中機電方面的穩定問題可以簡化為：
(1)單機——無窮大系統(純功角穩定問題)：
(2)單機通過阻抗接在“靜態”負荷上(純電壓穩定問題)。
在實際電力系統中，上述兩個問題可能同時存在或相繼發生。功角穩定問題現在從理論和數學分析上都已完全解決了。相反，電壓穩定問題的發生機理現在仍不完全清楚，更不用說可以被廣泛接受的分析工具了。近年來，由於電壓崩潰惡性事故的相繼發生，如1983年12月27日瑞典電網、1987年法國西部電網、1987年7月23日日本東京電網等，運行和研究單位都逐漸關注電壓大幅下降前，母線角度及電網頻率都相對穩定，顯然經典的功角穩定性已不適於上述事故的分析。在這些電網事故發生前，由於母線電壓角度、電網頻率甚至電壓幅值都相對穩定，常規的報警裝置沒有發揮作用，其中1987年的日本東京電網事故過程長達20分鐘，可是運行人員並沒有採取手動切換負荷等安全措施來阻止電壓崩潰事故的發生，這也說明了進行電壓穩定性研究的重要性。
具體到安徽電網的實際分析，我們認為導致電壓穩定破壞事故可能有以下兩個問題：1.在淮北電廠及淮北二電廠小開機方式下，淮北通過系統聯絡線受進較大潮流，若發生淮北母線故障等大擾動，使淮北電網同時失去大量發電出力及與系統的聯絡線；2.江北小開機大負荷方式下，若發生洛河電廠Ⅰ母線故障，使江北電網同時失去洛河電廠#5聯變及洛河電廠#1機。我們使用了BPA程式對以上問題進行了經典的功角穩定仿真計算，發現功角的震盪和電壓的劇烈下降是同時發生的，到底是電壓崩潰造成的功角失步還是失步造成的電壓崩潰呢，若是電壓崩潰事故，那么現有的預防穩定破壞事故措施都是針對於功角穩定破壞事故的，並不適應於電壓穩定破壞事故。顯然我們迫切需要了解電壓穩定問題的機理，掌握電壓穩定分析的工具，同時採取相應的預防措施。為此，我們對眾多關於電壓穩定問題的研究成果進行了調研，通過分析和總結，希望能夠對電壓穩定問題有一個比較清晰的概念，得到適合實際套用的工具。
概念介紹
電壓穩定性這一概念對於電力系統運行人員並不陌生。在低壓配電系統中，電壓穩定破壞這一現象早已被發現。但直到近些年，這一現象才在高壓輸電系統中發現，並越來越被重視起來。
現在，一般認為電壓穩定破壞事故是這樣發生的：當出現擾動、負荷增大使電壓下降至運行人員及自動裝置無法控制時，系統就會進入電壓不穩定的狀態，電壓的下降時間可能只需要幾秒鐘，也可能長達幾十分鐘。在電壓下降過程中，以下幾個方面有著重要影響：
(1)有載調壓變壓器的動作將使低壓配電網的電壓上升，高壓輸電網的電壓下降，民用有功、無功負荷將逐漸回升，導致一次側的高壓輸電網電壓進一步下降，一次系統中的線路充電功率和電容器的無功補償均將減少，同時一次網路中的無功損耗將增加，因此，一次側電壓進一步下降。如此循環下去，有載調壓變壓器將處於或接近極限運行位置。
(2)工業負荷主要是感應電動機負荷對於電壓變化非常敏感，在電壓起初的下降過程中，它隨著電壓的下降而下降，但當電壓進一步下降時，由於轉差的增大而使電流增大，因而電動機漏抗中消耗的無功功率急劇增大，當電動機因不穩定而停止轉動時，將吸收大量無功功率。這時由於級聯效應，會有更多的電動機停轉，最終將出現大範圍的電壓崩潰事故。
(3)發電機勵磁調節器在電壓下降過程中，將增加無功出力，幫助維持電壓。然而當無功負荷超過發電機的容量時，電廠的運行人員、發電機的過勵保護、過流保護等自動裝置將降低勵磁，減少無功出力，使無功缺額增大，迫使遠方發電機承擔起維持電壓的任務，致使一次網路中的無功損耗增加，電壓進一步下降。
(4)電壓問題如同線路過負荷一樣容易造成級聯停運。當重載線路的受端電壓下降時，施加在送瑞系統上的無功功率可能是受端所收到的無功功率的許多倍。
如果電壓不停地衰減下去，電壓崩潰事故就會發生。因為這一過程持續時間在幾秒到幾十分鐘的範圍內，所以有些文獻根據這一過程的持續時間將電壓穩定問題劃分為暫態電壓穩定(時間從零秒到大約10秒鐘)、經典電壓穩定(時間從1分鐘到5分鐘)、長期電壓不穩定(包含20到30分鐘的電壓惡化)。
3電壓穩定問題的研究歷程
電壓穩定的研究最早可追溯到40年代，但直到1978年法國大電網的災難性電壓崩潰事故前，這一課題並沒有得到電力系統的廣泛注意。從70年代末期以來，人們對電壓穩定進行了大量研究。過去十年中，有兩次大規模的調查活動進一步強調了電壓穩定問題的重要意義。一項是IEEE電壓穩定專題工作組於1988年進行的，目的是確定在工業中，這一問題存在的範圍。另一項由EDF主持的研究，發現全球有20次重大故障可以歸咎於電壓穩定問題。
過去很長一段時間內，在電壓穩定問題的研究上一直存在著爭論，這就是：電壓穩定問題究竟是靜態的還是動態的，相應的分析方法也就分為基於潮流方程性質的靜態方法和基於微分方程性質的動態方法。近年來，隨著研究工作的進一步深入，用靜態方法研究電壓穩定遇到了越來越多的困難，計算結果與實際事故相比較，也難以令人信服。現在，人們普遍認為電壓穩定問題是一個動態問題，應該用基於微分方程的動態分析方法加以解決。鑒於這種情況，國際大電網會議(CIGRE)於1993年提出專題報告，從動態角度嚴格定義了電壓穩定問題，在此基礎上將其分為小干擾電壓穩定性、暫態電壓穩定性和長期電壓穩定性。
分析方法
結合國外電網的經驗和我省電網的實際，我們認為對電壓穩定問題的分析要解決以下三個問題：
a.當前系統離電壓崩潰點的距離即電壓穩定裕度是多少?
b.電壓崩潰發生時，影響電壓穩定的關鍵因素是什麼，電壓薄弱點在哪兒，哪些區域是電壓不穩定的?
c.在大擾動發生後，當前穩定的系統是否有可能發生電壓崩潰事故?
確定一個電壓穩定程式是否符合要求，要根據以上要求進行判斷。雖然電壓穩定靜態分析方法從原理上講並不嚴格，所得結果也令人難以信服，但有著計算簡單，不需要較難獲得的元件動態模型等優點。目前的實用化電壓穩定分析程式基本採用了靜態分析方法，其中P-V曲線法、靈敏度分析法、潮流多解法、雅可比矩陣奇異法使用較廣泛，下面我們將詳細介紹這四種方法。
(1)P-V曲線法
這是一種基於物理概念的計算分析。給定系統基態潮流計算結果，逐步增加系統負荷，求出系統各運行點，利用負荷特性，從而得到反映負荷實際吸收功率與節點電壓關係的一系列(P，V)點，將這些相連便可得到P-V曲線。與功角曲線相似，這條曲線的拐點處被認為是電壓穩定的分界點，拐點右側高電壓區，被認為是電壓穩定點，拐點左側低電壓區被認為是電壓不穩定點。當前系統運行點距離拐點的距離遠近反映了系統的電壓穩定裕度。然而，在考慮了系統元件的特性後，這一判據的正確與否值得進一步研究，例如電網技術1998年第九期中刊出的《電力系統動態元件特性對於電壓穩定性的影響》一文中指出，負荷電壓靜特性、發電機勵磁系統穩態增益對於電壓穩定極限點的影響巨大。在某些情況下，系統有可能在P-V曲線的右側高電壓區就已失穩，也有可能直到P-V曲線的左側低電壓區仍能保持電壓穩定。利用P-V曲線拐點判斷電壓穩定性造成的誤差究竟是偏保守還是偏冒進難以估算。
(2)靈敏度分析法
給定基態潮流計算結果，通過增加有功、無功負荷來獲得電壓幅值和電壓角度的變化量。所有受控變數的敏感度由電壓幅值和電壓角度的敏感度得到，受控變數包括受限的無功源、受限的聯絡線傳輸功率、變壓器分接頭的變化等。通過對受控變數的敏感度指標進行排序，得出與電壓下降密切相關的無功源、聯絡線等強相關變數集，同時得出電壓下降最大的節點集稱為弱節點集。
靈敏度分析方法可以套用於電壓穩定的線上監控，其中強相關變數集說明了當前系統中影響電壓穩定的關鍵因素，如哪些發電機的停運、聯絡線的檢修對電壓穩定至關重要。而弱節點集說明了哪些區域是電壓不穩定，系統最可能首先在這些區域內失穩，要對這些弱節點進行監控，同時考慮增加對這些節點的無功補償。
(3)潮流多解法
潮流解的非唯一性的提法首先在1975年由KLOS和KERNER發表的專著《thenon-uniquenessofloadflowsolution》中提出，文中提出潮流的解往往是成對出現的，解的個數隨著負荷水平的加重而減少，當系統接近極限運行狀態時，將只存在兩個解。在所有這些解中，只有一個解是和電力系統的實際運行狀態相對應的，稱為“可運行”的解。其餘的解對應於電力系統的不穩定運行點，在電壓穩定分析中，這些不穩定的解叫做“低電壓解”。但是也有文獻指出，在重負荷情況下，潮流方程的解由高電壓解轉移到低電壓解這一跳躍現象，並未在動態仿真中出現過，更不曾在實際運行狀態中觀察到，潮流多解僅僅是潮流方程非線性的數學結果，各解穩定與否不取決於解的本身，而取決於電力系統各元件的動態特性，例如如果考慮負荷等元件的動態特性而認為是恆阻抗負荷時，高、低電壓解將都是穩定的解。
目前潮流多解研究的主要意義在於為計算系統的極限運行狀態提供一種簡單方法，多解的個數及多解之間的距離是反映系統接近極限運行狀態的指標。
潮流雅可比矩陣奇異法
套用潮流雅可比矩陣作為靜態穩定性指標是首先由VENIKOV等於1975年在《Estimationofelectricalpowersystemsteadystatestabilityinloadflowcalculations》一文中提出的，利用穩定極限處雅可比矩陣奇異的特點來判斷當前研究狀態是否穩定，同時最小奇異值σmin被用來判定當前雅可比矩陣離奇異值有多遠，即電壓穩定裕度。如果當前雅可比矩陣的最小奇異值等於零，則當前雅可比矩陣是奇異的，相應的潮流解不存在。因為奇異點處，雅可比矩陣的逆矩陣不存在，這可以被解釋為潮流解對於參數小擾動的無限大的靈敏度，但VENIKOV在該文中將負荷功率及原動機機械功率假設為恆定值，同時假設勵磁系統的穩態增益為無窮大。以後，SAUER.P.W和PAI.M.A在《Powersystemsteady-statestabilityandtheload-flowJacobian》一文中進一步證明了只有在兩種特殊情況下，潮流方程雅可比矩陣的奇異性才對應於系統動態方程係數矩陣，和VENIKOV相同的是，他們也將發電機的機端電壓、原動機機械功率、負荷功率設為恆定值.
以上文獻的研究成果表明，只有在很強的假設條件下，常規潮流雅可比矩陣的奇異點才對應於系統的電壓穩定極限。由於實際電力系統不可能滿足這些假設，因此也難以估計套用這類方法所得結果的誤差。
以上基於潮流方程的靜態分析方法都已經有了可以實用化的程式，其物理本質都在於把電力系統重負荷下的極限運行狀態作為電壓失穩的臨界點，不同之處在於利用極限運行狀態的不同特徵作為判據，最終都可以歸結為系統雅可比矩陣的奇異性分析。但是需要指出的是，系統雅可比矩陣可能在多種方式下奇異，系統狀態越限和電壓不穩定只是其中兩種可能性。系統雅可比矩陣的奇異性是電壓不穩定的必要條件而非充分條件，換言之，由電壓不穩定可以推知其相應的系統雅可比矩陣一定奇異，而雅可比矩陣奇異並不能推出其相應系統運行點一定電壓不穩定，關鍵在於得到符合系統運行狀態的雅可比矩陣。現在普遍認為電壓靜態分析方法得出的結果難以令人信服，需要進一步接受動態機理的檢驗。
由於電壓動態穩定研究工作開展時間不長，現在電壓動態穩定的機理還不十分清楚，元件的動態特性較難準確得到，所以電壓動態穩定分析還處於研究階段，基本沒有實用化程式。主要的動態分析方法包括小干擾分析法及時域仿真分析法等。另外有的還採用了新的數學分析方法如分支理論法、能量函式法等。
(5)小干擾分析法可以用來了解電壓崩潰現象的特徵，檢驗電壓動態穩定的機理，並分析各種動態元件的作用。首先列出描述系統電壓穩定問題的微分與代數方程式，然後根據系統狀態變數係數矩陣特徵值的性質進行判斷。但現有的小干擾分析法大多只計及OLTC(有載調壓變壓器)的動態特性，目的也局限於得出與靈敏度分析相似的、根據矩陣性質來判斷電壓穩定性的結論。目前小干擾分析的主要課題是建立儘量簡單而又包含主要相關動態的系統模型。
(6)時域仿真分析法進一步發展了通用的功角暫態或中長期穩定程式對電壓崩潰現象進行分析，適應於電壓穩定問題的動態本質。為了能夠模擬長達數分鐘的慢動態過程，需要使用其它數學分析方法如隱式積分法，以解決使用較大計算步長時間可能導致的數值穩定問題。使用時域仿真分析方法必須詳細模擬元件的動態模型如OLTC的動作、負荷的動態特性及發電機過勵保護等。
從本質上說，電力系統的任何穩定問題包括電壓穩定問題必然與其微分方程的性質相聯繫，離開微分方程式來研究穩定問題是缺乏理論支持的，應該使用動態分析方法來研究電壓穩定問題。對於電壓穩定問題，研究工作現在受到了動態元件模型的制約，既然電壓穩定問題是由負荷的增長引起的，那么負荷模型顯然是電壓穩定理論走向成熟的關鍵。
研究方向
綜合各有關電壓穩定問題的研究成果，結合實際電網運行的需要，以下幾方面還需進一步研究，這些方面的研究可以使我們更好地理解電壓失穩現象，並有可能象功角暫態穩定理論一樣提供電壓失穩的判據，最終得到電壓動態穩定分析的實用化程式。
(1)元件動態模型的建立
儘管有關電壓穩定問題的文獻很多，但是電壓失穩特別是在動態、非線性方面的機理還不十分清楚。非線性動態理論為解決這方面的問題提供了適合的數學工具，元件動態特性的建模越來越受到重視。元件的動態特性包括發電機、負荷、OLTC有載調壓器等等，其中負荷模型的完善最為重要。對於發電機來說，已有研究成果嚴格證明了系統是否發生非周期電壓失穩與發電機調節系統的結構和時間常數無關，只取決與它的穩態增益《電力系統動態元件特性對於電壓穩定性的影響》一文更進一步證明了對於發電機來說，系統電壓穩定極限與原動機及其調速系統的穩態增益無關，只與勵磁系統的穩態增益有關。
(2)線上電壓穩定監控
電壓穩定監控程式應幫助調度員根據當前或未來一段時間內可能出現的運行狀態，迅速、準確地做出判斷，諸如當前系統是否可能發生電壓崩潰等等，從而正確採取預防措施，因此非常需要線上電壓穩定監控指標及其相應的程式。目前，國內電力系統在這一方面也開展了相當多的研究，例如天津大學利用局部L指標，對電力系統線上電壓穩定局部監控做了相關研究，提出了只對弱節點集即系統內負荷關鍵點實施監控的方案。
(3)數字仿真技術
屬於時域仿真分析法，能夠很好地反映電壓崩潰的全過程，但是無法提供敏感度和穩定域度的信息。同時模擬過程需要占用大量的CPU時間，對硬體要求很高，對結果的分析需要消耗大量的人工。為了能準確、快速的得出結果，可能需要發展一種套用專家系統或神經網路等技術的專門的分析方法。
技術手段
前面已經通過分析得出了在電壓崩潰過程中的一些關鍵因素，從而可以定性地給出一些防止電壓崩潰的技術手段。
(1)使用串聯和並聯電容器
對於110-35kV的架空線路，如線路長度很長、負荷變化範圍很大，可線上路上串聯電容器。使用串聯電容器可以有效地減小線路電抗，從而降低無功網損。線路可以從送端向無功短缺的受端送更多的無功，從而減小線路級聯效應對電壓穩定的負作用。雖然過多使用並聯電容器可能是導致電壓不穩定的部分原因，但適當使用並聯電容器可在發電機中留出“旋轉無功儲備”，這部分旋轉無功儲備對保持電壓穩定起著積極的作用。
(2)使用SVC靜止無功補償器
SVC的使用可以有效的控制電壓和防止電壓崩潰。
(3)使用低電壓切負荷裝置
過重的負荷是導致電壓崩潰的直接原因，根據一次側電壓的下降切除受端系統的部分負荷，對於防止電壓崩潰非常有效。
(4)發電機的控制
根據靈敏度分析，可以指出系統中哪些發電機的停運使電壓下降最明顯，只要有可能，就應該投入這些發電機，以提供電壓支持。發電機勵磁系統受限是導致電壓崩潰的重要原因，因此要進一步定義無功過負荷的能力，訓練運行人員使用它，並重新整定保護裝置以便不再阻礙無功過負荷的使用。在無功短缺地區，應當選用額定功率因數為0.85或0.8的低功率因數發電機。
(5)有載調壓變壓器OLTC的控制
根據電壓穩定線上監控，如果當前系統的電壓穩定域度較小，那么為防止電壓崩潰現象的發生，調度員在電壓持續降低時，應當停止上調有載調壓變壓器低壓側的分接頭，而採用手動切負荷的方法來恢復電壓。
結論
(1)現有的電壓穩定分析程式大多基於靜態電壓穩定分析，可以解決前面提出的第一、第二兩個問題，即給出當前系統運行狀態的電壓穩定裕度，指出系統中影響電壓崩潰的關鍵因素和可能首先發生電壓崩潰的區域等。需要指出的是，現在普遍認為，用靜態分析方法得出的結果，難以令人信服，需要接受動態機理的檢驗。要解決前面提出的第三個問題即大擾動下系統是否發生電壓崩潰，需要採取動態的電壓穩定分析方法，現在這方面還處於研究過程，缺乏實用化程式。
(2)要進行動態的電壓穩定分析方法，首先要建立系統的動態元件模型。因此下一階段的工作重點在於建模，具體包括發電機勵磁系統的穩態增益、OLTC的動作、負荷模型等，其中負荷動態模型的建立是關鍵。同時要進一步研究發電機無功過負荷能力，以便儘可能的利用發電機和勵磁機的過負荷能力來推遲電壓崩潰。
(3)在現階段缺乏可靠的元件動態模型及電壓穩定分析程式的時候，我們對於可能發生電壓崩潰的地區如淮北乃至整個江北220kV電網，裝設了18套低電壓切負荷自動裝置，其中安慶變裝設在110kV母線上。在洛河電廠裝設的220kVⅠ母線跳閘遠切負荷裝置對於防止江北大受電方式下，可能導致的電壓崩潰事故有著重要作用。同時我們還在進一步研究淮北電網的穩定問題，包括功角穩定和可能出現的電壓穩定問題。
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