电力系统电压稳定性研究综述.pdf

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1、文章编号:1000-3673(2001)09-0051-04电力系统电压稳定性研究综述潘文霞1,陈允平2,沈祖诒1(1.河海大学电气工程学院,江苏省 南京市 210024;2.武汉大学电气工程学院,湖北省 武汉市 430072)A SURVEY OF VOLTAGE STABILITY STUDIESPAN Wen-xia1,CHEN Yun-ping2,SHEN Zu-yi1(1.Department of Electric Engineering,Hohai University,Nanjin 210024,Jiangsu Province,China;2.Electrical Engin

2、eering College,Wuhan University,Wuhan 430072,Hubei Province,China)ABSTRACT:In this paper the current situation of voltage sta-bility studies home and abroad is given,especially,the basicreason ofvoltageinstability,its mechanism,thelatestachievement in dynamic model of power system and modelingof loa

3、d are introduced,otherwise,the practical criterions andprecautionary measures for voltage collapse are presented.KEY WORDS:voltage stability;voltage collapse;voltage in-stability mechanism;precautionary measures摘要:对国内、外电压稳定性的研究现状进行了概述,特别介绍了电压失稳现象的根本原因、形成机理、系统动态模型及负荷建模等方面的最新研究成果。还介绍了电压稳定性破坏的防范措施。关键词:

4、电压稳定性;电压崩溃;失稳机理;预防措施中图分类号:T M712文献标识码:A1引言近20年来,在发达国家中发生了多起电压崩溃事故 13,造成了巨大的损失,也引起了世界各国对电压稳定问题的广泛关注,陆续发表了许多有关的专著 46、报告、总结和论文 7。研究认为,电压崩溃日趋严重的主要原因有以下几点:?由于经济上及其它方面(如环保)的考虑,发、输电设备使用的强度日益接近其极限值;?并联电容无功补偿大量增加,因而当电压下降时,向电网提供的无功功率按电压平方下降。线路或设备的投切,引起电压失稳的可能性往往比功角稳定研究中所考虑的三相短路情况要大得多,然而人们长期以来只注意功角稳定的研究。近年来,我国

5、电力事业发展迅速,电网内部也存在着引起电压崩溃的因素,而且可能更为突出(如电网网架簿弱,并联电容器增多等),只是由于目前大多数有载调压器分接头未投入自动和电力部门过早地采用了甩负荷这一最后的措施,因而电压稳定问题似乎显得不那么突出。随着电力市场化,人们对电能质量要求提高,甩负荷这一措施的使用将会受到限制,因此,要加紧对电压稳定问题的研究。从电压稳定问题研究的内容来看主要分两方面:一是包括电压稳定机理及电压稳定问题建模的研究;二是包括电压稳定指标及电压崩溃预防措施的研究。2关于电压崩溃电力系统中,人们把扰动、负荷增大或系统参数变更后造成大面积、大幅度电压持续下降,运行人员和自动控制系统也无法阻止

6、这种电压衰减的情况称之为电压崩溃。这种电压下降的持续时间可能只需几秒钟,也可能需要数十分钟,甚至更长。电压崩溃是电压失稳的最明显的特征,它会导致系统瓦解。由于早期故障现场记录的电压崩溃都发生在初期故障以后较晚的时刻,因此人们普遍认为这是一静态问题。随着研究的深入,人们逐渐认识到电压稳定问题本质上是一动态问题,它与发电机及其调节系统、负荷、无功补偿系统、有载变压器的抽头调节、直流输电等元件的动态特性有很大关系。具体地说,发电机的无功限制,有载变压器抽头的离散调节及限制,并联电容器或电抗器的投切容量限制,输电线路开断等离散事件对电压稳定性有着重要影响,有些离散事件可能会引起系统发生电压失稳 8,9

7、。因此人们开始重视电压稳定问题的动态机理分析和仿真模型的研究。但到目前为止,仍然没有很好地解决这一问题。第25卷 第9期2001年9月电网技术Power System TechnologyVol.25 No.9Sep.2001实际上,引起电力系统失稳的最根本原因是输电线路的大功率、远距离输电。在电压稳定性中,值得特别关注的是电厂向负荷中心的功率传输。图1是一典型的单电源。供电系统的等值电路。负荷母线的电压与功率之间满足:P=-EUXsin?Q=-U2X+EYXcos?图1单电源供电系统Fig.1Single power supply system所以负荷母线的电压 U 可以表达为U=E22+Q

8、XE44-X2P2-XE2Q可见,在系统正常条件下,运行点处于图2的上半部分,持续运行在图2的下半部分的低电压、大电流的情况是系统无法接受的(图中 tan?=?/P)。由电路理论知,该条输电线路的最大输送功率对应着最大负荷功率。在实际运行中,电压的失稳往往出现在试图运行在超过最大负荷功率的情况时,如由于负荷的增加或更可能是由于干扰之后比干扰前的最大负荷功率减小的情况。图2负荷电压与有功和无功功率的关系Fig.2Voltage as a function ofload active and reactive powers3电压稳定性模型及简化对于电压稳定性问题的分析,通常采用一组微分代数方程来描

9、述系统的动态过程 5:x?=f(x,y,zc,zd)(1)0=g(x,y,zc,zd)(2)z?c=hc(x,y,zc,zd)(3)z?d(k+1)=hc(x,y,zc,zd(k)(4)式(1)表示机电暂态时间尺度上的动态行为;式(2)是一组网络代数方程。方程式(3)(4)表示长期尺度上的动态行为;x 为系统中的暂态状态变量;y 为网络方程中的状态变量,包括节点电压的幅值和相位;zd为具有不连续特性的状态变量;zc为具有连续特性的状态变量。为了更好地分析、理解电压失稳的机理,寻求更快的计算方法,可利用短期现象(如与同步发电机及其自动电压调节器(AVR)和调速器(GOV)、感应电动机、高压直流元

10、件和静止无功补偿(SVC)等相关的现象)和长期现象(如与变压器分接头调节、发电机的励磁极限、定子电流极限、集成负荷的恢复特性等相关的现象)在时间上的可分性,将上述模型进一步简化。如在研究短期动态过程时,可近似地认为慢变量在快速暂态期间是常数,只考虑式(1)(2);在研究长期现象时,可用准静态(QSS)来近似,即快速变化无限快,短期动态方程式(1)用平衡方程式(5)代替 5,10,25。研究证实了这一近似的有效性。0=f(x,y,zc,zd)(5)4电压失稳机理按系统动态持续时间的长短,可把电压失稳的机制分为2大类:短期电压失稳和长期电压失稳。(1)短期电压失稳(也称暂态电压崩溃)。引起暂态电压

11、崩溃的主要原因:?短期动态扰动后失去平衡点;?缺乏把系统拉回到事故后短期动态的稳定平衡点的能力;扰动后平衡点发生振荡(实际系统中未观察到);!长期动态引起的短期失稳(如平稳点丢失,吸引域收缩和振荡)。这一时段内可能同时出现功角失稳和电压失稳,由于它们包含相同的元件,区分它们往往很困难。然而,图1所示的系统是一纯电压稳定问题,负荷主要由感应电动机组成。这里的暂态失稳主要是指系统受扰动之后,感应电动机等快速响应元件失去了平衡点,或者由于故障不能尽快切除,使系统离开了干扰后的吸引域。文献 11 应用 P-V 曲线和感应电动机的机械特性研究了扰动后感应电动机引起的52Power System Tech

12、nologyVol.25No.9暂态失稳机理,提出了足够的电容补偿能使处于低电压解的负荷节点电压恢复正常的观点。文 12 研究了不同短路故障切除时间下单机单负荷系统的动态过程,指出暂态电压稳定也存在故障临界切除时间的概念,并把电压失稳与负荷失稳联系起来。文 13 14 用仿真手段研究了快速响应的静止电容补偿器对防止感应电动机负荷引起的电压崩溃的作用,并指出断路器投切的并联电容补偿不能达到同样的目的。文献 15 采用时域仿真重演了感应电动机负荷引起的暂态电压失稳现象,改进了感应电动机暂态电压稳定的判据,提出了感应电动机引起的暂态电压稳定裕度的概念,并求取了与给定故障切除时间相应的极限动态负荷。文

13、 16 把电力系统同时可接受保持暂态电压稳定和暂态电压跌落的状态称之为暂态电压安全,并强调暂态安全应包括暂态功角稳定和暂态电压安全两方面。(2)长期电压失稳。系统扰动之后,系统已获短期恢复,可用长期动态的 QSS 近似,此后造成动态失稳的原因有:?失去长期动态平衡点;?缺乏把系统拉回到长期稳定平衡点的能力;电压增幅振荡(实际系统中未观察到)。文献 5 通过一简单系统显示和讨论了有载调压变压器和发电机过励限制器动态特性对系统电压失稳过程的作用。文献 17 19 就有载调压变压器对电力系统电压稳定性的影响进行了动态分析,其结果还不能令人满意,主要原因是所采用的元件模型存在差异,考虑的影响因素也不相

14、同等。文献 20 21 综合考虑了对电压失稳产生重要影响的负荷动态特性、有载调压变压器动态特性及发电机无功功率限制的作用,但难以得出清晰的概念。针对中长期仿真计算量大的问题,文献 22 24 采用了自动变步长技术把快速响应和慢速响应动态元件综合在一起进行仿真来研究系统的电压稳定性。在研究长期现象时,对于快速系统可用准静态(QSS)近似 5。QSS 方法结合了静态方法计算的高效性和时域方法的有效性。文献 25 采用 QSS 法考虑了发电机模型中的非线性环节和仿真步长控制问题,并取得了很有意义的结果。5预防措施文献 26 27 提及了在紧急情况或停电情况下,电力公司曾经采用的预防电压失稳的有效措施

15、,如表1所列。表1电压失稳预防措施Tab.1Countermeasures against voltage instability系统的加强在发电机和负荷之间增加新的输电线路在靠近负荷中心地区建设低功率因数的发电厂串联补偿并联补偿,SVCs装置和控制器AVRs中的线路压降补偿发电厂升压变压器的控制并联补偿自动投切二次电压控制操作计划电压安全评估(VSA)实时运行电压分布和无功储备补偿的管理与控制电压安全评估发电计划安排汽轮机起动预防性减载系统保护方案 HVDC 变换LT C紧急控制紧急甩负荷6负荷模型电压稳定性研究中负荷建模占有及其重要的地位,因为在影响电压稳定性的诸多因素中,负荷特性是最关键

16、、最直接的因素,它在很大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程。或者说,选择适当的负荷模型,是决定电压稳定性分析结果的准确性与可信度的关键。因此负荷模型在电压稳定性研究中越来越受到人们的关注。文 28 分析了负荷静态电压特性对电力系统静态电压稳定性的影响,提出了考虑负荷静态电压特性的静态电压稳定条件和广义实用判据。文 29 提出负荷动特性的综合对于仿真计算的重要意义,并给出了综合的方法。文 30 综述了电压稳定性研究中综合负荷建模的应用现状,阐述了电压稳定性分析中常用负荷模型的特点及其主要问题。实际上,就综合负荷的动态特性而言,它对于电压稳定性的影响主要体现在负荷的失稳特性和功率恢复特性上,这些

17、特性是电力系统受端母线综合负荷在全电压范围内运行时所表现出来的特殊行为。文 31 提出了一种具有适用于全电压范围的综合负荷模型。该模型包括综合负荷静态行为的静态电压特性和描述负荷动态行为的动态方程,较好地体现了综合负荷的失稳特性且具有明显的物理意义,具有较为广泛的应用价值。53第25卷 第9期电网技术7结束语尽管电压稳定性问题及其相关现象十分复杂,人们已在电压失稳机理的研究、动态模型的建立等方面取得了不少成果,提出了各类电压失稳的防范措施。随着电压稳定性问题研究的不断深入,人们需要提出更为准确的电压稳定性指标和实用判据,需要编制实用化的电压稳定性分析软件,实现有效的电压稳定安全评估。参考文献:

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