第六章 电压稳定性

NorthChinaElectricPowerUniversityDepartmentofElectricalEngineeringBaoding2008.5-7动态电力系统分析与控制目录一．电力系统数学模型及参数二．电力系统小干扰稳定性分析五．直接法在暂态稳定分析中的应用三．电力系统次同步谐振分析四．电力系统暂态稳定性分析六．电力系统电压稳定性分析七．线性最优控制系统八．非线性控制系统九．电力系统控制第六章电力系统电压稳定性分析目录一．概述二．电压稳定性的基本概念及研究内容三．电压稳定性的研究四．简单系统电压静态稳定性分析五．改善系统电压稳定性的技术近30年来，电力系统向大机组，大电网，高电压和远距离输电发展。这对合理利用能源，提高经济效益和保护环境具有重要的意义。但也给电力系统的安全运行带来了一些新问题。其中之一就是电压崩溃恶性事故。70年代以来，国内外的电网发生了多起以电压失稳为特征的电网瓦解事故。一．概述1972年7月27日我国湖北电网的武汉和黄石地区的电压崩溃事故，使受端系统全部瓦解；1973年7月12日东北电网的大连地区电压崩溃，造成大连地区全部停电。1978年12月19日法国电网大停电；1983年12月27日瑞典电网事故；1987年7月23日日本东京大停电；美国西部1996年7月2日和8月10日连续两次大停电事故；因为电压失稳导致大面积，长时间的停电，造成巨大的经济损失和社会混乱。一．概述多次大停电事故给人们震动很大，再次向电力界敲响了警钟。我国电力工业部也专门组织有关人员进行研究，讨论我国电网的现状及存在的问题，使电压稳定问题成为关注的焦点。一．概述电压稳定的研究可以追溯到40年代，H.M.马尔柯维奇提出了第一个电压稳定判据。但是直到70年代，对电压稳定性的研究一直处于初级阶段，没有多大进展。人们一直认为电压稳定问题是局部的，系统末端的小问题。1978年法国电网的灾难性电压崩溃事故使电压稳定问题受到关注。这次典型的电压崩溃事故使法国电网70%以上的用户停电。电压稳定问题已经是影响整个电网安全稳定运行的大问题。一．概述70年代末期开始，人们对电压稳定问题进行了大量的研究工作。由于有记录的电压崩溃事故离初始故障的时间都比较长，早期普遍认为电压稳定是一个静态问题，研究的重点集中在静态机理探讨和基于潮流方程的极限运行状态的求取。随后遇到的困难使人们认识到电压稳定问题的复杂性和动态研究的必要性，研究人员反过来重视了对电压崩溃现象的物理本质的探讨，动态机理分析和建模等方面的研究。一．概述到目前为止，电压稳定性研究已取得了很大的进展，但离实际要求还差得很远。电压稳定性的理论体系还未建立，甚至对于电压稳定破坏的机理尚有许多不同的观点。这一方面的工作还有待进一步地开展。一．概述关于电压稳定性的定义至今仍存在分歧。1990年IEEE将电压稳定性定义为“系统维持电压的能力。当负荷导纳增大时，负荷功率也随之增大，并且功率和电压都是能控的。”电压崩溃是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积，大幅度的电压下降的过程。CIGRE于1993年把电压稳定研究分为静态电压稳定和动态电压稳定，又进一步将动态电压稳定分为小扰动电压稳定，暂态电压稳定和动态电压稳定。二．电压稳定性的基本概念及研究内容电压稳定性和功角稳定性的研究侧重点不同，如何认识二者的联系迄今仍无定论。两种极端的情况是：⑴一台同步发电机经一个电抗接于无穷大母线（纯“功角稳定性”）；⑵一台同步发电机经一个电抗接于“静态”负荷（纯“电压稳定性”）。伴随功角不稳定出现的电压下降，具有伴随电压不稳定出现的电压崩溃的某些现象。但电压失控不一定包含大的或越来越大的功角偏离。二．电压稳定性的基本概念及研究内容现在普遍被接受的观点是电力系统中静态电压水平主要由无功功率平衡条件决定。许多文献把电压崩溃归结为由于系统不能满足无功需求的增加，在某些不良运行点或当系统受到较大扰动后，因为发电机励磁系统的强励和负荷端电压下降，负荷需求减少，系统能保持电压相对稳定。随后，由于带负荷调压变压器的连续调节使负荷端电压升高，供电得以恢复，同时带负荷调压变压器一次侧电压下降，电流上升，发电机无功越限，其连锁反应使负荷电压下降，电压稳定破坏。二．电压稳定性的基本概念及研究内容电力系统有功功率和无功功率不能截然分开进行分析，电压崩溃既于无功功率相关，也于有功功率相关。电压稳定的研究工作按照其目的不同目前分为三大类：电压崩溃的机理探讨，电压稳定安全计算和预防措施研究。二．电压稳定性的基本概念及研究内容电压崩溃机理探讨的目的是要弄清楚主导电压崩溃发生发展的本质因素，电压稳定问题和电力系统其它问题的相互关系，以及电力系统中各种元件对电压稳定性的影响，并建立分析电压稳定问题的适当的系统模型。早期的静态研究中的机理认识集中在曲线和曲线分析，潮流多解的稳定性分析和基于灵敏度系数的物理概念讨论。动态因素受到重视后，负荷的动态特性，有载调压变压器（OLTC）的负调压作用受到了普遍关注。二．电压稳定性的基本概念及研究内容QPVQ目前普遍认为无功功率的平衡，发电机无功出力的限制，OLTC的动态特性和负荷的动态特性与电压崩溃关系密切。但目前对电压崩溃机理认识还不一致，不同研究人员所采用的系统模型也有很大差别，因此迫切需要全面深入地开展电压失稳机理的探讨。负荷动态特性是探讨电压失稳机理的关键，建立适合于电压稳定研究的负荷模型已受到重视。二．电压稳定性的基本概念及研究内容电压稳定与同步稳定研究一样，求解稳定裕度是十分关键的工作。据此我们可以分析系统的状况，采取控制措施，保证系统安全运行。电压稳定安全指标计算包括两个方面：寻找恰当的安全指标和快速又有足够灵敏度的计算方法。已提出的安全指标主要有：各类灵敏度指标，潮流雅可比矩阵奇异值指标，临界电压指标和裕度指标。二．电压稳定性的基本概念及研究内容DVDQDP,,裕度指标的线性很好，但涉及临界点的求取，因为潮流雅可比矩阵奇异给计算带来困难。目前已经在这方面做了许多工作。其它的指标只用到系统当时运行状态的信息，计算简单，但线性较差，称之为状态指标比较贴切。目前需要解决以下三个问题：⑴快速准确的裕度指标计算方法；⑵根据动态机理对各类指标的合理性，准确性进行检验，为运行部门选择指标提供依据；⑶在快速算法中计及影响电压稳定的主要动态元件的作用。比如发电机无功越限和负荷特性的影响等。二．电压稳定性的基本概念及研究内容预防措施的研究，以日本和法国采取的事故对策最为出色。前者强调增强事故状态下的电压控制能力，后者基于对电压崩溃过程阶段的划分，侧重于事故发生前的紧急状态下的预防措施。目前普遍认为：加强无功备用，提高紧急状态下的无功应变能力，防止无功功率的远距离传输，紧急切负荷，闭锁甚至反调OLTC是预防严重事故的有效措施。二．电压稳定性的基本概念及研究内容由于对电压稳定性机理的认识有一个过程，对电压稳定性的研究可分为三个阶段：第一阶段，从马尔柯维奇提出第一个电压稳定判据到20世纪70年代中期，这是电压稳定问题未引起足够重视的阶段；第二阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是注重电压静态机理研究的阶段；第三阶段，从20世纪80年代中期起，是以电压动态机理探讨为基础的研究阶段。目前的一些研究方法和结论，是第一阶段和第二阶段的结果，在考虑电压动态机理时，有些方法和结论需要修正。三．电压稳定性的研究按研究采用的模型划分，对电压稳定性的研究可以分为四大类：基于物理概念的定性分析，基于潮流方程的静态方法，基于线性化动态方程的小干扰分析方法和基于非线性动态方程的时域仿真计算。三．电压稳定性的研究1.基于物理概念的定性分析定性分析对于指导研究方向非常重要。基于“发电机-输电线-负荷”模型导出曲线，曲线和曲线，依此展开分析是最直观的一种研究方法。在第二阶段因为将电压稳定划为静态问题，使研究走了一段弯路。某些灵敏度判据，曲线机理解释都是在简化条件下得出的，在应用到复杂系统时往往不成立。因此，目前迫切需要全面检验现有的有关电压稳定问题的定性认识的正确性。三．电压稳定性的研究VPVQQPQP2.基于潮流方程的静态研究基于潮流方程的静态研究方法主要有:最大功率法，灵敏度分析方法，潮流多解方法和雅可比矩阵奇异方法。三．电压稳定性的研究⑴最大功率法当负荷需求超出电力网络传输功率极限时，系统将会出现异常现象，其中包括电压失稳。这是一种朴素的物理观点。把电力网络输送功率的极限作为静态电压稳定临界点正是最大功率法的基本原则。常用的最大功率判据有：任意负荷节点的有功功率判据，无功功率判据以及所有负荷节点的复功率之和最大判据。许多作者采用最大功率判据作为临界点判据。三．电压稳定性的研究⑵灵敏度分析方法灵敏度分析方法利用系统中某些量的变化关系来分析稳定问题。常见的灵敏度判据有，其中分别为节点和节点的电压和无功功率注入量，为电网输送给负荷节点的无功功率的总和与负荷需求的无功功率之差。三．电压稳定性的研究LLGLLGLdVdDQdQdQdQdVdEdV,,,GGLLQEQV,,,PQPVDQ把灵敏度判据推广到复杂系统中，则转化为对某种形式的雅可比矩阵的数学性质的判断。在简单系统中，各类灵敏度判据是相互等价的，且能准确反映系统输送功率的极限能力。但在推广到复杂系统后，则彼此不再总是一致，也不一定能反映系统的极限输送能力。三．电压稳定性的研究四．简单系统电压静态稳定性分析图4-1负荷点的电压崩溃过程四．简单系统电压静态稳定性分析在电力需求不断增加，受端系统不断扩大，负荷容量不断集中，而电源又远离负荷中心的情况下，当输电系统带重负荷时，会出现图4-1所示电压不可控制且连续下降的电压不稳定现象。图中示出110kv和6kv母线电压的崩溃过程。开始时母线电压自发下降，电动机制动。电压崩溃的基本特征是电压和有功功率数值减小，无功功率增大。图中电压崩溃后的振荡是由于同步电机的非同步运行引起的。电力系统的电压稳定性是电力系统维持负荷电压水平的能力。它与电力系统中的电源配置，网络结构及运行方式，负荷特性等因素有关。往往由于电力系统电压的扰动，线路阻抗突然增大，功率减小或负荷的增大而诱发电压的不稳定现象，导致电压崩溃，造成大面积停电。所以，电压稳定性是电力系统稳定性的一部分。确定电力系统电压稳定性条件是电力系统稳定性分析的重要内容之一。四．简单系统电压静态稳定性分析1.电压稳定性分析下面以“发电机-输电线-负荷”简单模型来说明静态电压稳定性。如图4-2，设电源点的电压为，经过阻抗的线路，对一功率为的负荷供电，这时负荷端的电压为。可写出供电功率方程式：（4-1）（4-2）四．简单系统电压静态稳定性分析010UlZjQP2Ucoscos2221llZUZUUPsinsin2221llZUZUUQ在给定的情况下，从二式中消去角，得（4-3）由式（4-3）可得（4-4）图4-2简单电力系统示意图四．简单系统电压静态稳定性分析0sin2cos2222212242lllZQPUQZPZUU22221222222sincoslllZUUZUQZUP如果给定送、受端的电压，则上式表示一个在坐标系（-垂直轴，-水平轴，以负荷吸收的功率为正值）上以为圆心，以为半径的一个圆。如果以为参变量，则可按上式得图4-3所示的一簇圆。每一个圆表示在给定受端电压为的条件下和的关系。图4-3电力系统圆图四．简单系统电压静态稳定性分析kipkkikiapQPPQsin,cos2222llZUQZUPlZUU212U2UPQ从图可知，在给定的情况下，负荷吸收的无功功率越小，受端的电压越高。增大时，为了维持输电容量和受端电压，必须增加受端系统的无功功率补偿容量。要维持较高电压时，甚至要向系统输入无功功率。这一簇圆的共同切线代表允许存在的运行方式的极限边界，在该切线的上侧是不可能存在的运行方式，切线的下侧是可以运行的区域。四．简单系统电压静态稳定性分析kipkk