影响电力系统电压稳定性的因素分析

影响电力系统电压稳定性的因素分析

姓名：王莉丽申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：牟道槐

20040425

重庆大学硕十学位论文中文摘要摘要现代化的电网正朝着大容量，高电压的方向发展。系统规模的日益扩大带来了巨大的经济和社会效益，但同时也使得电网的稳定性问题变得更加突出。功角稳定和电压稳定是电力系统稳定性问题的两个基本的方面。功角稳定，指的是系统中的发电机维持同步运行的能力，关于功角稳定的研究开始较早，理论较为成熟。但是电压稳定问题的研究起步较晚，开始于上世纪７０年代。电压不稳定之所以能成为一个的研究课题的原因之一是已出现了许多电压不稳定的事故，其中全然没有“功角不稳定”即将来临的迹象。电压崩溃的来临具有突然性，破坏巨大，有关电压稳定的研究受到了日益广泛的关注。本文首先分析了电压稳定性的机理。电力系统稳定问题的物理本质是系统中功率平衡问题。无功的缺额是电压失稳的本质原因。小扰动电压稳定的必要前提是系统电源的无功．电压静态特性和负荷的无功一电压静态特性必须有交点，并且与浚点无功与电压的微分率相关。大干扰的稳定性还依赖于电源与负荷的无功变化速度。电压稳定也称为负荷稳定，异步电动机不良的负荷特性被认为是造成电压失稳的主要原因。还有一种观点将电压失稳看作网络传输功率的，基于此观点的方法是采用静态的潮流仿真的方法来分析问题，这类方法较少考虑负荷的特性，虽然有局限性，但对从另一个角度认识电压稳定问题具有一定的意义。本文分析了同步发电机、静止无功补偿器、电容器等无功电源的特性。以及异步电动机负荷的无功．电压特性。同时还分析了传输线、变压器在传输无功功率方面的作用。研究影响小干扰电压稳定性和大干扰电压稳定性的因素。建立了电力系统各种元件的数学模型，使用ＭＡＴＬＡＢ中的仿真工具中的ＳＩＭＵＬＩＮＫ进行动态时域仿真。通过仿真结果的对比，分析了各种无功电源的补偿容量，响应速度以及不同方式的干扰，输电线的长度、负荷特性对电压稳定性的影响。从电源、负荷和网架结构三方面对电压稳定性的影响因素做了论述。最后提出一些提高电力系统电压稳定性的策略措施，对电力系统的规划、运行具有一定的参考价值。关键词：电压稳定性，无功补偿，小干扰电压稳定性，大干扰电压稳定性重庆大学硕上学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＡＢＳＴＲＡＣＴＭｏｄｅｍｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｉｎｔｏｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｌａｒｇｅｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｓｃａｌｅｂｒｉｎｇｓｍａｇｎｉｔｕｄｅｅｘｔｒａ—ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｎｅｔｗｏｒｋｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｓｏｃｉｅｔｙｂｅｎｅｆｉｔｓ，ｂｕｔｂｅｃｏｍｅｓｍｏｒｅｓｅｖｅｒｅ．ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｔｈｅｉｓｓｕｅｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙＲｏｔｏｒａｎｇｌｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｔｈｅｔｗｏａｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｎｅｔｗｏｒｋｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｒｏｔｏｒａｎｇｌｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｓｔｈｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｔｏｋｅｅｐｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ．．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅＯＵｒｏｔｏｒａｎｇｌｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｂｅｇａｎｅａｒｌｉｅｒ，ｗｈｉｃｈｔｈｅｏｒｙｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅ，ｗｈｉｌｅｔｈｅ７０’Ｓｏｆｔｈｅｌａｓｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｒｏｔｏｒｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｂｅｇａｎｌａｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｂｅｇａｎｉｎｃｅｎｔｕｒｙ．Ｔｈｅｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｂｅｃｏｍｉｎｇａｎｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｓｕｂｊｅｃｔａｎｇｌｅｉｓｔｈａｔｍａｎｙｖｏｌｔａｇｅｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｅｖｅｎｔｓｃａｍｅｆｏｒｔｈｗｉｔｈｏｕｔａｎｙｅｖｉｄｅｎｃｅｕｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｃｏｌｌａｐｓｅａｐｐｅａｒｓｓｕｄｄｅｎｌｙ，ａｎｄｔｈｅｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｅｑｕｅｎｔｉｓａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ．ｈｕｇｅ．ＮｏｗｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｓｃａｕｓｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｉｎｇＦｉｒｓｔｔｈｅｐａｐｅｒｅｓｓｅｎｃｅａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｓｓｕｅｉｓｔｈｅｐｏｗｅｒｂａｌａｎｃｅ．Ｔｈｅｌａｃｋｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｉｓｔｈｅｒｅａｓｏｎｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｕｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｅｍｉｓｅｏｆｔｈｅｓｍａｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｓｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔｏｎｔｈｅｒｅａｃｔｉｖｅ－ｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｔｏａｎｄｔｈｅｌｏａｄ，ａｎｄｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｉｖｅｒａｔｅｔｈｅｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅｌａｒｇｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｌｓｏｄｅｐｅｎｄｓｔｈｅｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｂｅｔｗｅｅｎｅｌｅｃｔｒｉｃｓｏｕｒｃｅａｎｄｔｈｅｌｏａｄ．Ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｓｂａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｌｓｏｒｅｇａｒｄｅｄｉｓｒｅｃｋｏｎｌｏａｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｏｆｔｈｅａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｔｈｅｍａｉｎｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｕｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｉｓａｎｏｔｈｅｒｐｏｉｎｔｗｈｉｃｈｄｅｅｍｓｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｉｓｔｈｅｓｔａｔｉｃｐｏｗｅｒｆｌｏｗｉｓｂａｓｅｄｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｖｏｌｔａｇｅｕｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｓｕｃｈｔｈｉｓｔｈｉｓｐｏｉｎｔｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｏｎｍｅｔｈｏｄｓｌｅｓｓｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｐｏｉｎｔ，ｉｔｉｓｌｏａｄ．Ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｒｅｉｓｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｍｅａｎｉｎｇｆｕｌｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｆｒｏｍａｎｏｔｈｅｒｐｏｉｎｔｏｆｖｉｅｗ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｏｍｅｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｌｉｋｅｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｓｔａｔｉｃｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ｓｈｕｎｔｃａｐａｃｉｔｏｒ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｌｏａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗｉｔｈｔｈｅａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ，ａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｎｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｍａｋｅｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｓｔｕｄｙｔｈｅｔｈｅｓｍａｌｌｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｌａｇｅｒｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ重庆人学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｂａｓｅｄｔｈｅｐａｐｅｒｄｏｍａｉｎｏｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｄｙｎａｍｉｃｔｉｍｅｔｈｅｓｏｆｔ，ｒａｒｅｏｆＳＩＭＵＬＩＮＫｉｎＭＡＴＬＡＢｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｐｒｏｃｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｂｙｔｈｅｓｏｕｒｃｅｃｏｎｔｒａｓｔｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｓｐｏｎｄｓｐｅｅｄ，ａｓｗｅｌｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ，ｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｄｉｓｃｕｓｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ，ｌｏａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｎｅｔｗｏｒｋ．Ａｔｌａｓｔｔｈｅｐａｐｅｒｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｓｏｍｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓｏｕｒｃｅ，ｌｏａｄ，ｔｈｅｆｒａｍｅｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓｔｒａｔｅｇｉｅｓａｎｄｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈｗｏｒｔｈｏｆｒｅｆｅｒｒｉｎｇｉｎｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ，Ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，Ｓｍａｌｌｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ，Ｌａｒｇｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ重庆犬学硕士学位论文１绪论１．１引言电力系统是一个规模庞大的动态系统，电力系统的安全经济运行对国民经济的发展有着重要的影响。将大范围的互连电力系统建设成为安全稳定、经济合理、控制灵活的现代化电网需要采用先进的调度和运行控制技术，使电网具有遭受干扰后从原有的状态过渡到一个新状态的能力，并且在新的稳定状态下，电能质量满足要求。现代化电网，由于系统互连在经济上越发具有吸引力，电网规模日益巨大，结构越来越复杂，使稳定问题的复杂性变得更加突出。电力系统稳定性一旦遭到破坏，必将造成巨大的经济损失和灾难性的后果。根据系统结构和运行模式的不同，电力系统不稳定性可以通过不同的方式表现出来。电力系统的稳定性分为两大类：①功角稳定性，即发电机保持同步的能力，由同步发电机的转矩平衡所决定②电压稳定性，即系统中的所有母线都持续保持可接受的电压的能力，由系统的无功功率平衡所决定。在实际系统中失稳的原因可能是其中之一，也可能两者皆有。有些事故下，功角失稳并不会发生电压失稳，但电压的持续衰落却会导致功角的失稳。功角稳定性的研究已非常成熟，采取的预防措施也已用于实践，并取得了良好的效果。相对于功角稳定性的研究，具有同样重要地位的电压稳定性的研究还相当薄弱。电压不稳定之所以能成为一个的研究课题的原因之一是己出现了许多“电压不稳定”研究的事例，其中全然没有“功角不稳定”即将来临的迹象，但却能够发展成为波及到广阔地域的电压崩溃。因此人们认识到电压稳定问题是电力系统中与发电机转子相对运动盼功角稳定问题不同的客观现象。电压稳定问题逐渐发展成为电力系统稳定问题的一个分支。１．２电力系统稳定性的基本概念功角稳定性与电压稳定性是电力系统稳定分析中的两个基本方面。ＩＥＥＥ报告通过两种极端的情况对功角稳定性和电压稳定性做出了区分【ｌＪ。ＩＥＥＥ报告中列出了如图１．１所示的两种极端情况１、远方的一台同步发电机通过输电线路接入无穷大系统（纯功角稳定性，单机无穷大母线问题），如图１．１（ａ）所示。２、一台同步发电机或一个无穷大系统通过输电线接有异步负荷（纯电压稳定性问题），如图ｌ一１（ｂ）所示。重庆人学硕十学位论文妒—哪⑨———＋］无穷太系统无穷大系统绪论同步发电机异步负荷（ａ）纯功角稳定性问题（ｂ）纯电压稳定性问题（ａ）Ｐｕｒｅａ１１９ｌｅｓｔａｂｉｌ．ｔｙ（ｂ）Ｐｕｒｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉ妙图１．１表示稳定问题极端情况的简单系统Ｆｉｇ．１．１Ｓ．蚰ｐｌｅｓｙｓｔｅｍｓｓｈｏｗｉｎｇｅｘｔｒｅｍｅｓｉｔｕａｔｉｏｎ在实际的系统中两种形式的不稳定问题会相互影响，有一定的联系。国际研究电压稳定问题的专家ＣａｒｓｏｎＷ．Ｔａｙｌｏｒ指出：“一般而言如果在远离负荷的输电系统某点电压发生崩溃，这是一个功角失稳问题；而如果在负荷区域某点电压发生崩溃，则可能主要是电压失稳问题。”１４Ｊ１．２．１功角稳定性传统上，稳定是一个维持同步运行的问题，即发电机转子相对运动的功角变化的稳定性。功角稳定性是电力系统中互连的同步电机保持同步的能力。１２１发电机的摇摆方程表示成两个一阶微分方程为：警２扣删－Ｄ（ｑ训】警吲旷‰）其中（１，）旺一同步发电机转子角速度Ｌ一发电机转子转动惯量标幺值巧一原动机机械转矩Ｌ？一发电机电磁转矩Ｄ一阻尼系数Ｊ一同步发电机转子功角钒～定子旋转磁场角度Ｌ也称为同步转矩分量。ｔ随６的正弦而变化，超过一定角度后，角度的增加使Ｌ减少。因此系统两机之问有一个最大的稳态传输功率。Ｄ（啡一％）是和转速偏差∞，一‰同相的转矩分量，称为阻尼转矩分量，也就是由于滑差的存在而使同步发电机产生的异步功率，是用来阻止发电机失步的。一Ｆ图为对应扰动为耳一耳＝０．１（ｐｕ）情况下，同步发电机转子功角变化的示意图。重庆大学硕士学位论文ｌ绪论图１．２扰动后发电机转子功角的变化Ｆｉｇ．１．２Ｔｈｅｒｏｔｏｒａｎｇｌｅｖａｒｉｅｓａｆｔｅｒｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ由图１．２可以看出，发电机转子功角经过一段时间的振荡后可以稳定在一个新的值。而如果扰动后同步转矩不足，则发电机转子功角会不断增加，引起互连发电机之间的失步。功角稳定性取决于每台同步电机同步转矩与阻尼转矩这两个分量的存在。缺乏足够的同步转矩会造成转子角非周期性的持续增加。另一方面缺乏足够的阻尼转矩会产生不衰减振荡。当一台同步机失去同步或将与系统的其它部分失步时，其转子磁场旋转速度将高于或低于定子磁场旋转的速度，这样产生的功角差将按功角特性关系把较慢电机所带的部分负荷转给较快的电机。若超过某一极限，角度差的增加将伴随传输功率的减少；从而进一步增加角度差而导致不稳定。定子旋转磁场（相应于系统频率）与转子磁场之间的滑差使电机的功率输出、电流、电压产生很大的波动。因而良好的系统运行的必要条件是所有发电机保持同步。１．２．２电压稳定性电力系统中的无功功率主要用来在电气设备中建立和维持电磁场，完成电磁能量的相互转换，为系统提供电压支撑，在电源与负荷之间提供电压降落所需的势能。无功功率不直接作为实际消耗的功率，但无功功率引起的能量交换将引起发电和输电设备上的电压降和损失。【３】从电压损耗的公式△ｕ：垡竺｛里塑可见，在电网结构Ｒ和ｘ确定的情况下，Ｕ电压损耗与输送的有功功率和无功功率有关。而在输送的有功功率一定的情况下，电压损耗主要取决于输送的无功功率。因此电力系统中无功功率的平衡与电压水平有着密切关系。系统的无功电源比较充足，就能满足较高电压下的无功功率平衡的需要，系统就有较高的电压运行水平。反之，无功功率不足，系统只能在较重庆大学硕＋学位论文１绪论低的电压水平下运行。电压不稳定的特点在于电压的逐步衰减，电压稳定性是电力系统在额定运行条件下和遭受扰动之后系统中所有的母线都持续地保持可接受的电压的能力。当有扰动如增加负荷或改变系统条件而造成渐进的、不可控制的电压降落，则系统进入电压不稳定状态。电压不稳定是一种局部的现象，然而局部的电压不稳定可能会发生连锁反应，造成整个系统发生电压崩溃【４Ｊ。电压不稳定是于功角不稳定而存在的一种客观现象１５Ｊ。例如由一台同步发电机向一台感应电动机负荷通过一条输电线供电的系统，当扰动造成负荷母线电压下降时，异步电动机消耗无功功率先开始下降，一旦电压低于临界电压以下，则异步电动机消耗的无功功率会大幅度增加，使负荷母线电压发生不可逆转的下降，低电压下异步电动机不良的无功电压特性造成电压崩溃。这种情况下保持同步不成为问题，所关心的问题是电压的稳定和控制。在电网电压下降初期异步电动机随电压降低而暂时减小，而后又逐渐增加的特性对电压稳定性有着重要的影响，电力系统中大约５０％～８０％是异步电动机，所以异步电动机的特性很明显会对电压稳定性产生极大影响。对于一个互连系统来讲，在电压衰落期间，系统和负荷中的许多自动和手动的控制装置或控制手段都会起作用。稳定问题是一个动态的平衡问题，电力系统各种元件的动态特性对电压崩溃的进程有着重要的影响。发电机、有载调压变压器，并联电容器，以及负荷都会对电压的变化作出响应。有些响应对系统电压的恢复是有利的，但有些元件的响应会恶化系统的电压情况。例如电容器在电压下降后输出的无功功率和电压平方成正比，大量并联电容器的使用使系统在电压稳定问题上显得更加脆弱。元件采用的控制方式和控制手段对电压稳定性也十分重要。有些负荷采用的控制方法使负荷对系统电压的变化不作出反应，保持恒功率的输出，会恶化系统的电压情况；在系统的紧急情况下（缺乏大量的无功），有载调压变压器以恢复低压侧电压为调节目标，对输电系统电压恢复产生不利的影响，甚至是在系统电压接近危险点的时候，成为推动系统电压降落而演变为电压崩溃的原因。电力工业的发展，电源和负荷分离的情况越来越严重，电压稳定性的研究变的更加重要。如何合理的使用各种无功补偿装置，为系统提供强有利的电压支撑，充分利用输电线的容量，解除电压稳定性的，成为电力系统日益关切的问题。１．３电压稳定控制的重要意义电力系统电压崩溃问题早在本世纪４０年代俄罗斯学者马尔柯维奇就已提出，但由于当时电力系统的机组容量、网络规模、电压等级及其输电距离有限，只到７０年代对这一‘领域的研究才丌始有所进展。４重庆大学硕士学位论文绪论电压稳定问题性趋于严重的原因主要有以下３点：①由于环境保护以及经济上的考虑，发、输电设施使用的强度日益接近其极限值，电源和负荷分离的情况日趋严重。②大量采用并联电容器组进行补偿，这种补偿方式在电压降低时，向系统发出的无功功率按电压平方下降。③有载调压变压器的大量使用，有载调压变压器以恢复低压侧的电压为调节目的，加重了输电侧的无功需求。与弱交流系统相连的高压直流输电系统被认为是引起电压不稳定的另一个因素。高压直流（ＨＶＤＣ）输电由于没有交流输电那样的功角稳定问题，功率调节快速以及运行可靠等优点，非常适合于大功率、远距离输电和两个电力系统的互联。因此在国内外，直流输电线路不断增加，但是与交流系统连接的高压直流端给电力系统带来了不利的负荷特性。当ＨＶＤＣ为负荷地区提供电力时，换流站消耗的无功功率约为直流有功功率的５０～６０％，这使得与直流端相连的交流端的电压稳定性问题变得很突出。１６Ｊ７０年代以来世界上一些大电网连续发生以电压崩溃为特征的电网瓦解事故，导致大面积长时间停电。我国湖北电网在１９７２年７月２７日武汉和黄石地区的电压崩溃事故，使受端系统全部瓦解。１９８７年７月２３日发生在同本东京的一起电压崩溃的事故［４】，说明了功角稳定与电压稳定是两个不同的问题。当日天气很热，中午时分负荷以４００ＭＷ／ｍｉｎ的速度增长，所有电容投入运行但仍不能支撑电压，５００ｋＶ母线电压跌至４６０ｋＶ，４小时后电压崩溃，电压跌至３７０ｋＶ，８１６８ＭＷ的负荷被切除，空调的负荷特性被认为是主要原因，在这次事故中功角稳定几乎没有受到影响。表１．１列出部分电力系统电压失稳事件。表１．１电压失稳事件日期地美国佛罗里达＝Ｊ．｜－『南部美国田纳两州两部瑞典美国佛罗里达州美国佛罗里达州美国佛罗里达州美国佛罗里达州口２Ｅ尔尿点时间范同暂态１秒暂态４秒暂态１０秒Ｋ划５５秒长期１．３ｍｉｎ氏刺１．３ｍｉｎ艮划１．３ｍｉｎ长期１．３ｍｉｎＫ划２０ｍｉｎ民期３０ｍｉｎ１９８６年４月１３日１９８５年５月１７日１９８７年８月２２日１９８３年１２月２７日１９８２年９月２日１９８２年１１月２６日１９８２年１２月２８日１９８２年１２月３０日１９８７年７月２３日１９７８年１２月１９日加拿大稳尼伯地区纳尔逊河ＨＶＤＣ系统法国重庆大学硕二｝学位论文１绪论２００３年８月１４日美国和加拿大发生了有史以来最大规模的停电事故。事故共计损失负荷６１８００ＭＷ，受停电影响人数５０００万。事故发生后每日的直接经济损失为３００亿美元。事故原因的初步判定为由于潮流的大规模转移造成的电压崩溃。在事故发生前，有些节点出现了电压不稳定的迹象。［７１＿帆…”…●１．－………ｐＭ……ｐ∞ｎ帅啪”。１０螂∞＂ｒｔｍｐｏ州￥１１图１．３纽约市中心地区某低压变电站电压录波Ｆｉｇ．１．３ＴｈｅｒｅｃｏｒｄｅｒｆｏｒｖｏｌｔａｇｅｗａｖｅｏｆａｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆＮｅｗＹｏｒｋ图１．３是关于８．１４美加大停电事故发生时，纽约某变电站的录波仪记录的电压波形，从图中可以看出局部系统已经出现电压崩溃的迹象。众多电压崩溃事故的发生，引起了人们对大区域互联系统中维持较好的电压分布的注意，对包括可控补偿在内的各种电压支撑手段作认真的考虑。既然电压的失稳不一定包含大的或越来越大的角度偏离，那么电压不稳定性应该不同于功角不稳定性。提高电力系统的电压稳定性的措施也应该不同于功角稳定性。当前电力系统规划和运行产生了新种类的稳定性问题，由于经济及环境方面的考虑，输电线路过多的运行在接近暂态稳定极限。负荷跟电源分离的情况逐渐增多，以及越来越复杂的负荷组成和特性，使电压稳定问题变得更加突出。研究电力系统的电压稳定性和防范电压崩溃事故发生已成为当今电力系统发展需要研究的重要课题之一。１．４电压稳定性问题的研究现状电压稳定性问题的研究工作是电力系统研究中发展得较晚的一个分支。早期文献一般认为，功角稳定研究发电机在各种情况下的同步运行问题，而电力系统无力满足负荷的无功需求产生电压稳定问题，通常情况下，电压稳定问题是系统中的无功不足造成的。电力系统作为一个典型的动态系统，电压稳定性研究的主要问题为：①电力系统稳念平衡点存在的可能性霞庆大学硕士学位论文绪论②小干扰电压稳定性③大干扰电压稳定性和电压失稳过程④电压稳定性概率分析就电压稳定性问题的研究现状而言，对电压失稳的机理仍缺乏统一的认识，因此对电压稳定的定义方法也多种多样。国际大电网会议（ＣＩＧＲＥＴＦ３８．０２．１０）于１９９３年提出有关电压稳定性的定义１８Ｊ，与一般线性和非线性动态系统的稳定性定义相类似，ＣＩＧＲＥ把电压稳定性研究分为静态电压稳定和动态电压稳定，有进一步将动态电压稳定分为小扰动电压稳定、暂态电压稳定和长期电压稳定。ＣＩＧＲＥ对电压稳定性小扰动电压稳定性电压失稳和电压崩溃的定义分述如下：电压稳定性：电力系统在给定运行状态下，受到一个给定扰动后，负荷电压达到扰动后平衡点的电压值，此时系统扰动后的状态位于系统扰动后稳定平衡点的吸引域内。小扰动电压稳定性：电力系统在给定运行状态下受到一个小扰动后，负荷节点的电压值等于或接近于扰动前平衡点的电压值。电压失稳：系统缺乏无功功率而导致渐进的电压降低或上升。电压崩溃是扰动后平衡点电压低于可接受的极限。文献【９】从物理起因上定义了电压不稳定性，即定义电压不稳定性起源于当所要恢复的电力需求（消费）超出了发、输电系统的能力；并认为“崩溃”一词表示一种突然的灾难性的转移，它比通常考虑的电压不稳定性演变得更快。目前针对电压稳定问题的研究方法可以概括为两大类，一种是基于潮流方程的静态分析方法，一种是基于微分方程的动态分析的方法。静态研究方法的主要数学模型是潮流方程或经过修改的潮流方程。其本质上是把电力网络的潮流极限作为静态电压稳定极限，不同之处在于采用不同的方法求取临界点以及抓住极限运行状态的不同特征作为电压稳定极限的判据【ｌｏＪ。由于静态的分析技术比较成熟，易于给出电压稳定裕度指标和其对状态变量的灵敏度信息，从而便于对系统的膝控和优化调整。潮流仿真尤其适合于分析电力系统多数负荷不是电动机时的电压稳定性。最常使用的静态分析法是Ｐ．Ｖ和Ｑ．Ｖ曲线。通常这种曲线是由采用常规模型的大量潮流计算产生的。Ｐ．Ｖ曲线是在维持经济调度或所研究的发电模式下，用增加传输功率或负荷功率来产生的。Ｑ．ｖ曲线表示关键（测试）母线电压同该母线无功功率之问的关系。假设测试母线有一台虚拟的同步调相机，在潮流计算程序中该母线不受无功，作为ＰＶ节点。这样在潮流计算中将同步调相机的端电压设为一系列的值，重庆人学硕士学位论文１绪论然后将其无功输出与电压值对应的点相连即得到Ｑ—ｖ曲线。过去电力工业主要依靠常规的潮流程序进行电压稳定性的静态分析。由计算选定的负荷母线的ｐ．ｖ和Ｑ．ｖ衄线来确定稳定性。ｐ．ｖ曲线和Ｑ．Ｖ曲线只能用来分析单个节点的电压稳定性，而实际系统中电压稳定与否是与系统的运行模式密切相关的。灵敏度分析用于分析系统变量有微小增量时的情况。在潮流计算的输出项中可以通过计算灵敏度来分析系统的电压稳定性。为计算灵敏度指标需要求解多种运行方式。例如通过增加负荷节点的无功负荷，计算负荷节点的电压或其它节点无功功率相对于负荷节点无功功率的变化量。通常关心发电机的无功灵敏度，对于发电机灵敏度来讲，灵敏度值越小，则系统越稳定。随着稳定度降低，灵敏度的幅值增大，当达到稳定极限时，灵敏度为无限大；不同系统运行条件下的灵敏度幅值不能作为相对稳定程度的直接量度。在静态分析方法中另一种典型的分析方法是潮流多解法。潮流多解法是以一对相关邻近潮流解之间的距离来判断电压稳定性。潮流方程解的个数随负荷水平的加重而成对减少，当系统的负荷增加到临近静稳极限时，潮流方程只存２个解，潮流雅可比矩阵也接近奇异，这２个解关于临界点对称。在重负荷情况下，如果某种干扰使系统由高电压解转移至低电压解，将发生电压崩溃，但在接近临界点时常规潮流仍存在收敛困难问题。因此这２个对应电压解的求取需要采取一定措旌，给出严格的初值范围。【ｌ”多解的研究为近似计算系统的极限运行状态提供了一种简便方法，多解的个数及多解之间的距离反映了系统接近极限运行状态的程度。［１２１随着研究的不断深入，电压稳定问题的动态本质引起了人们的重视，人们逐渐认识到要从根本上解释电压失稳机理必须建立电力系统的动态模型，用各种动态的分析方法来研究电压崩溃现象的物理本质。目前电压稳定性分析的动态方法主要有小干扰分析法、动态的时域仿真法等几种。小干扰分析法是将描述电力系统动态行为的非线性微分．代数方程组在运行点处线性化，形成状态方程，通过研究线性化系统来判断系统的稳定性特征的方法。小干扰分析法在电压稳定性研究中已得到广泛应用，它主要也是用来检验机理解释的合理性，分析动态元件在小扰动下对电压稳定性的影响等。电压稳定性的时域仿真分析，对于分析大扰动作用下的电压稳定性问题，是一种较好的方法。可以揭示电压稳定性机理特别是深入考察元件动态特性对电压崩溃过程的影响，为分析电压崩溃的机理提供可靠信息，同时可以体现出防止电压失稳的预防及校正措施的效果。一般电力系统模型可以用微分和代数方程组描述，电压稳定性的时域仿真分析中，最为关键的仍然是适合于暂态电压稳定性研究的元件特别是综合负荷的动重庆大学硕士学位论文１绪论态模型问题。仿真结果的误差是由仿真所用模型的准确性决定，目前发电机组和输电网络的模型已相当成熟，而电力系统的负荷模型仍相当简单。负荷模型的粗糙已经成为制约仿真结果正确性的重要因素。分岔理论是进行电力系统稳定分析的一种新的理论，它能研究传统的电力系统稳定分析方法所未涉及的一类新问题。分岔理论广泛应用于描述随参数变化的动态系统的轨迹结构的性质和变化。电力系统是强非线性系统，因此鞍强分岔、Ｈｏｐｆ分愈都描述了系统的动态特性。【ｌ３ｊ利用分岔理论来研究这些新问题，将拓宽电力系统稳定分析的领域，并为该领域提供新的内容和新的途径。分岔分析方法已被许多文章应用于电压稳定问题的分析。电压稳定问题的研究方法还有潮流方程的可行解域的研究、灾变理论、能量函数法和考虑负荷自然扰动的概率分析等方法，这些方法采用新的数学方法来分析电压稳定性，均处于摸索阶段。尽管电压稳定静态分析方法从原理上讲并不严密，所得结果也难以令人信服，但却计算简单，且不需要难以准确获得的负荷动态特性。与此相对应的电压稳定动态分析方法，不仅面Ｉ临着负荷动态建模的困难，而且在研究实际大规模系统时还存在着数值计算上的困难。因此人们对电压稳定静态分析方法仍持积极的态度，并努力寻求潮流雅可比矩阵的性质与系统电压稳定性之间的关系。并在积极的探索将电力系统动态分析方法和静态分析方法结合起来的电压稳定的分析方法功角稳定性问题成熟的标志之一是功角摇摆动态方程，借助该方程和网络方程，既可以把与功角稳定相关的问题和现象进行定性的讨论，明白其基本道理，也可以进行深入严密的定量分析。只有当电压稳定研究找到类似于功角摇摆方程的负荷动态方程，电压稳定研究才可以从机理等基本问题研究阶段进入深入细致的定量研究阶段，工程应用才有了坚实的基础。１．５本文研究的内容和目的随着发电厂容量及单台机组容量的增大，输电距离的增长，各区域网之间的相互联系较弱，电力系统的电压稳定性问题日趋严重。本文研究的内容和目的主要为：①对电压稳定性问题的机理作基本分析。②着重分析电力系统元件的特性，以及对电压变化的响应，分析不同元件的控制方法对电压稳定性的影响。③建立电力系统元件的数学模型，使用ＭＡＴＬＡＢ数学软件中的仿真工具进行数值仿真计算，分析各种影响电压稳定性的因素，包括各种无功电源的补偿特性、异步电动机的负荷特性、故障性质、网络结构。深入讨论电源、负荷和网架结构９重庆大学硕十学位论文１绪论三方面对电压稳定性的影响。④最后提出提高电力系统电压稳定的策略措施，对电力系统的规划、运行具有一定的参考价值。重庆人学硕士学位论文２电压稳定性破坏的机理分析２电压稳定性破坏的机理分析２．１电压崩溃的起因电力系统稳定问题的物理本质是系统中功率平衡问题，电力系统运行的前提是必须存在一个平衡点。电力系统的稳定问题，直观的讲也就是负荷母线上的节点功率平衡问题。有功功率如此，无功功率也如此。当节点提供的无功功率与负荷消耗的无功功率之间能够达成此种平衡，且平衡点具有抑制扰动而维持负荷母线电压的能力，电力系统即是电压稳定的，反之倘若系统无法维持这种平衡，就会引起系统电压的不断下降，并最终导致电压崩溃。当有扰动发生的时候，会造成节点功率的不平衡，任何一个节点的功率不平衡将导致节点电压的相位和幅值发生改变。各节点电压和相位运动的结果若是能稳定在一个系统可以接受的新的状态，则系统是稳定的，若节点的电压和相角在扰动过后无法控制的发生不断的改变，则系统进入失稳状态。电力系统的电压稳定和系统的无功功率平衡有关，电压崩溃的根本原因是由于无功缺额造成的，扰动发生后，系统电压无法控制的持续下降，电力系统进入电压失稳状态。无论是来自动念元件的扰动还是来自网络部分的扰动，所破坏的平衡均归结为动态元件的物理平衡。电力系统的动力学行为仅受其动态元件的动力学行为及其相互关系的制约。引起电压崩溃的主要原因可以归纳为：①短期动态扰动后失去平衡点。②缺乏把系统拉回到事故后短期动态的稳定平衡点的能力。③扰动后平衡点发生振荡。④长期动态引起的短期失稳。电压崩溃的特征可以归纳如下：①起始事件可能由不同的原因引起：小的逐渐的系统变化，如系统负荷的自然增长；或大的突然扰动，如失去发电机组或重负荷线路。有时，看上去不大的仞始扰动可能导致相继事件，最终引起系统崩溃。②问题的核心是系统不能满足其无功的需求。当从相邻地区输入无功困难时，任何需要额外无功支持的变化都可能导致电压崩溃。③电压崩溃通常表现为电压缓慢衰减。这是有许多设备、控制装置及保护系统的动作和相互作用的积累结果。［１４－１８１重庆火学硕十学位论文２电压稳定性破坏的机理分析２．２电压稳定性的分类将电压稳定性问题适当分类，对电压稳定性的分析，造成不稳定基本因素的识别，以及提出改善稳定运行的方法等都是有利的。①按扰动的规模来讲按扰动的规模来讲电压稳定问题可以分为小扰动电压稳定性，大扰动电压稳定性。１）小扰动电压稳定性是在如系统负荷逐渐增长，送到负荷节点的功率的微小变化之下系统控制电压的能力。小扰动下系统能够稳定运行意味着系统本身能够不断调整以适应变化的情况，系统控制系统有能力在小扰动后令人满意地运行，保证系统发出的无功等于消耗的无功，在出现最大负荷时能成功地供电。这种形式的稳定性由负荷特性、连续作用的控制及给定瞬间的离散控制作用所确定。系统对小扰动的响应特性取决于初始运行条件、输电系统强度以及所用的发电机的励磁控制等因素。依靠负荷和电源自身固有的调节能力，使扰动前后的电压值相同或者相近。２）大扰动电压稳定性是关于在发生诸如系统故障后，系统控制电压的能力。这些扰动包括输电线上短路、失去一台大发电机或负荷，或者失去两个子系统问的输电线。系统对大扰动的响应涉及大量的设备。例如短路发生在关键元件上随后被继电器动作隔离，这将造成功率传送，电机转速和母线电压的变化；电压变化将使发电机和输电系统的电压调节器动作；转速变化将使调速器动作；输电线上负荷的变化可引起发电控制的响应；而电压和频率的变化则取决于各负荷的特性从而对系统的负荷产生不同程度的影响。此外，用来保护单个元件的装置对系统变量变化的响应也影响系统的特性。②按照失稳事故的时问场景电压稳定问题可以分为１）暂念电压稳定性，稳定破坏的时间框架从０到大约ｌＯ秒，这也是暂态功角稳定性的时间框架。在这类电压不稳定中，电压失稳和功角失稳之间的区别并不总是清晰的，也许两种现象同时存在。这类电压崩溃是由诸如感应电动机，和直流换流设备等不良的快速反应负荷元件造成的。对于严重的电压下降感应电动机可能失速，吸收无功功率急剧增加，进而将引起其临近的其它感应电动机失速。除非尽快切除该类负荷，否则会导致电压崩溃。另外并联电容器的特性（输出功率与端电压的平方成正比会加重此类问题。２）中期电压稳定性，稳定破坏的时间框架通常为３０秒到５０秒，典型者为２到３分。发生此类电压失稳事故时电力系统一般处于高负荷水平，且从远方电源送入大量功率，当重载条件下运行的系统受到突然的大扰动后，由于电压敏感性负荷的作用，系统能够暂时保持稳定。但扰动后网络无功损耗大量增加，引起负重庆人学硕十学位论文２电压稳定性破坏的机理分析荷区域电压下降，当自动调节分接头的变压器和配电电压调节器动作，而恢复末端变压器负荷侧电压，从而恢复负荷功率时，网络传输电流进一步增大加剧输电网络中电压的下降。同时送端发电机可能因过励磁而只发送有功，甚至由于发电机长时间过电流而被切除。这样含电源在内的输电网络已经不可能提供足够的无功功率，以支持负荷消耗与网络无功损耗的需要，就会最终导致电压崩溃对于这类电压崩溃事故，运行人员来不及干预，自动调节分接头的变压器及配电电压调节器，发电机过励等因素在此过程中起重要作用。应当指出的是，在这一过程中自动调节分接头的变压器的作用是抑制或加剧电压崩溃的进程，与负荷特性分接头位置及系统无功储备有关。３）长期电压不稳定性，这种场景的电压崩溃发展过程经历一个相当长的时间，其过程可大致描述如下：负荷过速增长，导致主要负荷母线电压单调下降。几分钟内由于自动调节分接头的变压器及调度干预等作用，电压的下降得到遏止后，一方面自动调节分接头的变压器使网上负荷得到恢复，另一方面负荷继续快速增加，电源的增加或当地无功补偿增加，跟不上负荷增长速度的需要，电压下降进一步恶化，最终导致部分地区电压崩溃，系统瓦解，造成大面积停电。在长期电压不稳定事故中，往往没有直接的扰动。其原因是本来已经薄弱的严重过载的结构，不合理的网络中的负荷恢复和快速增长造成的。２．３小扰动电压稳定性的机理分析电力系统在给定的稳态运行点遭受任意小的扰动后，如果负荷节点的电压与扰动前的电压值相同或者相近，则称系统在给定运行点为小干扰电压稳定（小干扰电压稳定性对应于线性化动态方程所有特征值的实部为负），此时系统扰动后的状态位于系统扰动后的吸引域内。从负荷节点可将系统分为两部分，一部分可以看为电源系统，则另一部分看为负荷。小扰动电压稳定性的前提是扰动后的系统电源的无功一电压静态特性和负荷的无功一电压静态特性必须有交点，并且在该点具有维持电压不变或有微小变化的能力。如图２．１所示，ＱＬ是负荷的无功一电压静态特性曲线，近似为一条丌口向上的曲线。ＱＧ是电源的无功．电压静态特性曲线，近似为一条开口向下的曲线。稳定运行状态下，电力系统发出的无功功率等于消耗的无功功率。因此电力系统运行于电源的无功一电压特性与负荷的无功一电压静态特性的交点。两条曲线有Ａ、Ｂ两个交点，分析这两点的情况。记系统无功欠量为△ＱｔＱ—ｇＧ，当运行在Ａ点时，出现一小扰动使ｕ微小下降，因△Ｕ＜Ｏ使△Ｑ＞Ｏ，系统无功不足，电压无休止下降；反之，当出现一小扰动使ｕ微小上升，ＡＵ＞Ｏ使ＡＱ＜ｏ，系统无功过剩，电重庆大学硕士学位论文２电压稳定性破坏的机理分析压无休止上升，因此Ａ点为不稳定运行点。当运行在Ｂ点时，出现－－ｄ，扰动使ｕ微小下降，因ＡＵ＜０使△Ｑ＜０，系统无功过剩，电压上升，返回至原工作点：反之，当出现一小扰动使Ｕ微小上升，因△Ｕ＞０使△Ｑ＞０，系统无功不足，电压下降，返回至原工作点，因此Ｂ点为稳定运行点。Ｑ图２．１电力系统稳态运行电压点的确定Ｆｉｇ．２．１Ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓｉｎｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ由此得出的小干扰电压稳定性由无功欠量对电压的导数确定，其判据为：ｄ△Ｑ／ｄＵ＞０，稳定；ｄ△Ｑ／ｄＵ＜０，不稳定。在平衡点Ｂ附近发生小的干扰，如节点电压的微小上升或下降，经过一段时间的运动，都会回到原始的运行点，运行点Ｂ具有抑制节点电压微小变化的能力。若扰动为负荷无功功率的微小增加，或电源系统输入无功功率的微小下降，如负荷ＱＬ增长，Ｑ厂Ｕ曲线向上移动；节点输入无功功率ＱＧ下降，ＱＧ—Ｕ向下移动。只要扰动后Ｑ厂Ｕ曲线和ＱＧ—ｕ曲线有交点，并且在新的运行点满足判据为：ｄＡＱ／ｄＵ＞０，则系统运行于新的稳定状态下，满足小扰动电压稳定性的要求。２．４大扰动电压稳定性的机理分析小扰动电压稳定性是系统在受到扰动后是否存在平衡点的问题，对于大扰动电压稳定性而言，扰动后的系统存在平衡点是其必要条件，但不是充分条件，系统是否能够恢复到平衡点，还依赖于系统中各元件无功功率的变化速度。当电源自动调节的速率愈快时，对大干扰的稳定性愈有利。在稳定性的评价中所关心的问题是电力系统遭受暂态扰动后的行为。电力系统在给定的稳态运行点遭受一定的扰动后，如果故障后平衡点超出系统运行范围，系统没有能力保持在一个静态稳定的运行点，也就是扰动后由于负荷ＱＬ增长，ＱＬ—ｕ向上移动，或电源ＱＧ下降Ｑｏ—＿Ｕ向下移动，使ＱＬ—ｕ完全在ＱＧ—ｕ上方，两者无交点，表示在任意电压下均有负荷吸收的无功大于电源发出的无功。１４照庆人学硕十’学位论文２电压稳定性破坏的机理分析系统失去发电机或回路的事故之后控制电压的能力，因此电压崩溃，电压稳定性破坏。存在静态的稳定运行解是大扰动后系统稳定的必要条件。如何达到静态的平衡点则跟电力系统各／÷件的动态特性有关。大扰动的电压稳定性涉及系统巾的大景设备，但在任何给定条件下，只有有限数量没备的响应是至关重要的。为确定稳定性所必须考虑的装置、过程和时问范围对大扰动电压稳定问题的研究至关重要。时间（ｓ）图２．２电力系统设备的时问响应｜４Ｆｉｇ．２．２Ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ图２．２表示出影响电压稳定性的多种系统元件和控制装置的时间响应特性。由图可知，对于系统发生的特定时问或情景，只有某些元件和控制起作用。系统特性和扰动类型决定系统发生现象的性质。［１９－２０］。这些特性对大ｒ扰情况下系统的电压稳定性的影响卜分重要。有些元件的响应对系统电压的恢复有利，有助于电力系统建立新的稳定运行点，而有些元件的控制方法却可能会不利于新的稳定运行点的建立，导致系统电压崩溃，所有可能形成正反馈机制，导致电压不断下降的凶素都与电压失稳相关。随着研究的小断深入，电压稳定问题的动态本质引起了人们的重视。所有电力系统的元件中，负荷的动态特性是最复杂的，但却是和电压稳定性联系最紧密的。目前电压稳定研究中受到重视的负荷动念特性有以下２个力而：ａ．随着负荷母线电压卜降，负荷从系统吸收的无功功率反而增加的特性会恶化系统的区域无功平衡状况，形成导致电压Ｆ降的『Ｆ反馈机制。ｂ．动态负倚有功功率恢复特性，就是动态负荷为实现输入／输出的有功功重庆大学硕士学位论文２电压稳定性破坏的机理分析率平衡而自动调整导纳的内在特性。即在电压下降以后，各类负荷的有功功率和无功功率会以或快或慢的速度恢复到一定的水平。极端情况下，甚至完全恢复到电压下降以前的水平。功率恢复的速度差别很大，如某些带有电力电子装置的设备的功率恢复速度可以在毫秒级，而温控设备则可能是分钟级的。恢复特性会产生两种影响。对于系统送端来说，当系统无功不足时，负荷恢复特性会引起系统电压下降，发电机无功功率越限，从而进一步加剧系统无功不足的状况。而对于受端来说，当系统无功不足时，负荷恢复特性会引起负荷电压下降，甚至引起负荷失稳。功率恢复可能恶化系统功率传输的紧张状况，与网络特性一起形成导致下降的正反馈机制。文献【２１］提出了一种电压稳定的机理解释，把电压失稳归之为负荷为维持有功功率平衡而自动调节其等效导纳的特性和网络输送能力的有限性。负荷是电力系统中最活跃的因素，负荷组成复杂，控制特性也变的日益复杂。目前发电机组和输电网络的模型己相当成熟，比较而言，电力负荷模型仍相当简单，往往从基本物理概念出发，采用理想化的模型，如：恒功率、恒阻抗、恒电流或三者的组合。负荷模型的过分粗糙已成为制约电力系统仿真计算精度的关键因素。２．５小结电力系统稳定问题的物理本质是系统中功率平衡问题。节点的无功功率不平衡造成节点电压的变化。小扰动电压稳定的必要前提是系统电源的无功一电压静态特性和负荷的无功．电压静态特性必须有交点，并且与该点无功与电压的微分率相关。电源的无功一电压静态特性和负荷的无功一电压静态特性必须有交点是大干扰的稳定性存在的前提，系统最后能否恢复稳定还依赖于电源与负荷的无功变化速度。６重庆大学硕士学位论文３电力系统元件的无功－电压特性及其对电压稳定性的影响３电力系统元件的无功．电压特－｜生及其对电压稳定。｜生的影响３．１引言电力系统是一个规模庞大的人造动态系统，电力系统的发电机通过高负荷水平的输电线路相连，不同的发电机可能相距数千公里，对任何时刻而言，电力系统的发电功率必须和负荷功率相匹配。电力系统稳定问题的物理本质是系统中功率平衡问题。电力系统中发电机、输电线路、各种补偿元件和负荷元件的无功一电压特性，对电力系统在扰动过后能否维持电压稳定性至关重要。分析电力系统中各元件的无功一电压特性是电压稳定性研究的基础。３．２同步发电机的无功一电压特性及其对电压稳定性的影响同步发电机及其控制系统是电力系统中最复杂的元件。同步发电机是电力系统中最主要的无功电源。同步发电机在扰动中的响应特性，对扰动后的系统能否恢复稳定运行非常重要。稳定状态下，电力系统元件的无功与电压的关系称为电力系统元件的无功一电压静态特性。【３０】同步发电机的无功一电压特性由自动调节励磁装置整定，而非发电机本身的固有特性。发电机通过自动电压调节器（ＡＶＲ）进行励磁控制。为此首先测量发电机的端电压，并将之与Ｕ００比较，然后根据偏差信号控制励磁机的输出，即发电机的励磁电压。励磁装置将发电机的端电压（Ｕｏ）和输出的无功电流分量（Ｉ。）之间的静态关系整定为一条直线，如图３．１所示。图３．１同步发电机的Ｕｃ，－１。特性Ｆｉｇ．３．１ＴｈｅＵＧ·ｌｑｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ其表达式为Ｕ。＝％。一瓯Ｌ式中，ｕＧｏ一空载电压，或参考电压由二次调整给定（３．１）重庆大学硕＋学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响６ｕ一调差系数，（Ｓｕ＝ｔｇｅ。将（３．１）式两端同乘以ＵＧ，得既＝学一譬（３－２）式（３．２）就是同步发电机的无功．电压特性。图３．２所示为同步发电机的无功一电压静态特性曲线，图中取ＵＧｏ＝１．０５，５ｕ＝Ｏ．０５。ＵＧｏ由运行人员或上级自动化系统实施二次调整改变。同步发电机既可产生也可吸收无功功率，通过改变发电机转子磁场的激磁大小，就可以改变其输出无功功率。当ｕＧ０＞ｕＧ时，发电机过激磁，输出无功功率（迟相运行）；当Ｕｃ，ｏ＜ＵＧ时，发电机欠激磁，发电机吸收无功功率（进相运行）。由图３．２可以看出，当ＵＧ＝０．５ＵＧｏ时候，发电机的无功输出达到最大值。图３．２同步发电机的无功电压静态特性Ｆｉｇ．３．２Ｔｈｅｓｔａｔｉｃｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ发电机容量很大时，图３．１中用有名值表达的端电压对应的曲线将相当的平坦。这表明对于端电压发生小的变化，发电机的无功功率应有大的变化。这样发电机使端电压近似的维持不变。以防止电力系统发生电压崩溃。特性曲线的斜率的整定对于其与其他无功电源之间的协调非常重要。在电力系统遭受扰动后，大的斜率整定值会降低发电机的响应量，也就表明发电机没有使端电压近似的维持不变的能力。则系统发生电压崩溃的概率将很大。电力系统遭受扰动后，导致电力系统电压失稳的扰动涉及到发电功率和负荷功率之间的不匹配，从而引起发电系统的潮流和无功损耗的重新分配。发电机的无功容量对电压稳定的研究非常重要。同步发电机的额定容量为在规定的电压和功率因数下的最大的ＭＶＡ输出，在这样的条件下发电机可以连续运行而不发热。实际运行中，同步发电机无功输出容量的极限要考虑三个因素【４Ｊ：重庆人学硕士学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响１）定子电流极限２）转子电流３）端部热极限。定子电流产生月，２功率损耗，会使定予的温度上升，因此对发电机额定值的之一是定子电流不能超过热极限所能载有的最大电流如公式（３．３）所示，以自身容量为基准的同步发电机的标幺值的复数功率为Ｓ＝Ｐ＋ＪＱ＝ＵＧ％＝Ｕｃｌａ（ＣＯＳ＋ｊｓｉｎＯ）（３．３）ＩＧ一发电机定子电流≯一功率因数角因此在ｐ－Ｏ平面上定子电流的极限是一个以原点为圆心，以额定ＭＶＡ为半径的圆。转子电流在转子绕组上产生Ｒ。Ｉ。２的功率损耗，使转子绕组的温度上升，对转子电流的是发电机出力的第二个。在稳态的情况下同步发电机的有功和无功输出如公式（３．４），（３．５）所示Ｐ＝％，Ｇｃｏｓ＃＝等Ｕ６Ｉ∥ｓｉｎ８（３．４）Ｑ＿Ｕｓ乇ｓｉｎ萨专％Ｉｆａｃｏｓ一等占一发电机功角』。一发电机转子电流（３．ｓ）ｋ一发电机定子和转子之间的互感ｘ。一发电机直轴同步电抗对于一个给定的转子电流，有功和无功功率的关系是～个在Ｑ轴上以一二｝为五ｄ圆心以等％％为半径的圆。同步电机运行的第三个是在进相运行时，定子端部发热而产生的，此时同步电机吸收系统的无功功率。当将同步电动机当作无功电源束研究的话，我们不考虑这个。图３．３为考虑定子和转子电流后的同步发电机的功率圆图。实线代表由转子电流决定的发电机的运行，虚线代表有定子电流决定的发电机的运行，两条线的交点即为铭牌额定ＭＶＡ和功率因数。１９重庆人学硕士学位论文３电力系统元件的无功一电压特性及其对电压稳定性的影响。淡／＃｝自《酬、＼／‰。＞ｊ＼＼‘定子自流隰制Ｉ：０，０）／．坚／‘，，？／／图３．３定子和转子电流后的同步发电机的功率圆图Ｆｉｇ．３．３Ｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒｃａｐａｂｉｌｉｔｙｗｉｔｈａｒｍａｔｕｒｅａｎｄｆｉｅｌｄｈｅａｔｉｎｇｌｉｍｉｔ同步发电机工作在有效的控制范围时可以稳定电压，如果同步发电机端电压过低，同步发电机的运行点将达到转子电流的极限或定予电流的极限，一旦达到同步发电机的运行极限，同步发电机将失去对系统电压的支撑作用。如果发电机能够维持端电压，也就是有充足的无功容量的话可以极大的改善电力系统的电压稳定性。大扰动情况下同步发电机无功响应的速度是影响系统稳定的另外一个主要的因素。包括含有较多电动机负荷的电力系统，发电机的快速励磁系统对稳定性的影晌十分重要。同步发电机和励磁系统的动态响应速度和电动机负荷的动态响应相近，大约在２．３Ｓ之间。电力系统中还有同步调相机作为无功电源，但是由于调相机属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，维护困难，投资和运行费用都比较高，近些年已很少采用。但是对于已经建好的调相机，是否予以废除，还值得商榷。调相机和发电机一样都有数十秒的过载能力，在系统紧急情况下这样的特性对系统的电压稳定是有利的。目前大多数同步调相机的应用都和高压直流输电工程有关。有时必须应用同步调相机来提高电网强度（即短路容量）和改善换相电压。３．３并联电容器的无功电压特性及其对电压稳定性的影响并联电容器是电力系统中使用最广泛，也是投资比较小的无功补偿装置。机械投切并联电容器一般安装在负荷区域的主要变电站，实现无功的就地平衡，改善输电系统的电压。它的优点是单位容量投资小，可分散安装，随意拆迁，可靠近负荷中－ｔＬ，安装，获得更理想的技术经济效益。因此在电力系统中大量采用并联重庆大学硕十学位论文３电力系统元件的无功一电压特性及其对电压稳定性的影响电容器进行无功的就地平衡。如果并联点的电压为ｕ，并联电容器的容抗为ｚ。则电容器发出的无功功率为：Ｑ＝妻响。㈦ｓ，由式（３．６）可见，并联电容器在额定电压下可以向系统发出额定容量的无功功率，当系统电压下降时，并联电容器发出的无功功率随电压的平方减小，在系统紧急情况下并联电容器的这一特性对系统的电压稳定性会产生十分恶劣的影在系统无功缺乏的情况下，可通过增加电容器的组数来增加无功的补偿量，这时投切电容器组的速度是关键的一点，若速度不够快，则不能增加足够的无功补偿量以维持节点电压，从而不能阻止负荷中异步电动机的堵转。部分电动机堵转后将吸收大量的无功功率，从而造成电压进一步下降，而电容器的无功补偿特性将使问题加剧，从而导致电压崩溃。电压崩溃问题可能会由于过量的使用并联电容器面更加严重。实际应用中，通过电压继电器控制电容器组的投切，电压继电器的启动值小于返回值，如果电压继电器的死区范围过大，则不能准确的控制电压，太ｄ，Ｎ可能造成电容器组的频繁投切，而给系统带来控制失稳，并且增加开关的工作负担。通过投切电容器组的方法不能连续的对系统进行无功补偿，因此不能准确的控制节点电压。若电容器的投切采用手动方式，则不能满足系统紧急情况下的无功需求。近年来人们倾向于应用微处理器进行电压控制和投切判断，提高了电容器组在紧急情况下的应用效果。３．４新型无功电源的无功一电压特性及其对电压稳定性的影响传统的无功设备概念如下：电容器是无功电源，电感线圈（包括异步电动机和变压器）是无功负载。见图３．４（ａ）。图中Ｒ为电阻，按传统概念该电路仅吸收有功。但在阀元件Ｓ的控制下该电路可以吸无功也可以发无功。可控硅（ＳｈｏｔＣｉｒｃｕｉｔＲａｔｉｏ－－ＳＣＲ）的出现扩大了无功负荷的概念。ＳＣＲ仅控制电路的导通，当导通角不为零时，电路吸收无功。门极可关断晶闸管（ＧａｔｅＴｕｒｎ．ｏｆｆＴｈｙｒｉｓｔｏｒｙ—－ＧＴＯ）的出现扩大了无功电源的概念。ＧＴＯ可控制电路的关断，当关断角不为零时，电路发出无功。推证如下：在阁３．４（ａ）电路中，电源电压为垣庆大学硕士学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响“＝ＵＭｓｉｎｃｏｔ＝ＵＭｓｉｎ口（３．７）当阀元件ｓ为ＳＣＲ，控制电路的导通，电压、电流波形如图３．４（ｂ）所示．。其电流表达式为＝～口＝厂Ｊ、ＬｋＯ．班ｎ口口护＝Ｏ盯～疗舻”∽∞旧Ⅶ（３．８）式中Ⅳ、％一电压的瞬时值与峰值：ｉ、』。一电流的瞬时值与峰值；∞一角频率；０一瞬时角度；口一触发角，口＝Ｏ～Ⅱ（ａ）电路图ｆａ）Ｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ（ｂ）控开状态（ｂ）Ｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｃｏｎｔｍｌ（ｃ）控芙状态ｔｈｅｃｏｎｄｕｃ‘ｔｉｏｎ（ｃ）Ｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｈｕｔｏｆｆ图３．４阀控电路及其电压、电流图Ｆｉｇ．３．４ＴｈｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄＣＵＩＴｅＵ［ｆｏｒｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｃｏｎｔｒｏｌｅｄｂｙｔｈｅｖａｌｖｅ将电流ｉ用傅氏级数分析Ｆ（目）：要＋∑ｎ（４ｃ。ｓ＂臼＋鼠ｓｉｎｎ曰）拿一直流分量；昼ｓｉｎ口一有功分量；爿，ｃ。ｓ目一无功分量。无功状况由Ａ确定：Ａ１）０发无功，Ａｌ（０豇“吸无功。７￡“小昙即“ｎ口）ＣＯＳＯｄ８一吾ｒ（１ＭＳ瑚）ｃ。ｓ甜ｐ‘晴庆大学硕士学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响＝篆弘ｎｚ鲥目一等扣：甜口＝一二堕ｓｉｎ２口厅（３．９）控开状态下Ａ，≤０，所以控开状态吸无功。采用ＧＴＯ控制电路的关断，电压、电流波形如图３．４（ｃ）所示．。其电流表达式为ｒＩｍｓｉｎＯ口＝０～ａ厅～（万＋口）ｉ＝ｔ０口２口～疗（Ｔｔ＂＋６０～２ｚ（３．１０）铲去ｆ‘（枷ｎ口）ＣＯＳａｄｏ一，２。ｒ（ＩＭｓｉｎＯ）ＣＯＳ甜ｐ＝二丝ｓｉｎ２口７／＂（３．１１）控关状态下Ａ，≥０，所以控关状态发无功。门极可关断晶闸管的出现扩大了无功电源的概念，产生了新型无功电源ＳＴＡＴＣＯＭ（ｓｔａｔｉｃｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ－－ＳＴＡＴＣＯＭ），国内曾将其称为新型静止无功发生器（ＡｄｖａｎｃｅｄＳｔａｔｉｃＶＡＲＧｅｎｅｒａｔｏｒ－－ＡＳＶＧ），它是一种可连续、快速、双向调节的无功电源，可应用于高层电网维持电压稳定性，同时还可用于抑制配电网的电压闪变。ＳＴＡＴＣＯＭ的原理接线如图３．５所示【３”。∈嘉彬，Ｊ、Ｉ夕”：ＩＤＡｐ巩ｊ…ｈ、ｌ／ｈｌ／”’瓦，”１死，Ｉ．，１仇』“ＪＤ雎‘ＮｈＩ／卜ｌ／…瓦，ｌ卅…％２Ｄｃ，。、ＣＤｄ、图３．５ＳＴＡＴＣＯＭ结构图Ｆｉｇ．３．５ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳＴＡＴＣＯＭ重庆大学硕＋学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响图中ＤＡ、ＤＢ、ＤＣ为整流器，ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ为逆变器，Ｃ为储能电容。由于采用了由ＧＴＯ控制的逆变器，ＳＴＡＴＣＯＭ既可以输出无功，也可以吸收无功。图３．６为ＳＴＡＴＣＯＭ与系统等效连接图。图３．６ＳＴＡＴＣＯＭ与系统等效电路图ＳＴＡＴＣＯＭｃｏｎｌｌｅＣｔＦｉｇ．３．６Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆｗｉｔｈｓｙｓｔｅｍ吼领先０。相角为占，则稳态时ＳＴＡＴＣＯＭ输出无功功率为：Ⅳ２ｇ＝｛：Ｌｓｉｎ２８Ｚｒ（３，１２）控制器的控制作用等效为对Ｕ１相位角Ｊ的控制装置的损耗表达式为：只：型２‘２，（３．１３）装置的功率因数角口＝ａｒｃｔａＩｌ二，直流电压为：Ｘ吒：—ｓｉｎｉ（５＿＋一ａ）Ｕ，ＡＳＩⅡ口（３．１４）显然，输出无功功率的大小变化时，Ｊ随之变化，相继有直流电压随之变化。因此无功的控制最终反映为直流电压的控制。１３２－３７］ＳＴＡＴＣＯＭ同样将端电压（ｕｓ）和输出的无功电流分量（工口）之间的静态关系整定为一条直线，特性曲线的斜率的整定同同步发电机一样，反映了端电压（ｕｓ）变化时候，ＳＴＡＴＣＯＭ无功输出容量。倾斜的特性兼顾了补偿器的容量和电压稳定的要求。在电力系统遭受扰动后，大的斜率整定值会降低ＳＴＡＴＣＯＭ的响应量。ＳＴＡＴＣＯＭ同同步发电机一样，可以吸收也可以发出无功功率。在正常的情况下ＳＴＡＴＣＯＭ可工作于吸收无功功率的状态，当电力系统发生扰动的时候，ＳＴＡＴＣＯＭ可迅速的转为发无功的状态。ＳＴＡＴＣＯＭ的响应速度高于其他的电压调节措施，其时间常数一般在Ｏ．１Ｓ．０．５Ｓ左右。静止无功补偿器通常应用于负荷区域，对电压变化的响应比电动机机要快，能很快的在控制范围内改变输出，其显著特点是能快速，连续地对波动性负荷进行补偿。在电力系统遭受扰动时，在防止电力系统发生和电动机群相关的暂态电压失稳方面，ＳＴＡＴＣＯＭ比断路器投切电容器要有效的多。重庆人学硕士学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响ＳＴＡＴＣＯＭ的基本功能是从电力网吸收或向电网输送可连续调节的无功功率，以维持装设点的电压恒定，并有利于电网的无功功率平衡。在远距离输电系统中，若输电线路的中点装设静止无功补偿器，通过连续的调节，可以维持该点的电压恒定，相当于将该输电线路的输电距离缩短了一半，这样就使得远距离输电系统在小干扰和大干扰下的稳定性均得以改善，当然电压质量同时也得以提高。ＳＴＡＴＣＯＭ等具有高响应特性的无功补偿设备可以大大的改善电力系统的稳定性。在１９９５年，清华大学和河南省电力局共同研制了我国第一台ＳＴＡＴＣＯＭ，其容量为３００ｋｖａｒ，开辟了我国研制ＳＴＡＴＣＯＭ补偿设备的先河。ＳＴＡＴＣＯＭ在实际运行中的无功容量同样受到，在到达其上限之前，对系统的电压稳定性有一定改善。达到其无功时，将不能保证其端电压按照其特性曲线斜率的方向移动，一旦达到其上限，则不能提供必要的电压支持，出现这种状况的时候，静止无功补偿器可以警告系统即将发生的电压崩溃。３．５负荷的无功电压．特性及其对电压稳定性的影响就电压稳定性问题的研究现状而言，对电压失稳的机理仍众说纷纭，但几乎都肯定负荷特性对电压稳定性有很大的影响。国际上研究电压稳定性问题得专家Ｃ．Ｗ．Ｔａｙｌｏｒ指出，电压稳定性问题的实质是负荷稳定性问题１４Ｊ。［２１－２７１尽管导致电压崩溃的扰动可能出不同的诱因引起，除了输电网络强度和功率传输水平以外，使得电压崩溃的主要因素是无功电源的无功功率／电压控制极限，负荷特性，以及电压控制装置的控制方法，在影响电压稳定性的诸多因素中，负荷特性是最关键、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。电力系统的负荷构成是非常复杂的。系统中一个典型的负荷母线下有大量的设备。即使知道负荷的组成，要想表示每一个负荷元件也是不切实际的。因此系统中负荷的表示是基于大量的简化。在负荷组成中以电动机为主，电动机消耗电力系统供给总能量的６０％．７０％，并且电动机中又以异步电动机为主。因此，异步电动机的动态特性是系统负荷动态特性中的最主要的方面。在放电照明装置中则主要是荧光灯，荧光灯的无功电压灵敏度很高，当电压降到６５％一８０％的时候，荧光灯将会全部熄灭。负荷对持续数分钟的电压变化的响应将影响电力系统的电压稳定性。对于暂态电压稳定性以及缓慢变化的电压崩溃的最后阶段而言，异步电动机的动态特性十分重要。图３．７为异步电动机的稳态等值电路。重庆大学硕士学位论文３电力系统元件的无功一电压特性及其对电压稳定性的影响一冬矗了ｓｔａｔｅｒ～图３．７中～～Ｋ，珥１图３．７异步电动机的稳态等值电路ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒＳＦｉｇ．３．７Ｔｈｅｓｔｅａｄｙ以一激磁电抗ｘ．一漏电抗见一转子电阻Ⅳ。一定子漏电抗瓜一定子电阻，。一定子电流，，一转子电流，ｍ一激磁电流Ｓ一转差率采用一阶异步电动机模型研究异步电动机的负荷特性异步电动机惯性微分方程孥：Ｆ１（％一乙）ｄｔＴ，、。（３．１５）式（３．１５）中疋＝最／ＯＪｒ。（３．１６）（３．１７）乙＝乙。（％／‰。）２‰２ｌ—Ｓ其中只一电磁功率Ｌ一电磁转矩７－，一电动机的转动惯量乙一机械转矩‰一电动机转子角速度Ｌ。一初始机械转矩‰。～电动机转子初始角速度其中ＰＥ为图３．７所示Ｒ／Ｓ上所消耗的功率，式（３．１７）表示电动机所带的负荷转矩和转速的平方成正比。重庆大学硕＋学位论文３电力系统元件的无功一电压特性及其对电压稳定性的影响异步电动机的无功功率由以下两部分组成：①与主磁场相关的无功功率这部分无功功率用于使电动机建立同时穿过定子与转子的旋转磁场，依靠它将定子的能量传输给转子，在图３．７中为Ｘｍ上所消耗的能量Ｑｍ。②与漏磁场相关的无功功率这部分无功功率用于使电动机建立起定子漏磁场和转子漏磁场，在图３．７中是ｘｓ和ｘｒ上消耗的无功功率，其值为ＱＬ．大致与电流平方成正比。由上可知输入电动机的无功功率有Ｑｍ和ＱＩ．两部分组成。利用异步电动机的稳态等值电路以及公式（３．１５）～（３．１７），选用如下工业用电动机参数绘制异步电动机的无功一电压特性曲线：Ｒｓ＝０．０３１；Ｘｓ＝０．１０；Ｘｍ＝３．２；Ｒｒ＝０．０１８；Ｘｒ＝－Ｏ．１８；ＴＪ２１．４Ｓ当异步电动机带有较轻负荷时选Ｓ０＝０．０１５，Ｌ。＝ｏ．７４４９异步电动机的无功·电压特性曲线，如图３．８（ａ）所示。当异步电动机带有较重负荷时选ｓｏ＝ｏ．０１９，Ｌ。２０．９１７４异步电动机的无功一电压特性曲线，如图３．８（ｂ）所示。（ａ）轻负荷（ａ）Ｌｉｇｈｔｌｏａｄ（ｂ）重负荷（ｂＪＨｅａｖｙｌｏａｄ图３．８异步电动机的无功．电压特性曲线Ｆｉｇ．３．８Ｔｈｅｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｏｒ由图３．８可以看出，不管在重负荷还是轻负荷下，当电压下降的时候，异步电动机吸收的无功功率首先下降，然后随电压的进一步下降反而上升。极值“ｃｒ为无功功率转折点，称为临界电压点。当Ｌｏ＝ｏ．７４４９时，Ｕｃ，＝０．８５‰２０．９１７４时，ｕ。２０．９５重庆大学硕士学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响因此电动机所带负荷越重，临界电压越高。由图３．８（ｂ）还可以看出，在重负荷下，异步电动机在电压由１下降到Ｏ．９５的过程中消耗的无功功率的变化很小，对电压的变化基本不做出反应。因此在异步电动机带有较重负荷的情况下，系统更容易发生电压失稳。异步电动机这种随系统电压下降，消耗的无功功率先开始下降，后又上升的特性显然对系统的电压稳定性具有破坏作用。电动机额定容量通常大于负荷的功率水平，系统中一半以上的小型电机运行在额定容量６０％以下。因此当系统的负荷主要以电动机为主时，综合负荷模型的临界电压通常在Ｏ．８５左右。以上所选用的模型，反映当电动机所带负荷转矩和转速的平方成正比时，电动机所消耗的无功对电压的反应。电压降低到一定程度，异步电动机将发生堵转，此时的电流约为正常工作电流的４－６倍。与漏磁场相关联的无功功率将大大增加，吸收系统大量的无功功率，因此将进一步增加区域电压跌落的时间，并且可能拉低相邻地区的电压，从而可能使更多的电动机发生堵转，而使区域的电压不稳发展成为全系统的电压崩溃事故。现代电力系统中，负荷的种类变得日益繁多，电力系统中出现了种类繁多的控制手段和控制方法，来保证负荷元件消耗额定的功率，对系统电压和频率的变化不做出响应，保持恒功率的特性。例如电子设备的电源，当系统电压下降到９０％时，计算机和其他电子设备的可调电源仍可以提供恒定的直流电压，维持其设备的工作。这样的控制方法对电器设备的正常工作有好处，但是对电力系统的运行是相当不利的。不同类型的负荷特性及配电系统控制装置是影响电压稳定的关键因素。实际的电力系统中存在大量异步电动机，异步电动机的特性是影响综合负荷特性的主要因素。３．６传输线的传输特性对电压稳定性的影响一条输电线路由四个参数表征，串联电阻、串联电感、并联电导、和并联电容，他们沿线路均匀分布，四个参数是由线路设计确定的，即由导线大小、导线类型、线距、离地高度和其他线路相对位置决定的。线路的工作特性主要有串联电感和并连电容所决定。３．６．１用集中参数概念分析输电线传输特性以ＶｓＺ６和ＶｒＺＯ表示首、末端电压，ｘ代表传输线路的电抗，线路首、末端的无功方程写为重庆大学硕士学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响Ｑｓ＝（Ｖｓ２－ＶｓＶｒｃｏｓ６、／ＸＱｒ＝（ＶｓＶｒｃｏｓ６一Ｖｒ２）／Ｘ不传输有功时，６＝０，这时线路首、末端的无功Ｑｓ、Ｑｒ算式为Ｑｓ＝Ｖｓ（Ｖｓ—Ｖｒ）／ＸＱｒ＝Ｖｒ（Ｖｓ—Ｖｒ）／Ｘ由上述４个方程可见：无功功率主要依靠的是电压差来传输，由此确定电力系统电压的分散性。通常人们只关心电压幅值的变化。但当受端或负荷端发生电压跌落时，实际输电线路无功功率的传输能力将十分重要。Ｐ．Ｑ圆图是理解功率传输极限的一般和准确的方法。我们使用Ｐ．Ｑ圆图的方法来分析通过输电线路传输功率的能力。对于图３．９所示为一个简单系统的模型，线路两端用同步电机表示，输电线路用集中参数表示。假设线路两端大容量系统的电压调节能力很强，即送端和受端电压恒定。等值送端系端系统图３．９分析无功功率传输的简单模型Ｆｉｇ．３．９Ｔｈｅｓｉｍｐｌｅｍｏｄｅｌｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｔｒａｓｍｉｓｓｉｏｎ线路电抗和电纳分别为０．２０６４（ｐｕ）和０．２０２３（ｐｕ）。功率传输的方向以图３．９所示为正。图３．１０所示为功率圆曲线。实线对应Ｖｓ＝Ｉ．０，Ｖ，＝Ｏ．９５的情况虚线对应Ｖｓ＝１．０，Ｖ，＝Ｏ．９的情况。图３．１０线路功率圆图【４】Ｆｉ９３．１０Ｐｏｗｅｒｃｉｒｃｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｉｎｅ根据受端功率圆可知，当无功功率为负值时，输电系统对受端系统来讲相当重庆大学硕＋学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响于一个无功负荷。受端系统要向节点注入无功功率才能维持节点的电压。这时尽管送端系统有大量的无功功率注入，但在受端不仅没有无功功率流出，而且还要向节点无功注入无功功率。受端系统开始向节点注入无功功率时对应的有功功率值，Ｖ，＝Ｏ．９情况大于ｖ，＝Ｏ．９５的情况。当以受端功率圆和送端功率圆的交点为运行点时，线路相当于无损耗线。送端发出的有功无功等于受端接受到的有功无功。当线路的有功功率的传输值很高时，送端和受端所需要的无功功率相当的大。在重载情况下功率曲线变的相当的陡，表明为了增加１ＭＷ的有功传输，线路两端需要增加的无功功率将大于１Ｍｖａｒ。在可能的情况下，无功电源点都应靠近无功负荷点。在有功功率传输较大的情况下，无功功率的传输是低效的，需要较大的电压幅值降落，而线路两端的电压又必须满足运行的要求，各点的电压幅值应维持在１±５％ｐｕ的范围，这更增加了无功传输的难度。同时长距离的传输无功功率会增加线路的有功和无功损耗，并且会增大甩负荷时的过电压。因此应该避免大量无功功率的长距离传输。如果线路两端电压相角差较大，则即使两端电压幅值差值再大，也不可能通过该线路传输无功功率。３．６．２用分布参数概念分析输电线传输特。陛长距离高压线路不能忽略线路对地电容的影响。输电线路既发出无功功率也消耗无功功率，由两者所决定的净无功必须由线路两端的系统来吸收，或者来提供。输电线路并联电容（或称充电电容）发出的无功功率正比于电压的平方，输电线路串联电感消耗的无功功率正比于电流的平方，当电流的值在重载和轻载之间变化的时候，输电线路的无功损耗也相应变化。因而输电线路的净无功将随负荷水平不断改变，且有：输电线路发出的无功功率＝‰２Ｂ输电线路消耗的无功功率＝１２ＸＢ＝国ｃ一线路并联电纳ｘ＝∞Ｌ线路串联电抗当输电线路发出的无功功率恰好等于其消耗的无功功率时，输电线路传输的有功功率称为线路的自然功率。则％２Ｂ＝１２■即‰２删Ｃ＝１２ｃｏＬ可得线路的波阻抗Ｔ，ｒＦ即Ｚｃ＝竽＝Ｊ言，自然功率为日＝等输电线路产生还是吸收无功功率，取决于负荷电流：当负荷低于自然功率时是无功电源，当高于自然功率时是无功负荷。重庆大学硕十学位论文３电力系统元什的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响以Ｆ用分布参数来分析超高压长线的运行特性。超高压长线采用分布参数时其电压电流状态见图３．１１．三Ｖ。多三三。＝＝！———＿二；｛＿＿—＿二＝±图３．１１超高压长线Ｆｉｇ．３．１１Ｅｘｔｒａ－ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｌｏｎｇｌｉｎｅ记线路始端为Ｓ，末端为Ｒ。以末端的电压电流为参考，超高压长线分布方程为：（３．１８）（３．１９）Ｖｘ＝ＶＲｃｈ）ｘ＋，ＲＺｃｓｈ？ｘ，，乩ｃ＾肄＋坚ｓｈ∥￡Ｃ式中Ｖ，为与线路末端距离为ｘ处的电压；，，为与线路末端距离为ｘ处的电流；ｙ一线路末端电压：』一线路末端电流；Ｚｃ输电线路的波阻抗；ｙ输电线路的传播常数。略去输电线的电导和电阻，即将输电线视为无损线，其波阻抗和传播常数表达式为：弘Ｊ鲁ｙ＝ｊ∞≈ＬＬＣＬ＝ｊｐ式中，Ｌ。Ｃ．是单位长度的电感和电容。＠ｚ∞ｔ３．２１）５００ｋＶ线路的典型参数为：Ｚｃ２２２５～２９０ｆ２，∥＝７。夕／００世村ａ此时电压电流分布方程为：Ｖｘ＝驴Ｒｃｏｓｆｉｘ＋ｊｊＲｚ：ｓｉｎｆｉｘｊ，：）＇Ｒｃｏｓｐｘ＋Ｊ—Ｖ＝＿ｇｓｉｎｐｘ上Ｃｔ３．２２）（３．２３）设线路全长为，，由公式ｆ３．２２）可得线路首端的电压方程为：Ｖｓ＝ＶＲｃｏｓＯ＋ｊｉＲＺ。ｓｉｎ８妈．２４）式中口为线路角，口＝ｆｌｘｌ。由公式（３．２４）得出相量图如图３．１２所示。图中６为首端电压超前于末端电压的角度，即输电线的功率角。绯为末端电压超前于电重庆大学硕士学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响流的角度，即末端负载的功率因数角。Ｂ图３．１２超高压长线的相量图Ｆｉｇ．３．１２Ｔｈｅｖｅｃｔｏｒｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｘｔｒａｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｌｏｎｇｌｉｎｅ由图３．１２司得出输电线路的功一角特性：只：上生ｓｉｎ占“Ｚｃｓｍ６Ｉ（３．２５）绋２云南（Ｋｃ。ｓＪ一咋ｃｏｓＯ）由图３．１２可得‘３撕’设首端电压恒定矿。＝ｃｏｎｓｔ，在无自动无功补偿状态下视末端功率因数不变（即办＝ｃｏｎｓｔ），分析末端功率的变化情况下末端电压的变化和输电线的传输能力。由式（３．２５）和式（３．２７）可得到输电线的乓一％特性：玮＝怒ｓｉｎ（ｃｏｓ＿ｌ（半Ｍ）＝ＣＯＳ－Ｉ（ＶＲｃｏｓ．Ｏ，ｃｏｓＣＲ）一靠（３．２７）（３．２８）由式（３．２８）百Ｉ得在Ｖｓ＝ｃｏｎＭ，办＝ｃｏｎｓｔ下的最一％特性曲线如图３．１３所示。（Ａ）Ｖ＆ｃｒ０ＰＲ。ＰＲ图３．１３圪、九＝ＣＯＯＳＩ时最一％的曲线Ｆｉｇ．３．１３ＴｈｅＰＲ—ＶＲｗｉｔｈＫ、靠＝ｃｏｎｓｌ重庆大学硕士学位论文３电力系统元什的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响其中Ｍ点为最大功率点，其坐标为（Ｂ一，％“）。由式（３．２８）难于直观看出最一％曲线的特征。采用圆图来分析分布参数超高压长线末端功率因数恒定下的运行特性十分清晰。见图３．１４，当Ｖｓ＝ｃｏｎｓｔ，九＝ｃｏｎｓｔ时，矿月ｃｏｓ８相量末端在以ＡＢ为弦，含角为（９０＋蟊）的弧上ＶＲｖＲｃｏｓＭＶｓＡＢ图３．１４超高压长线圆图Ｆｉｇ．３．１４Ｔｈｅｃｉｒｃｌｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｅｘｔｒａ－ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｌｏｎｇｌｉｎｅ如图３．１４所示：当办＞Ｏ，ＡＢ＜１８０。；以＜Ｏ，ＡＢ＞ＩＳ０。；办＝Ｏ，ＡＢ＝１８０。。图中ＣＤ为ＡＡＢＣ的高，ＣＤ＝Ｋｃｏｓｏｓｉｎ６，ＡｄＢＣ面积表达式为：ＡＡＢＣ＝寺４Ｂ×ｃＤ＝寺％Ｋｃｏｓｏｓｉｎ，５＝ＺｒＶｓＶｅｓｉｎ０×Ｂ２乙ｓｉ删ｃｏ妇］＼ｚｃ（３．：９）／＝弛式（３．２９）表明ＡＡＢＣ面积代表了输电线的末端功率。由此可得出当Ｖｓ＝ｃｏｎｓｔ，九＝ｃｏｎｓｔ情况下的晶一％曲线的特征点参数：％ｃｏｓ０向量末端在Ａ点，此时有ＡＡＢＣ＝０，即最＝０；并有％ｃｏｓ０＝Ｖｓ，即％＝’％ｏｓ口（末端电压高于首端电压）。因此Ａ…ｄｆｆ……－……－…３ａ．ｕｌ开路状态；％ｃｏｓ０向量末端在Ｂ点，此时只＝０，％＝０，因此Ｂ点表示输电线末端三相短路状态：％ｃｏｓ０向量末端在Ｍ点（ＡＢ中点时）。此时有ＡＡＢＣ面积最大，因此Ｍ点为临界点（功率极限点）。由圆图可直观得到临界点的参数。Ｉ临界功率角Ｊ。，＝（９０－靠）＝４５一圭九（３．３０）图３．１４中，ＥＭ为ＡＢ的垂直平分线，可得％。，ｃｏｓＯｃｏｓ，ｔ，端临界电压，并得末重庆大学硕十学位论文３电力系统元件的无功．电压特性及其对电压稳定性的影响ｙ＝！！＝！！（３．３１）””２ｃｏｓＯｃｏｓ疋，２ｃｏｓＯｃｏｓ（４５。一Ｏ．５靠）极限传输功率：足一面ＶｓＶＲｓｉｎｏ．－历Ｖ而２刚５。一扣（３３２）（３．３３）当始端电压为额定电压（％＝％）时有８一“”—ｉ矿ｔｇ（４５。一言垛）式中，ＰⅣ输电线的自然功率，ＰⅣ＝孚，５００ＫＶ典型参数中Ｒ＝ｌｌｌｌＭＷ。由图３．１３可以看出在Ｐ．Ｖ曲线的上半支，在滞后功率因数即以＞Ｏ的情况下，随着Ｐ的增加，电压下降。在恒定的功率因数下，功率传输有一个最大的值，如公式（３．３２）所示，并且在极限功率点处，临界电压值较低。由公式（３．３２）还可以看出通过末端无功补偿的方法即减小蟊，可以增大最。。。通常只有临界运行点以上的部分代表满意的运行条件。突然降低功率因素（增加０），就可能可造成系统从稳定的运行条件变为不满足的、可能是不稳定的Ｐ．Ｖ曲线下部所代表的运行条件。使用Ｐ．Ｖ曲线是电压稳定问题分析中常用的一种方法。对于复杂网络的潮流计算也可以画出Ｐ—Ｖ曲线。Ｐ代表某区域的总负荷，也可以代表系统传输断面或者区域输电线上的传输功率，ｖ为关键母线或具有代表性母线的电压。在Ｉ临界电压处，潮流计算在曲线接近拐点或称为最大功率点处将会发散。基于各种各样的潮流方程的方法来研究电压稳定性，较少考虑负荷和无功电源的无功电压特性，这些方法本质上都是反映了网络的功率传输能力对稳定性的影响。输电网传输功率的是导致电压失去稳定的另一个主要原因。３．７变压器分接头调整对电压稳定－陛的影响变压器使系统中利用不同的电压等级成为可能。从效率和功率传输容量的观点来看，输电电压必须要高，但在这样高的电压下，发电和用电实际是不可行的。在现代的电力系统中，从发电到最终的用户，传输的功率要经过４—５次电压变换。在实际的运行中变压器本身消耗的无功功率由两部分组成，由激磁电抗消耗的无功功率，和由变压器漏抗消耗的无功功率，在研究中可忽略前一部分的无功功率。变压器漏抗消耗的无功功率和电流的平方成正比。除了电压变换，变压器通常可通过改变变比用来控制负荷侧的电压，来满足重庆大学硕十学位论文３电力系统元件的无功一电压特性及其对电压稳定性的影响负荷侧的用电要求。图３．１５为变压器的等值电路——ｒ—叶±『，１喜萎１Ｙ／ｎ１ⅥＩＹＩ＝（ｈ‘ＩＹＩ＝。－ｎ主（ｂ）等值电路（ｂ）Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｃｉｒｃｕｉｔ图３．１５变压器等值电路Ｆｉｇ．３．１５Ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ１ｎ－１）Ｙｌｎ（ａ）原理图（ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ图３．１５中ｎ为非标准变比。ｚ为变压器的漏抗，Ｙ＝ｌ／ｚ。ｖＩ是一次侧电压，Ｖ２是二次侧电压。当调节分接头来提高二次侧电压的时候，１１（１。一次侧并联元件是一个数学意义上的电抗器，二次侧并联元件是一个数学意义上的电容器。二次侧的支撑作用取决于一次侧系统增加的无功功率。因此为了支撑分接头的调节，一次侧的电源系统必须有足够的容量。在扰动降低了变压器两侧的电压时，对电压变化反映灵敏的负荷吸收功率会相应减少，分接头调节对电压稳定性的主要影响是恢复了这部分减少的负荷功率。调节的效果可能将一次侧的电压拉低，并且恢复二次侧负荷消耗的无功功率，将二次侧的无功损耗进一步转嫁到一次侧，系统中众多分接头做如此的调整，则会加重一次侧系统的负担，若一次系统容量不足，会导致系统发生电压崩溃。因此在系统无功功率不足的情况下，应该闭锁有载调压变压器的分接头。［３Ｓ－３９．］３．８小结本章分析了电力系统各元件的无功一电压特性，研究其对电力系统电压稳定性的影响。①同步发电机是电力系统中主要的无功电源，励磁系统将同步发电机的Ｕ—Ｉｑ特性曲线整定为一条倾斜向下的曲线，在同步发电机无功容量的范围内，同步发电机可以维持其端电压微小的变化。同步发电机的无功容量受到定子电流和转子电流的。②电容器发出的无功功率和端电压的平方成正比，当系统电压下降时，电容器的这种补偿特性会恶化系统电压情况。在系统无功缺额增加时，增加投入电容最庆大学硕十学位论文３电力系统元件的无功一电压特性及其对电压稳定性的影响器的组数有利于系统电压的恢复，但是投入电容器组的速度必须快。⑧门极可关断晶闸管（ＧＴＯ）的出现扩大了无功电源的概念。依靠电力电子技术发展起来的新型无功电源能够连续、快速、双向的对系统进行无功补偿，是一种非常具有发展前途的无功电源。④异步电动机的负荷特性对电压稳定性而言十分重要。其消耗的无功功率随电压下降先开始下降，到达临界电压以后，消耗的无功功率开始上升。电压继续降低，异步电动机会发生堵转，堵转后的异步电动机将大量消耗无功功率。重负荷的异步电动机，其临界电压较高，更容易发生电压崩溃的事故。⑤输电线路传输的无功功率主要取决于线路两端电压的幅值。长距离传输无功功率是低效的，尤其在重负荷下。输电线路产生还是吸收无功功率，取决于负荷电流：当负荷低于自然功率时是无功电源，当高于自然功率时是无功负荷。由Ｐ．Ｖ曲线可以看出输电线的传输能力是有限的，Ｐ．Ｖ曲线的顶点代表临界运行点。⑥有载调压变压器以负荷侧的电压要求为调节目标，其等值电路为在电源侧并联电抗器，在负荷侧并联电容器，改变分接头的变比，只是改变了变压器两侧无功功率的分配。当电源侧提供无功功率不足时，这样的调节效果不仅不能提高负荷侧的电压，而且会使电源侧电压降低，促使系统加速崩溃。重庆大学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析４电压稳定性的数值仿真计算分析４．１计算模型电力系统的模型被归结为一组微分代数方程，微分方程组部分体现电力系统中动态元件的动力学行为，代数方程组部分反应电力系统中动态元件的相互作用。因此无论是来自动态元件的扰动还是来自网络部分的扰动，所破坏的平衡均归结为动态元件的物理平衡，电力系统的动力学行为受其动态元件的动力学行为及其相互关系的制约。从电力系统中电压稳定问题的实际抽象到这种客观现象的数学模型，再从其数学模型反映的数学特征回到实际问题的研究都是围绕电力系统微分代数方程组的基本性质展开的１３”…。图４．１为分析仿真所采用的模型示意图。送端系统等效为一台同步发电机。送端母线电压为坎。通过两回输电线路对受端系统供电。受端系统为负荷端，无功补偿装置为电容器或静止无功补偿器，受端母线电压为…Ｒ。以下仿真受端电源以及无功补偿装置接入或不接入的各种情况，图４．１中用虚线表示。图４．１电力系统示意图Ｆ嘻４．１Ｓ／：ｈｅｍａｔｉｃｏｆｐｏｗｅｒｎｅｔｗｏｒｋ同步发电机采用摇摆方程进行描述，其端电压（ＵＧ）和输出的无功电流分量（Ｉｑ）之间的静态关系为％＝％。一瓦１。，无功电压之间的静态关系为Ｑｉ＝＝２；＝旦一二｝，无功电压的动态关系用时间常数为３ｓ的一阶滞后环节来表ｏＨｏ¨示。静止无功补偿装置的无功电压特性和同步发电机类似。但其时唰常数要小的多。电容器无功输出和端电压的平方成正比。电容器的投切用电压继电器控制，启动值为Ｏ．９５，返回值为１．１，并带有延时。受端系统的负荷，以异步电动机为主，．在额定电压下的无功消耗为０．５。在异步电动机发生堵转之前，电动机在稳态运行时吸收的有功功率基本与电压无关，但是电动机吸收的无功功率随电压下降时，重庆大学硕士学位论文４电乐稳定性的数值仿真计算分析首先下降，然后随电压的进一步下降反而上升。负荷中还有荧光灯等对电压敏感性负荷，当电压下降时候，它们吸收的无功功率的下降幅度很大。因此综合负荷模型取ｕ。＝０．８５，ｕ。为负荷消耗的无功功率由减小开始增大时对应的电压值，称为临界电压值，此点吸收的无功功率为０．３。负荷模型的时间常数为１秒。初始状态ＶＲ＝１。输电线电抗的标幺值为０．１２（双回）。图４．２为使用ＭＡＴＬＡＢ下的ＳＩＭＵＬｌＮＫ建立的仿真模型。图４．２使用ＳＩＭＵＬＩＮＫ建立的仿真模型Ｆｉｇ．４．２ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｌｅｂｙｕｓｉｎｇＳＩＭＵＬＩＮＫ４．２影响电压稳定性因素的仿真分析４．２．１无功缺额的影晌针对图４．１所示的系统，受端电源提供负荷的大部分有功功率，无功电源主要由输电线及电容器提供。忽略由于有功不平衡导致的频率变化对无功的影响。扰动前由输电线送到受端的无功功率不同，仿真当发生两回输电线突然断开的扰动后，受端系统电压的变化。曲线一和曲线二对应不同的初始运行状态。曲线一所示为扰动前，电容器就地补偿Ｏ．４５，（电容器对应的电抗的大小为２．２２），由输电线送０．０５的无功功率。曲线二所示为扰动前，电容器就地补偿Ｏ．３（电容器对应的电抗的大小为３．３３），由输电线送Ｏ．２的无功功率。扰动为输电线突然跳丌。曲线一对应的无功缺额为Ｏ．０５，曲线二对应的无功缺额为０‘２。图４．３所示为受端系统电压随时问变化的情况。重庆人学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析图４．３无功缺额对系统稳定的影响Ｆｉｇ．４．３Ｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｌａｃｋｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ曲线一所示的电压经过一段时间的降低之后，稳定在电压０．９上，为受端负荷静态特性曲线和电容器补偿特性曲线的交点。并联电容器发出的无功功率正比于电压的平方，因此在系统电压降低的情况下，无功补偿能力降低，同时负荷消耗的无功在电压下降的初始阶段，同样降低消耗的无功功率。电压稳定水平主要是由无功电源和负荷间的无功功率平衡条件决定的。电容器发出的无功功率等于负荷消耗的无功功率，也就是电源的无功电压特性曲线和负荷的无功电压特性曲线有交点，是系统最终能够稳定在一个电压值的必要条件。而对于曲线二，受端负荷静态特性曲线和电容器补偿特性曲线没有交点，不满足系统稳定的必要条件，因此电压崩溃。在实际的运行中，尤其是在和系统的连接采用高电压长距离的输电线路的区域电网中，在轻负荷的情况下，线路的充电无功很大，就地的无功补偿装置停用，甚至使用电抗器来吸收输电线的无功功率，一旦发生输电线断开的故障，无功功率缺额会很大，在采用并联电容器补偿的受端系统中，将不能满足系统稳定运行的要求。４．２．２无功电源特·睦的影响电压安全的关键在于保持电力系统中具有足够且快速的无功备用，在电力系统遭受扰动后，增加无功电源的补偿量，可以缓解无功缺额的大小，将系统稳定在一个电压值上。以下分析采用投切电容器组和采用静止无功补偿装置方式对电压稳定性的影响，扰动仍为两同输电线跳丌的情况。系统情况同图４．３的系统情况。①电容器组投入速度不同对电压稳定性的影响同样对于电容器就地补偿０．３，由输电线送０．２的无功功率。采用自动投切重庆大学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析电容器的方法来维持系统的稳定性。电容器的投切用电压继电器控制，启动值为Ｏ．９５，返回值为１．１。一组电容器组的容量为０．１５（在额定电压下）。图４．４中曲线ｌ中增加一组电容器组，投入系统的延迟时间为Ｏ．５秒，曲线２中增加一组电容器组，投入系统的延迟时间为１秒。由图４．４可以看出，投入系统的延迟时间短的电容器组可以使系统恢复稳定，稳定的电压值同样为无功电源和负荷的无功电压特性曲线的交点，为０．９。而投入系统的延迟时间长的电容器组不能阻止系统的电压崩溃。当投入时刻，负荷的无功电压特性已经越过临界电压，消耗大量的无功，促使节点电压变的很低，而电容器的无功补偿量和端电压的平方成正比。投入电容器组增加的无功补偿量不大，不能阻止系统电压发生崩溃。图４．４并联电容器的投切速度对系统稳定的影响Ｆｉｇ．４．４Ｔｈｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｓｐｅｅｄｓｏｆｓｈｕｎｔｃａｐａｃｉｔｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ因此电容器机械开关动作速度对系统电压稳定性的影响很大。因此对实际应用中的自动投切电容器组的机械开关动作速度，有较高的要求。采用投切电容器来满足紧急状态下的无功需求还存在另外一些缺点。由于电容器组对系统的无功补偿是离散的，因此，应用机械投切电容器组不能快速准确的控制系统电压。单个电容器组的容量较大，或控制电容器投切的继电器的启动值与返回值相差较大，都不能准确的控制电压。而如果继电器的启动值与返回值相差较小，则可能造成电容器的频繁投入与退出，增加丌关的工作负担，造成开关的损坏，并且会造成系统电压的波动，同样对系统的运行是不利的。从电压稳定性和控制的角度看，并联电容器有一些固有的。在采用大量并联电容器补偿的系统中，电压的调节效果不好。大量使用并联电容器的方法实现无功功率的平衡存在电压失稳的隐患。简单的增加并联补偿电容器组数，可用重庆大学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析于支撑电压高至某一点，投入电容器组可以暂时维持系统稳定，但投入的速度必须足够的快。②静止无功补偿器对电压稳定性的影响依靠电力电子技术与计算机技术发展起来的新型静止无功补偿装置，具有良好的静态特性，并在紧急状态下有快速反应能力，其控制器可以实现：１）正负双向调节２）连续（无级）调节３）快速调节因此能够很好地保证电压稳定性。将其端电压维持在规定的范围以内。静止无功补偿器应用于负荷区域，在防止电力系统发生电压失稳方面，静止无功补偿器比断路器投切电容器组要有效得多。一般典型的静止无功补偿装置的响应时间在ｌＯＯｍｓ左右，在其容量充足的情况下，能够很好的维持端电压。静止无功补偿器的时间常数相对于动态负荷的时间常数小，对系统的电压稳定性是十分有利的。在相同的扰动下，我们改用静止无功补偿器对受端系统进行补偿。仿真采用的静止无功补偿器的静态特性方程为取参考电压％＝１。０４，调差系数皖＝Ｏ．０４，点，是以静止无功补偿器的自身容量为基准。取容量折算比ＫＨ，为系统容量基值ＳＢ（ｓｙｓｔ．）和自身容量基值ＳＢ（ｓｅＪ０之比，即ＫＨ＝ＳＢ（ＳｙＳｔ）／ＳＢ（ｓｃｌｏ则折算到以系统容量为基准的静止无功补偿器的静态特性方程为Ｑｓｍ＝（Ｖｏ＋ｖＲ—ｖＲ２）“瓯＋ＫＨ）取ＫＨ＝３．３３。扰动前ｋ＝１时，静止无功补偿器工作于额定容量，提供的无功功率为０．３最大的补偿量为０．６。扰动前系统的无功缺额同样为Ｏ．２。图４．５中，实线表示静止无功补偿器的时间常数为０．２秒时对系统的补偿效果。虚线表示静止无功补偿器的时间常数为０．４秒时对系统的补偿效果。由图可以看出，采用静止无功补偿器进行补偿，具有很好的补偿效果，并且时间常数越小，端电压振荡的幅度也越小，达到稳定的时间也短。稳定后系统的端电压较采用电容器补偿要理想的多。静止无功补偿器具有在短时间内稳定受端母线的电压在要求的范围内的能力，避免了系统电压跌落到临界电压以下，使处于线路末端的易堵转的单台电动机（其特征表现为重载、低转动惯量和恒定转矩负荷）发生堵转的可能性，提高了系统维持电压稳定性的能力。重庆大学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析图４．５采用静【Ｉ无功补偿器进行补偿对系统稳定性的影响Ｆｉｇ．４．５ＡｄｏｐｔｉｎｇｓｔａｔｉｃＶＡＲｃａｐａｃｉｔｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ静止无功补偿器维持其端电压的能力受到其无功容量的，若达到其无功容量的值，则静止无功补偿器将失去其维持其端电压的能力。额定状态下参考电压Ｋ＝１．０４，调差系数芪＝０．０４，但其额定容量较小，额定容量为Ｏ．１６，ＫＨ＝６．２５。最大的补偿容量为０．３２。为了满足系统扰动前，补偿容量为Ｏ．３的要求，则调整Ｋ＝１．０７５。静止无功补偿器的补偿容量在扰动前没有工作在额定的状态下，已非常接近其最大的无功补偿能力。扰动同样为突然断开输电线。图４．６中曲线１表示静止无功补偿器的时间常数为０．２秒时对系统的补偿效果。曲线２表示静止无功补偿器的时间常数增加至２秒时对系统的补偿效果。图４．６用较小额定容量的静止无功补偿器进行补偿对系统稳定的影响Ｆｉｇ．４．６ＡｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｒａｔｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙｓｔａｔｉｃＶＡＲｃａｐａｃｉｔｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ４２重庆大学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析图４．６中曲线１所示，当静止无功补偿器的时间常数为０．２秒，系统稳定在电压为０．８６５上，这个电压点已经非常接近临界电压点，若将静止无功补偿器的时间常数增加至２秒，则系统将稳定于另外一个电压为０．２的稳定点，而这个稳定点是系统不能接受的。由以上分析可以得出，补偿容量和补偿速度是维持系统电压稳定性的重要指标。静止无功补偿器相比电容器具有很好的补偿特性，可以连续地对系统的无功缺额进行补偿，对扰动的响应速度非常的快。而电容器不能对系统进行连续的补偿，并且它的补偿容量依赖于端电压，若投入的速度不够迅速，则不能使系统恢复稳定运行的状态。并且投入过多，或过少，都不能使系统电压满足要求。对于具有连续补偿特性的静止无功补偿器来讲，越快的响应时间，越大的额定容量，则稳定效果越好。实际应用中静止无功补偿器、凋相机，发电机，电容器等无功电源配合使用，不仅要保证系统正常状态下的电能质量符合要求，而且在紧急情况下能够维持系统的安全稳定运行。并联电容器组用来满足正常状态下的无功需求，保持电力系统中的重要发电机和静止无功补偿器具有足够且快速的无功各用，并联电容器的投运可以使发电机和静止无功补偿器在电力系统正常运行条件下的无功功率因数接近１．０（预防控制）。保持系统中具有响应快速的无功备用，对扰动后系统保持稳定运行十分重要。无功补偿容量的选择应保证系统有足够的稳定裕度，无功补偿装置的大小，容量和地点的选择必须根据所有保证系统能满意运行的最为繁重的系统工况的详细研究确定。４．２．３故障性质的影响断线故障和短路故障对电压稳定性的影响不同。针对图４．１所示的系统，双回线路的电抗标幺值取Ｏ．１２，同步发电机的参考电压己０。＝１．０８，点，＝Ｏ．０３。负荷区域无电源及无功补偿装置。初始状态负荷消耗的有功功率为Ｏ．７，无功功率为Ｏ．５，Ｖｓ＝１．０６３４，ｉＳｓ＝０．０７９，ＶＲ＝Ｉ，６ｒ＝０。图４．７所示为双回线路跳开一条线路后，受端电压的变化情况。由图４．７可以看出，跳开一条线路后，受端电压经过一段时间的跌落后，稳定在Ｏ．９４。断线后，系统潮流由一条线路转移到另一回线路上，增加了该线路的无功损耗，此时对系统的无功需求变大。只要发电机具有的无功储备满足系统附加的无功需求，系统电压就能够在电压跌落到临界电压以前将电压稳定在一个新的水平Ｅ。重庆大学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析图４．７跳开一条线路后受端系统的电压变化Ｆｉｇ．４．７Ｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｖａｒｉａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｏｕｔａｇｅｏｆｏｎｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ图４．８所示的故障性质为在一条输电线上发生短路的情况，曲线ｌ～３分别对应不同的短路持续时间。图４．８短路持续时间不同对电压稳定性的影响Ｆｉｇ．４．８Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｓｔ！ｉｍｅｆｏｒｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ曲线１在ｌ一１．１秒的时间内，一条线路发生短路，短路持续时间为０．１秒，１．１秒时刻跳开发生短路的线路，系统电压稳定在０．９４。曲线２为在１．１．１５秒的时间内，一条线路发生短路，短路持续时间为０．１５秒，１．１５秒时刻跳开短路线路，系统电压稳定在０．９４。曲线３为在１．１－２秒的时间内，一条线路发生短路，短路持续时间为０．２秒，１－２秒时刻跳开短路线路，系统崩溃。由仿真结果可以看出，如果扰动涉及到短路故障，短路对系统电压稳定性的影响比较大，并且短路持续时间越长，对系统电压稳定性的恢复越不利。由于在以异步电动机为主的负荷中，短路将负荷母线电压拉低，异步电动机可能会发生堵转，尤其是重载、低转动惯量和恒定转矩负荷的异步电动机。负荷模型中表示重庆人学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析为当电压降低到临界电压以下后，异步电动机消耗的无功功率大幅度增加。短路持续时间越长，异步电动机堵转的可能性越大，负荷消耗的无功功率增加的幅度也越大，对系统的无功需求大幅度增加，发电机承受由于系统事故而突然增加对无功功率的需求，包括有负荷增加的无功需求量及跳开一条线路后网络增加的无功需求量，若同步发电机不能提供足够的无功功率的话，则在短路故障消除后，系统电压不能够恢复到一个稳定的状态，系统的崩溃会非常的迅速。对暂态电压稳定性而言，现代高起始响应和高强励倍数的励磁系统有助于系统故障后异步电动机的再加速。同步发电机在过励磁条件下提供无功功率的能力对防止电力系统发生电压失稳非常关键。由图４．７和图４．８可以看出，断线故障对系统施加的扰动量小于短路故障。而对于短路故障来讲，短路持续的时间越长，系统失去电压稳定性的危险性也越大。因此继电保护的动作时间和断路器切除故障的时间越短对系统的电压稳定的恢复越有利。４．２．４网络结构的影响负荷和电源分离是现代电力系统的特点之一。图４．９对应不同的线路长度对电压稳定性的影响。初始状态受端电压都为１，负荷消耗的有功功率为０．７，无功功率为０．５，负荷区域无电源及无功补偿装置。曲线１对应的双回线路标幺值为Ｏ．０３，曲线２所示为对应于双回线路标幺值为０．０６，曲线３所示为对应于双回线路标幺值为０．１２。扰动为在１．１．１７秒的时候一条输电线路发生短路故障，短路持续时间为０．１７秒，１．１７秒时刻跳开一条线路，短路故障消除。图４．９网络结构对电压稳定性的影响Ｆｉｇ．４．９Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ由仿真结果可以看出，线路越短，离送端电源越近，系统恢复电压的能力越重庆大学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析强，系统抗扰动的能力越强。发电机与负荷的距离很远是引起电压不稳定或电压崩溃的主要因素之一，同步发电机是电力系统中主要的无功电源，负荷点离电源点越近，则同步发电机将为负荷点提供强有力的电压支撑。由传输线的特性可以知道，无功功率是不能够长距离的传输的，若同步发电机离负荷点较远，尤其是在重负荷下，扰动后同步发电机发出的无功功率很难通过网络送到负荷点，满足负荷点的无功功率的需求，从而造成负荷点的母线电压跌落，甚至引起连锁反应的电压崩溃。对于新建线路，采用高波阻抗功率值的线路可以提高电压稳定性。这可以通过应用导线和紧凑型线路来设计，增加每相线路导线的数目可以减小电抗，其等价于对线路进行均匀分布的补偿。对于长距离重负荷的线路，可以考虑通过增加串补的方式来减小负荷和电源间的电气距离。４．２．５负荷特性的影响影响电压稳定性的诸多因素中，负荷特性是最活跃最关键和最直接的因素，它从很大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程。取另外一种异步电动机带有较重负荷时的负荷模型，称为负荷模型２，和以上仿真所采用的负荷模型（负荷模型１）进行比较。负荷模型２具有较高的临界电压，临界电压为０．９５，在额定电压下消耗的有功功率为０．９，无功功率为０．６。图４．１０（ａ）所示系统情况同图４．３仿真采用的系统情况，受端电源提供负荷的大部分有功功率，无功电源主要由输电线及电容器提供。忽略由于有功不平衡导致的频率变化对无功的影响。受端系统采用固定电容器补偿。扰动为双回输电线路跳开的情况。扰动前电容器就地补偿０．４的无功功率，输电线送０．２的无功功率。曲线１采用负荷模型ｌ，曲线２采用负荷模型２。扰动产生的无功缺额都为０．２。由仿真结果可以看出，负荷特性２对应的系统迅速崩溃，而负荷特性ｌ对应的系统崩溃速度则较为缓慢。因此负荷特性的不同影响了电压失稳和电压崩溃的进程。图４．１０（ｂ）所示为受端系统无无功补偿装置及电源，扰动为跳开一条输电线路的情况。曲线１对应的负荷特性１，其初始状态同图４．７所采用的初始状态。曲线２对应的负荷特性２，其初始状态为％。＝１．１，Ｖｓ＝１．０７８８，ｉＳｓ＝Ｏ．１１１４，Ｖｒ＝ｌ，５ｒ＝Ｏ。由仿真结果可以看出在负荷模型２下，跳开一条线路的扰动使系统发生崩溃。可以得出负荷模型２的特性是菲常不利的，扰动后的系统失去稳定运行点，导致系统发生电压崩溃。重庆人学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析（ａ）相同无功缺额下不同负荷特性的影响ｓａｍｅ（ａ）ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｆｌｕｅｎｃｅｗｉｔｈａｍｏｕｎｔｏｆｌａｃｋｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ（ｂ）跳开一条线路后不同负荷特性的影响（ｂ）ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｆｌｕｅｎｃｅａｆｔｅｒｏｕｔａｇｅｏｆｏｎｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ图４．１０不同负荷特性对系统稳定性的影响Ｆｉｇ．４．１０Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｆｌｕｅｎｃｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ负荷特性是负荷内在的客观反映，是负荷本身所固有的，与负荷以外的系统网络无关。正是由于不同负荷自身存在各自相应的这种平衡特性，或平衡约束，从而表现出负荷特性或负荷运行行为的差异。负荷通过其自身固有的特性影响着系统的电压稳定性。负荷特性对仿真结果的影响，已经成为电力系统数值仿真是否和实际情况相符合的关键因素，也是电压稳定研究中的难点所在。负荷特性是电压稳定研究中最活跃最关键和最直接的因素，关于电力系统负荷特性的研究必将受到更多的关注。４７重庆大学硕士学位论文４电压稳定性的数值仿真计算分析４．３小结①在以电容器为主要无功补偿方式的系统中，扰动后系统的无功缺额对系统能否恢复稳定具有很大的影响，无功缺额大的系统易发生崩溃。使用自动投入电容器组，和静止无功补偿装置有利于扰动后系统电压的恢复。对于自动投入电容器组来讲，投入的速度必须快。静止无功补偿器可以连续、双向快速的输出无功功率，补偿效果好于自动投入电容器组。容量和响应速度是静止无功补偿器的两个重要指标。②不同的故障性质对系统电压稳定性的影响不同。短路故障对系统电压稳定性的影响很大。短路持续时间越长，系统发生电压失稳的可能性越大。在轻负荷下断线故障产生的对系统附加的无功需求不大。③电网结构紧凑，负荷离送端电源越近，送端发电机对受端系统的电压支撑作用越强，则系统在扰动后恢复稳定的能力越强。④负荷特性是影响电压稳定性的关键因素，它在很大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程。重负荷下的异步电动机更容易使系统发生电压失稳。重庆大学硕士学位论文５提高电力系统电压稳定性的措施５提高电力系统电压稳定性的措施电力系统是生产、输送、分配和消耗电能的动态系统，其基本特点之一是电能生产与消耗的同时性，因此电力系统稳定问题的物理本质是系统中功率平衡问题。从各国发生的电压崩溃事故来看，电压崩溃是在由单一故障而演变为多重故障，进而发展成为失去控制的电压稳定破坏和因恶性连锁反应的全系统崩溃，如果没有采取及时有效的措施，就有可能扩展而导致大停电事故，解决这个问题需要从系统规划建设及系统运行等方面着手。５．１电网规划一个规划得好的电网结构是保证电力系统安全稳定运行的物质基础，而一个结构上不健全或不合理的电网很难保证不发生稳定破坏事故。所谓好的电网结构包括两方面的内容：其一是为了适合负荷的需要，配置足够的、布置合理的、单机容量和电厂容量不过分集中的电源。其二是，与电源容量和负荷水平相适应的、有足够传输能力的、在正常运行时具有必要的灵活性并且足以应付运行中各种偶然情况，特别是事故情况下的电网结构。对于大电源集中的远距离向负荷中心送电的方式，应通过各种途径来提高其抗扰动的能力。加强系统网架结构的建设，在发电机和负荷之问增加新的输电线路。电力网络的传输能力，特别是从发电侧向负荷侧输送无功功率的能力应引起重视。对于新建线路，采用高波阻抗功率值的线路可以提高电压稳定性。可以通过应用导线和紧凑型线路来实现，增加每相线路导线的数目，可以减小电抗，其等价于对线路进行均匀分布的补偿。在长距离重负荷的输电线路中间装设串联电容器，串联电容器能有效地缩短线路的电气长度，理想的串联电容器提供的无功功率正比于线路电流的平方而与母线电压无关，这将对电压稳定性产生有利的影响。功率平衡原则是电网规划的基本原则，受端系统应做为实现合理电网结构的关键环节应予以加强，从根本上提高系统的安全稳定水平。在必要的情况下，在负荷区域建造可快速启动的燃气发电机组。负荷区域的燃气轮机和其他类型发电机在高负荷时应投运，以减轻电网负担，而不能考虑其缺点不经济。对于传输巨大功率的输电系统，维持其电压稳定性和最小的损耗是十分重要的。装设足够的无功补偿装置，不仅要满足系统正常运行中系统内需要的无功功４９重庆大学硕士学位论文５提高电力系统电压稳定性的措施率，减少无功功率在电网中的流动，而且满足紧急状态下系统的无功需求。无功补偿装置的大小，容量和地点的选择必须根据所有保证系统能满意运行的最为繁重的系统工况的详细研究确定。合理地分散配置并联电容器以及并联电抗器，特别是应增加在故障期间能进行快速投入和断开的控制装置。另外在远距离大容量负荷线路的受端接入大容量并联电容器时，必须特别注意可能产生的电压不稳定现象。简单的并联补偿电容器可用于支撑电压高至某一点，因而可避免电压不稳定问题，但在这一点以外，必须使用象ＳＶＣ、ＳＴＡＴＣＯＭ或同步调相机这样的装置，特别在远距离大容量负荷线路的受端装设这样的装置以实现可控电压支撑，提高受端系统维持电压的能力。规划无功电源时，合理的选择并联电容器、静止无功系统及有可能还包括同步调相机的组合，而使无功补偿更为有效。增加快速响应的无功备用容量，提高系统的电压稳定性。５．２系统运行对于电力系统的运行人员来讲应采用合理的运行方式，及时投切电压和无功功率调整设备。在电力系统重载或紧急情况下，运行人员必须应用可以支配的手段保持输电电压在允许的高水平，确保电压的分布，使负荷母线电压处于ｌ临界电压值以上。如果使用现有的无功补偿装置不能达到上述要求，就必须传输功率，启动发电机组以提供电压支持或减少输送功率。许多发电机运行在高功率因数状态。为了提高电力系统的电压稳定性，应当对发电厂运行人员进行电压稳定性的基本知识的培训。当电力系统处于罕见的紧急状况，需要发电机输出大量的无功功率时，要求运行人员不能降低发电机的无功功率的输出。在一些情况下，减少特定发电机的有功出力可以获得更多的无功功率，从而改善电力系统的电压稳定性。在电力系统遭受严重扰动情况下，可以通过减小有功出力以改善系统电压稳定性。正常状态下通过投入并联补偿装置，使发电机运行在适中的或较低的励磁状念，以提供足够的“旋转”无功备用。进一步可以采取措施，为大型同步发电机进相运行创造条件。实际应用中，应合理地采用带负荷调节分接头的变压器。分接头的调节目标在于维持低压侧电压的恒定，分接头调整使用不当可能产生严重的消极后果，对系统的稳定性造成很不利的影响。故障情况下，应首先考虑投入无功功率电源。重庆大学硕士学位论文５提高电力系统电压稳定性的措施低压减载是解决电压稳定性问题的重要后备手段，是解决电压稳定性的一种有效的分散型控制措施。当电压低到一定程度时，立即切除部分负荷，在事故发生后，要确保主要地区的供电，而不能保证所有地区都能供电。低压减载的延时必须短（１．１．５秒），以防止在电压失稳后期电动机发生堵转现象。在实际运行中通过甩负荷来维持系统电压稳定性的方法还很少用，这是维持系统电压稳定的最后一道防线。５．３电压安全监控系统随着计算机技术的日益发展，为建立电压安全监控系统，帮助调度员发挥作用提供了条件【４…。电压安全监控系统应该具备以下功能：告诉调度人员电力系统当前运行状态的电压稳定性如何：当电压稳定裕度不够时向调度人员提供可以采取的措施，显示电压稳定易于破坏的薄弱区域；当切负荷成为不可避免的手段时，告诉调度人员在哪些节点，分别切除多少负荷最为合适。开发出具备以上功能的软件将极大的提高电力系统安全运行的水平，使电力系统运行能够防患于未然。调度员能够及时发现可能导致电压失稳的诱因，采取及时必要的措施予以排除，从而使电力系统运行于安全、经济、可靠条件下，产生出巨大的社会和经济效益。５．４建立正确计算模型做好充分预案准备在２００３年８月１４日发生的美加大停电的事故后的原因分析中提到在系统计算分析、仿真试验方面存在不足，因此未能事先提示此类事故发生的可能性，也未能作好充分的预案准备。由于负荷组成的复杂性，负荷模型和实际情况相差较大成为制约仿真结果正确性的主要因素。负荷特性及配电系统电压控制装置是影响系统电压稳定性的关键因素。掌握一个实际系统的负荷特性的详细资料，对系统的规划运行意义重大。根据现场实测综合负荷数据，进行总体测辩建模，以确定负荷模型的参数，对电力系统的生产运行、规划设计具有重要的意义。准确的负荷模型对电压稳定的研究至关重要。对负荷模型的研究工作正在受到Ｒ益关注。研究解决如何建立符合实际情况的负荷模型将成为未来仿真软件的主要任务之一。重庆大学硕十学位论文５提高电力系统电压稳定性的措施５．５小结提高系统电压稳定性应从电网规划及系统运行等多方面入手。加强系统网架结构的建设，特别是从发电侧向负荷侧输送无功功率的能力应引起重视。加强受端系统电源建设，从根本上提高系统的电压稳定性。合理的选择并联电容器、静止无功系统及有可能还包括同步调相机的组合，而使无功补偿更为有效。增加快速响应的无功备用容量，提高系统的电压稳定性。在一些情况下，减少特定发电机的有功出力可以获得更多的无功功率。实际应用中，应合理地采用带负荷调节分接头的变压器。低压减载是解决电压稳定性问题的重要后备手段。开发出具备强大功能的电压安全监控软件将极大的提高电力系统安全运行的水平，使电力系统运行能够防患于未然。掌握一个实际系统的负荷特性的详细资料，对系统的规划运行意义重大。负荷模型的粗糙已经成为制约仿真准确程度的关键因素。研究解决如何建立符合实际情况的负荷模型，做好事故预案将极大的提高电力系统运行的稳定性。重庆人学硕＋学位论文６结论６结论现代电力系统逐步呈现出负荷和电源分离的特点，受端系统缺乏必要的电压支撑，电压稳定问题变得日益突出。本论文在对电压稳定性的机理进行了基本分析后，着重对电力系统各元件对电压稳定性的影响因素进行了详细的分析。包括各元件的特性及控制方法对电压稳定性的影响。使用ＭＡＴＬＡＢ中的仿真工具ＳＩＭＵＬＩＮＫ建立了一个简单系统的数学模型，并对影响电力系统电压稳定性的影响因素做了数值仿真分析。深入讨论电源、负荷和网架结构三方面对电压稳定性的影响。论文得出了以下结论：①电力系统稳定问题的物理本质是系统中功率平衡问题。扰动后系统稳定的前提条件是负荷的无功电压静态特性和电源的无功电压静态特性有交点，并且在该点具有维持电压微小变化的能力。大扰动电压稳定性还依赖于系统中各元件无功功率的变化速度。②针对电力系统的无功电源来讲，较大的无功容量，较快的响应速度对电压稳定性越有利。电容器组的投入速度对电压稳定性影响很关键，投入速度必须足够的快，否则不能够阻止系统发生电压崩溃的事故。静止无功补偿装置的补偿特性优于机械投切并联电容器组的方式，它可以连续、快速、双向的对系统进行无功补偿。负荷特性中的异步电动机的特性对系统电压稳定性具有重要的影响。异步电动机的动态特性是负荷动态特性中的主要方面。带有较重负荷的异步电动机临界电压值较高，更容易使系统发生电压崩溃的事故。无功功率不能长距离的传送，尤其是在传送较大的有功功率的情况下。输电线路功率传输能力的是影响电力系统电压稳定的又一个主要因素。有载调压变压器班满足低压侧电压为调节目标，在系统无功缺乏的情况下，对电压稳定将产生不利的影响。③建立了数值仿真计算模型，对采用固定电容器补偿、可投切电容器补偿、以及静止无功补偿装置的补偿效果进行了对比分析。验证了不同无功补偿方式对电压稳定性的影响。仿真还验证了不同的故障性质对系统电压稳定性的影响。断线故障对系统电压稳定性的影响小于短路故障，对于短路故障来讲，短路持续时间越长，系统发生电压失稳的可能性越大。对电网结构而言电网结构紧凑，负荷离送端电源越近，送端发电机对受端系统的电压支撑作用越强。最后使用另外一种重负荷下的数学模型进行仿真，得Ｈ｛了负荷特性是影响电压稳定性的关键因素，它在很大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程。④论文最后提出了提高电力系统电压稳定性的方法措旋。电源规划的重要原重庆大学硕士学位论文６结论则是尽可能的保证功率的就地平衡，出于经济上的考虑，长距离的输电不可避免，静止无功补偿装置的使用应该引起足够的重视，使系统实现可控的电压支撑。保持系统内快速响应的无功备用对电压稳定性十分有利。目前电压稳定性研究中模型尤其是负荷模型和实际情况相差较远成为制约仿真结果正确性的主要因素，研究解决如何建立符合实际情况的负荷模型，有助于建立完善的事故预案准备，提高系统的电压稳定性。论文对影响电力系统电压稳定性的因素作了较全面的分析，在实际应用中具有一定的指导意义。重庆大学硕士学位论文致谢致谢本论文的实施工作是在我的导师牟道槐教授的悉心指导下完成的。牟老师在电力工程领域具有丰富的理论知识及实际经验，牟老师独特的思维方式、形象的教授方法，使我对该领域的研究工作产生了浓厚的兴趣，掌握了分析电力系统问题的思想和方法，为以后的工作打下了一个良好的基础。在此我向牟老师表示深深的感谢！同时在我论文实施工作中还得到了其他同学和老师的帮助，在此我表示诚挚的谢意！我还要感谢我的爸爸、妈妈，是他们给了我不断进步的力量！王莉丽２００４年５月于重庆大学电气工程学院重庆大学硕十学位论文参考文献参考文献【Ｉ］ＩＥＥＥｃｏｍｍｉｔｔｅｅＲｅｐｏｒｔ，ＶｏｌｔａｇｅＳｔｓｂｉｌｉｔｙｏｆＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ：Ｃｏｃｅｐｔｓ，ＡｎａｌｉｔｉｃａｌＴｏｏｌ，ａｎｄｌｎｄｕｓｔｙＥｘｐｉｅｎｃｅ．ＩＥＥＥｐｕｂｌｉｓｉｏｎ９０ＴＨ０３５８—２一ＰＷＲ【２】ＰＲＡＢＨＡＫＵＮＤＵＲ，电力系统稳定与控制，中国电力出版社，２００２．５【３］刘鹏等，电力系统无功功率的补偿，华东电力，２００２．１２Ｐ６１【４］ＣＡＲＳＯＮＷ．ＴＡＹＬＯＲ，电力系统电压稳定，中国电力出版社，２００２．１２【５】何利铨，电力系统无功功率与有功功率控制，重庆大学出版社１９９５年４月【６】周双喜等．直流输电对电压稳定性的影响，清华大学学报１９９９ｖ０１３９ｎｏ．３［７】中国电力科学研究院报告，美国２００３年８．１４大停电事故情况综述，２００３年８月【８］ＣｌＧＲＥＴＡＳＫＦＯＲＣＥ３８—０１—０３ｐｌａｎｎｉｎｇａｇａｉｎｓｔｖｏｌｔａｇｅｃｏｌｌａｐｓｅ”，ｅｌｅｃｔｒａ，Ｎ０１１ｌ，ＰＰ．５５·７５，ｍａｒｃｈ１９９３【９］ＣｕｓｔｅｍＴＶ，ＶｏｕｒｎａｓＣ．ＶｏｌｔａｇｅＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ．ＫｌｕｗｅｒＡｃａｄｅｍｉｃＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ１９９８【１０】ｃＩＧｌｕｊｌｋｋＦｏｒｃｅ．ＬｏａｄＭｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄＤｙｎａｍｉｃｓ．Ｅｌｅｃｔｒａ，Ｎｏ．１３０，ＰＰ．１２３－４１，Ｍａｙｌ９９０【１１］Ｄｏｂｓｏｎｌ，ＬｌｌＬ．Ｖｏｌｔａｇｅｃｏｌｌａｐｓｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄｂｙｔｈｅｉｍｍｅｄｉａｔｅｃｈａｎｇｅｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｗｈｅｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｒｅａｅｔｉｖｅｐｏｗｅｒｌｉｍｉｔｓａｒｅｅｎ—ｃｏｕｎｔｅｒｅｄ．Ｐａｒｔ【Ｊ】ＩＥＥＥＴＣｉｒｅｕｉｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ，１９９２，３９（９）：７６２—７６６【１２］ＱｕｉｎｔａｎａＶＨ，ｅｔａｌ．Ｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ∞ａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｄｉｓｃｒｅｔｅｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆｐｏｗｅｒｎｅｔｗｏｒｋｓＩＥＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ－ＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，１９９４，１４１（４）：３４６—３５２．［１３】ＩＥＥＥＳｐｅｃｉａｌｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，ｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ：ｃｏｎｃｅｐｔｓ，ａｎａｌｙｔｉａｃａｌｔｏｏｌｓ，ａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｙｅｘｐｅｄｅｎｃｅ，９０ＴＨ０３５８－２－ＰＷＲ，１９９０【１４】潘文霞等，电力系统电压稳定性研究综述，电网技术ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＴｅｅｌｆｎｏｌｏｇｙＶ０１．２５Ｎｏ．９Ｓｅｐ．２００１第２５卷第９期２００１年９月［１５】袁季修电力系统安全稳定控制中国电力出版社１９９６［１６】徐泰山，薛禹胜，韩桢祥关于电力系统电压稳定分析方法的综述电力系统自动化１９９６，［１７】曹一家等电力系统电压稳定问题综述（－－）、（二）电力系统自动化１９９４．７（１８】余贻鑫，王成山．电力系统稳定性的理论与方法一Ｅ京：科学出版社，１９９９（１９］Ｅ．Ｓ．ＣＡＴＥ，Ｔｉｍｅｆｒａｍｅｎｏｔｉｏｎａｎｄｔｉｍｅｔｉｍｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｓｉｎｔｒａｎｓｉｅｎｔ，ｍｉｄｔｅｒｍａｎｄｌｏｎｇｔｅｒｍｓｔａｂｉｌｉｔｙｐｒｏｇｒａｍｓ，１ＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｏｎｐｏｗｅｒａｐｐａｒａｔｕｓａｎｄａｙｓｔｅｍ，ｖ０１．ｐａｓ一１０３，ｎ０，１４３—１５１，Ｊａｎｕａｒｙ１９８４【２０］Ｃ．Ｗ．Ｔａｙｌｏｒ，Ｃｏｎｃｅｐｔｏｆｕｎｄｅｒｖｌｏｔａｇｅｌｏａｄｓｈｅｄｄｉｎｇｆｏｒｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｌＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｏｎｐｏｗｅｒＤｅｌｉｖｅｒｙ，ｖｏｌ７．，ｎｏ，４８０—４８８，Ａｐｒｉｌ１９９２重庆人学硕士学位论文参考文献［２１］段献忠，何仰赞，陈德树．电压崩溃机理探讨．电力系统及其自动化学报，１９９１，３（２）：１～７【２２］周文贺仁睦等．电力负荷建模问题研究综述．现代电力１９９９ＶＯＬ１６，ＮＯ．２【２３】陈元新蒋寿生李欣然．感应电动机及电力综合负荷模型结构的研究．艮沙电力学院学报．２０００ＶＯＬ．１５，Ｎｏ．２【２４Ｊ段献忠等．计及负荷特性的电压稳定安全指标快速计算．中国电机工程学报，１９９５，１５（３）：１６６－１７１【２５］彭志炜等电力系统负荷电压稳定性研究电力系统自动化１９９７．８ｆ２６］ＣＩＧＲＥＴＥ８．０２．１０．ＭｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｖｏｌｔａｇｅＣｏｌｌａｐｓｅＩｎｃｌｕｄｉｎｇＤｙｎａｍｉｃＰｈｅｎｏｍｅｎａ，１９９３，３［２７］ＶａａｈｅｄｉＥ．，ＺｅｉｎＥＩ－ＤｉｎＨＭ．，ＰｒｉｃｅＷＷ．ＤｙｎａｍｉｃＬｏａｄＭｏｄｅｌｉｎｇｉｎＬａｒｇｅＳｃａｌｅＳｔａｂｉｌｉｔｙＳｔｕｄ－ｉｅｓ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰＷＲＳ－３，ＰＰ．１０３９—４５，１９８８［２８】ＳｅｍｌｙｅｎＡ，ＧａｏＢ，ＪａｎｉｓｃｈｅｗｓｋｙｊｗＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＥｘｔｒｅｍｅＬｏａｄｉｎｇＣｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔ３０７～３１５ｏｆＶｏｌｔａｇｅＳｔａｂｉｌｉｔｙ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓＰＷＲＳ，１９９１，６（１）：【２９］ＭａｎｓｏｕｒＹ．ＶｏｌｔａｇｅＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ：Ｃｏｎｃｅｐｔｓ，ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＴｏｏｌｓａｎｄＩｎｄｕｓｔｒｙＥｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，１ＥＥＥＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｄｎｇＣｏｍｍｉｔｔｅｅ，１９９１【３０１牟道槐等．影响同步发电机无功．电压特性的因素分析．重庆大学学报（自然科学版）１９９７．１［３１１刘文华等．采用ＧＴＯ逆变器的：ｔ：２０ＭｖａｒＳＴＡＴＣＯＭ．电力系统及其自动化２０００．２３期ｆ３２１孙元章等ＡＳＶＧ非线性控制对电压稳定性改善的研究电力系统自动化１９９６．６［３３］包黎昕等ＳＶＣ和ＴＣＳＣ提高电压稳定性作用的动态分析电力系统自动化２００１．７【３４］翔Ｊ大鹏等选择最佳ＴＣＳＣ安装地点提高电力系统电压稳定性电力系统自动化２００２．３【３５】ＩｎｄｕｌｋｅｒＣＳ，ｅｔａｌＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒＬｉｍｉｔｅｄＶｏｌｔａｇｅＳｔａｂｉｌｉｔｙｉｎＳｅｒｉｅｓａｎｄＳｈｕｎｔＰＥＳＣｏｎｐｅｎｓａｒｅｄＳｃｈｅｍｅｓｆｏｒＡＣＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓＩＥＥＥＳＭ１９８８．５７５－３【３６］孙元章等ＦＡＣＴＳ对多机系统静态电压稳定性的影响电力自动化设备２００１．１［３７］ＭｏｒｉｓｏｎＧ，ＫＶｏｌｔａｇｅＳｔａｂｉｌｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓＵｓｉｎｇＳｔａｔｉｃａｎｄＤｙｎａｍｉｃＡｐｐｒｏａｃｈｅｓＩＥＥＥＴｒａｎｓＰＷＲＳ１９９３．８（３）［３８］段献忠等有载调压变压器与电压稳定性关系的动态分析电力系统自动化１９９５．１【３９１彭志炜等１９９９．２有载调压变压器对电力系统电压稳定性影响的动态分析中国电机Ｉ程学报［４０】余贻鑫等，电力系统电压稳定性的基本理论与方法（＾），电力系统自动化，１９９６，ｖｏｌ２０，１ｌ５７重庆大学硕士学位论文附录作者在攻读硕士期间发表的文章［１］乇莉丽等，电力系统的无功一Ｌｂ压特性及电压稳定性分析，电：ｒ技术，２００４，ＮＯ．１：８－９独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：踟本学位论文作者完全了解签字日期：刎年万月．髟曰学位论文版权使用授权书重庞太堂有关保留、使用学位论文可以将学位论文的全的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权复制手段保存、汇编学位论文。保密（本学位论文属于不保密（ｖ，）。（请只在上述一个括号内打“√”）重庆太堂部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等），在——年解密后适用本授权书。学位论文作者签名：互冀积签字日期：彻扛年Ｆ月形目导师签名：牟薹穆签字日期：≥一中年广月汐日影响电力系统电压稳定性的因素分析

作者：王莉丽学位授予单位：重庆大学

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