电力系统电压稳定问题的初步研究

河南机电高等专科学校毕业设计/论文1绪论电力系统是由电能生产、传输、使用的能量变换、传输系统和信息采集、加工、传输、使用的信息系统组成的。电力系统稳定性问题可以分为角度稳定、电压稳定和频率稳定三个方面。电压稳定性问题与发电系统，传输系统和负荷系统都有关系。电压稳定性是指电力系统在正常运行或经受扰动后维持所有节点，电压为可接受值的能力引起电压不稳定的主要因素是电力系统没有能力维持无功功率的动态平衡和系统中缺乏合适的电压支持；电压不稳定性受负荷特性影响很大。电压崩溃通常是由以下几种情况引发的：①负荷的快速持续增长；②局部无功不足；③传输线发生故障或保护误动；④不利的OLTC的动态调节；⑤电压控制设备限制器（如发电机励磁限制）动作。这些情况往往是互相关联的，持续恶化的相互作用将最终导致电压崩溃的发生。电压安全是指电力系统的一种能力，即不仅在当前运行条件下电压稳定，而且在可能发生的预想事故或负荷增加情况下仍能保持电压稳定。它意味着相对可信的预想事故集合，电力系统当前运行点距离电压失稳点具有足够的安全裕度。为了防止电压失稳/崩溃事故，最为关心的问题是，当前电力系统运行状态是不是电压稳定的，系统离电压崩溃点还有多远或稳定裕度有多大。因此必须制定一个确定电压稳定程度的指标，以便运行人员做出正确的判断和相应的对策电压稳定性研究的方法：非线性动力学方法、概率分析方法、静态分析方法和动态分析方法。电力系统是非线性动力系统，稳定本身属于动态范畴，电压失稳或电压崩溃本质是一个动态过程。当我们深入研究电压不稳定发生的原因、机理及其变化过程时，特别是要研究因电压过低而导致系统的动态稳定破坏时，静态分析方法难以完整计及系统动态元件的影响，因此无法深入研究电压失稳的机理及其演变过程。必须在计及元件动态作用的前提下，建立恰当的数学模型，采用合适的动态方法进行研究才能真正揭示电压失稳的发展机制。负荷特性在电压稳定研究中起着重要作用，它直接影响分析的结果，但由于负荷的随机性、分散性及多样性，严格统一负荷特性尚无法确立，这使得负荷特性成为电压稳定研究的一个瓶颈，所以要深入这方面的研究。河南机电高等专科学校毕业设计/论文2第1章电力系统的结构1.1电力系统的定义现代电力系统是由电能生产、传输、使用的能量变换、传输系统和信息的采集、加工、传输、使用的信息系统组成的，是一个复杂的非线性动力系统，它的安全、稳定运行是电力系统的基本要求。1.2电力系统的结构电力系统的基本特性：（1）由运行电压基本恒定的三相交流系统组成，发电和输电设施采用三相装置，工业负荷总是三相；单相家用和商用负荷在各相之间等量分配，以便有效地形成平衡的三相系统。（2）采用同步发电机发电。原动机将一次能源（化石燃料、核能和水能）转换为机械能，然后由同步发电机将它转换为电能。（3）将电力远距离输送到广大区域的电力用户，需经由运行于不同电压水平的子系统组成的输电系统。电力系统的特点是与电能的特点相联系的。电能生产、传输和使用从诞生之日起就具有鲜明的系统性，这是由电能系统的本质决定的。电能以光速传播，迄今为止未能实现工业规模、大容量的电能存储，因此电能的生产与消费几乎是在同一瞬间内完成的，发电、输电、变电、配电、用户组成了始终处于连续工作和动态平衡的不可分割的整体；电能供应系统和用户处于相互影响、相互制约之中，电能供应系统要适应用户对电能需求的随机变化，向用户连续不断地提供质量合格、价格便宜的电能。用户（负荷）的特性和随机变化又反过来影响和冲击着电能供应系统；电能和社会的生产、人民的生活、国家的国名经济紧密相关，它既能够创造巨大的物质财富和现代文明，也可能在瞬间造成重大的灾难，使现代社会陷入混乱。因此在各个环节和不同层次一定要具有相应的信息与控制系统，对电能的生产、传输、使用的过程进行测量、调节、控制、保护和协调调度，以保证电力系统的正常运行，使用户获得安全可靠、优质、廉价的电能。作为现代社会的一个关键部门，电力系统在工农业生产、交通运输、商业和人民生活的各个方面起着重要的作用。每个现代国家的发展都与电能的利用水平密切相关。河南机电高等专科学校毕业设计/论文3第2章电力系统稳定性的定义及其分类电力系统稳定即电力系统能够运行于正常运行条件下的平衡状态，在遭受干扰后能够恢复到可容许的平衡状态。根据系统结构和运行模式的不同，电力系统不稳定可以通过不同的方式变现出来。传统上，稳定是一个维持同步运行的问题。由于电力系统依靠同步电机发电，因而良好的系统运行的必要条件是所有电机保持同期，即同步。这一稳定的状况受发电机转子角的动态和功角关系的影响。不失去同步也可能产生不稳定。例如，有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，可因负荷电压崩溃而变得不稳定。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，这种形式的不稳定也可能在大系统向广大区域负荷供电的情况下发生。电力系统的稳定性所关心的问题是电力系统遭受暂态扰动后的行为。扰动可小可大。小扰动随负荷的变化而连续发生，系统本身必须不断调整以适应变化的条件。系统必须有能力在这些条件下令人满意地运行，在出现最大负荷时能成功地供电。系统还必须有能力在多种严重的扰动下保持运行，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间的联络线。电力系统频率都有其允许极限值、运行频率在极限值以内是频率稳定的。如果电力系统或被解列出后的局部系统出现较大有功功率缺额时，频率会大幅度下降，如不能采取紧急措施，则可能导致频率崩溃。电力系统稳定分类通常基于产生不稳定的物理特性，需要考虑的扰动大小，为确定稳定性必须考虑的设备、过程和时间跨度，以及计算和预测稳定性的合适方法等。电力系统稳定性问题可以分为角度稳定、电压稳定和频率稳定三个方面。关注的重点为系统的角度稳定性，尤其是集中在系统受到大的扰动或故障冲击后其暂态行为特征方面。2.1角度稳定性及其分类电力系统角度稳定性是指电力系统中同步运行的发电机在受到扰动后，发电机组的机械输入和电功率输出之间产生短时不同程度的不平衡，使并列运行的各发电机组转速发生相应的不同变化，电力系统因而出现发电机转子间角度的相互摆动，以及电压、电流、功率等电气量的周期性变化。转子角度稳定性是电力系统中互联的同步发电机维持同步的能力。在交流输河南机电高等专科学校毕业设计/论文4电系统中，所有连接在系统中的发电机都要保持同步运行。由于交流输电具有电抗、输送的功率有一定的极限。交流输电的基本功角特性为：P12UUXsin12（2－1）式中：1U、2U为送端和受端发电机电动势12为两电动势的相角差；X为线路、发电机和变压器的电抗。静态稳定极限功率为:12UUPX（2－2）当系统受到扰动后，就可能使线路上输送的功率超过它的极限，使送端发电机与系统失去同步，造成发电机与系统解列或系统瓦解。这种系统失去同步的不稳定也称作系统角度不稳定问题。这种角度不稳定分为两种：一种是由于缺少同步转矩导致发电机转子角度逐步增大，一种是由于缺少有效阻尼转矩导致转子角增幅振荡。角度稳定性分为静态稳定和动态稳定静态稳定性主要指系统受到小干扰后保持所有运行参数接近于正常值的能力。动态稳定性主要指系统受到大干扰后。系统的运行参数恢复到接近正常值的能力。所谓干扰是指电力系统的一个或多个参数，或运行状态量突然的或是连续的改变。（1）小干扰：系统分析时，可以将描述电力系统动态过程加以线性化的干扰。（2）大干扰：系统分析时，不可以将描述电力系统动态过程加以线性化的干扰。2.2频率稳定性电力系统的频率是电能质量的指标之一。发电出力和用电负荷的变化都会引起频率的偏移，所以要根据频率偏差随时进行调整。整个电力系统的频率特性是发电频率特性、负荷频率特性及电压影响的综合结果，它表示电力系统功率不平衡时平衡频率变化的特性。系统频率变化时，引起发电机输出功率变化，这是发电系统的频率特性或河南机电高等专科学校毕业设计/论文5称之为发电频率调节效应。系统频率变化时，引起负荷消耗的功率变化，这是负荷系统的频率特性或称之为负荷频率调节效应。系统频率变化时，还会引起电网电压的变化，而电压变化又将引起发电功率和负荷功率的变化。图2-1电力系统稳定类型2.3电压稳定性电力系统在给定的稳态运行点遭受一定的扰动后，如果负荷节点的电压能够达到扰动后平衡点的电压值，则称系统为电压稳定。电压失稳或电压崩溃是一个动态过程，“稳定”一词本身意味着是一个动态系统，而电力系统正是一个动态系统，相对于功角（同步）稳定，系统电压稳定的动态特性主要决定于负荷与电压控制措施，电压稳定则被称为负荷稳定。电压稳定的准则就是对系统中每一母线，在给定的运行条件下，当注入母线的无功功率增加时，其母线电压幅值也同时增加。如果系统中至少有一个母线的电压幅值随注入该母线的无功功率的增加而减小，则该系统是电压不稳定的。河南机电高等专科学校毕业设计/论文6第3章研究电压稳定的意义3.1电力系统电压不稳定特征当一个系统在紧急事故之后经受突然无功需求增加时，增加的无功需求时由发电机和无功补偿设备的无功储备来平衡的。在系统有充足的无功储备时，系统电压可调整到稳定的电压水平。而在系统无功储备短缺时，附加无功需求增加时可能导致电压崩溃，引起系统部分或全部停电。电力崩溃的过程一般的情景是：电力系统经受非正常运行工况，接近负荷中心的大发电机退出运行。结果，某些高压传输线路负荷加重，网络损耗增加，使无功备用资源处于最小。继电保护动作，跳开重负荷线路，负荷转移到其余邻近的线路。在该线路中的无功损耗急速增加，电压降低，引起线路级联跳闸。在失去高压传输线路之后，特别大的无功需求引起邻近负荷中心电压的很大的降低，这将引起负荷的减小。然而发电机将通过增加励磁快速恢复其端电压，综合结果引起无功潮流在变压器和线路这些元件两端的电压降落。在负荷中心超高压和高压网电压的降低将反过来会影响配电系统，使其二次侧电压降低。这时，变电所的变压器将例如恢复配电电压。从而在几分钟内使负荷达到故障前的水平。变压器分接头每一次动作，都使得高压侧线路上的负荷增加，同时增加线路损耗，它反过来又引起高压侧线路电压进一步下降。如果高压线路负荷超过波阻抗负荷，则线路中每增加1MVA负荷将引起几Mvars的线路损失。随着每一分接头的动作，整个系统中发电机的无功输出将增加。慢慢地发电机就一台接一台的达到它的无功容量极限。当第一台发电机达到它的磁场电流极限时，它的电压就要降落。因为发电机固定有功输出，因此电压降低必导致电枢电流增加。要保持电枢电流在允许的限制内，就要进一步减小无功的输出。该发电机分担的无功就转移到其他发电机，导致越来越多的发电机过负荷和更多的发电机失去电压控制，从而系统遭受电压不稳定，最终将导致电压崩溃或雪崩，还可能导致发电机失去同步和大面积停电。电压崩溃可以概括由如下特征：（1）电压崩溃前的系统往往处于中负荷运行状态，系统运行备用紧张，传输线潮流接近最大功率极限。（2）电压崩溃起因可能不同：系统负荷持续增加；大的突然扰动；失去发电机组；线路重负荷；运行人员在处理非正常工况过程中判断错误，误操作，使事故扩大等。有时一个表面平静无事的扰动也可能导致事故扩大，最终引起电压崩河南机电高等专科学校毕业设计/论文7溃。（3）电压崩溃问题的核心事系统满足无功需求的不稳定。通常，电压崩溃包括系统具有重负荷线路的情况，当从邻近区域传输无功功率发生困难时，再要增加无功功率支持就可能导致电压崩溃。（4）低电压下，线路距离保护动作，使并行输电线相继跳闸；发电机励磁限制器动作。引起发电机级联跳闸；低电压情况下，OLTC动作，恢复二次侧负荷，使一次系统电压进一步跌落。这些使电压崩溃的重要机理。（5）电压崩溃通常显示为慢的电压衰减，这是由于许多电压控制设备和保护系统作用及其相互作用积累过程的结果。电压崩溃过程可持续几分钟量级。有些电压崩溃动态时间为几秒钟量级，这样的事故通常是由不利的负荷成分引起的。这种电压不稳定的时间框架与转子角不稳定时间框架相同。在许多情况下，电压不稳定和转子角不稳定是相互耦合的。（6）电