电力系统电压稳定的研究

【摘要】随着电力工业的发展，对于电压稳定系统的研究日益得到关注，特别是近年来用电负荷的猛增，受短系统主力电厂供电压力加大，远距离传输及大容量电量交换带来的安全稳定性问题突出。为此，本文在分析电压稳定定义及机理中，从数学模型来阐明电压稳定的机理，并从三个方面进行电压稳定解释。

【关键词】电力系统 电压稳定 数学模型 影响分析

电力系统中的电压稳定工作越来越受到关注，特别是在近年来用电量的骤增，密集型电网负荷与邻近送端系统、输电系统等交换量剧增而带来的安全稳定性问题，都对电力系统的规划、建设及运行管理带来挑战。电力工业的发展，受端系统的扩大，最高用电负荷占全网比重的居高不下，来自电厂建设容量自身因素的影响，以及电能长距离传输中的电能转化等问题，都加剧了电力系统安全稳定性，如部分地区出现的大面积停电事故，对高压电网，特高压电网的受端系统安全带了重创。

一、电压稳定性及数学模型研究

对于电压稳定性的概念，主要是电力系统在给定的初始状态下受到的扰动系统而母线维持稳定电压的能力。从电压稳定性来看，由于受到系统负荷需求的影响，电力系统保持和恢复电力平衡的能力，而电力崩溃往往是因电力供应故障导致的大面积停电，诱发电压不稳定或不正常低电压状态。外界的扰动对电力系统电压稳定具有感染，电压失稳主要表现在静态小扰动失稳、暂态大扰动失稳及大扰动动态失稳或长过程失稳等情况。电力系统电压稳定性是保障安全用电的前提，当系统向负荷提供的功率不能随着电流的增加而增加时，负荷试图从加大电流中来获得更大功率，由此带来的电压不稳定状态，其因素归结为两点：一是以某用电器为例，当电压降低时，用电器会加大开机时间与停机时间的比值，群体效应出现用电负荷加大电流的需求；二是当系统处于电压不稳定时，用户会刻意调高现行用电设备的负荷，或增加设备的档次改变整定值，无形中都加大了负荷节点的电流。如果这种负荷持续地加大电流以获得更大的功率，则会形成正反馈式的恶性循环，导致电压崩溃。

对于电力系统中电压稳定性的数学模型表示，本质上属于非线性动力系统，利用微分方程进行描述为：X=f（X，Y，Zc，Zd）；0=g（X，Y，Zc，Zd）；Zc=hc（X，Y，Zc，Zd）；Zd（k+1）=hd（X，Y，Zc，Zd（k））。对于X表示为暂态状态变量，Y为节点电压幅值和相位，Zc表示为连续变化的长期变量；Zd表示为离散变化的长期变量。从电压稳定性机理分析来看，对于短期现象和长期现象之间的变化是有益的，在短期动态研究中，可以认为慢变量是快暂态期间的常数，也就是说，暂态电压稳定性数学模型简化为：X=f（X，Y）；0=g（X，Y），从而发现，对于暂态电压稳定模型与暂态功能稳定模型是相似的，从而可以认为对于动静态负荷特性的暂态功能稳定仿真模型可以用来描述暂态电压稳定性。

二、对电压稳定性的数学模型分析

（一）纯电阻电路

在电阻电路中利用简化手段来假设不同负载下，RL的变化对系统运行功率、电压的影响曲线数学模型为PLMαx==E2/（4RS），RS=RLULCY=E/2

当RL=RS=1Ω时，系统对应的功率电压曲线正好处于鼻点，即PL得到最大值。同时，对于电源内阻来说，负载会因增加电流来获得最大功率，而负载电压反而要下降；也就是说，对于负载的功率对应的电流值大于最大电流时，负载的功率就不能增加，负载试图从增大功率中来获得电流的可能就难以实现，从而发生电压崩溃现象。

（二）交流电路

在高压交流电力系统中，电压控制与无功功率关系紧密。我们假设电路为单一阻抗电路，获得交流电路数学模型为：

对于RL=RS、XL=-XS时，负载获得的最大有功功率为PLmax==E2/（4RS），其临界电压为ULCY=E/（2RS），则电源不会产生无功功率。当RL=-RS、XL=XS时，负荷最大无功功率为QLmax==E2/（4XS），临界电压为ULCY=E/（2XS），则电源为纯电抗负荷。由于在交流电力系统中，无功功率问题更趋复杂，有功功率是电力系统的主要功能，受端系统的无功功率反而会影响最大受电有功功率，从而引发电压不稳定。

三、结语

从电压稳定性问题的根源来看，对于电力系统主要有三个因素。一是输电网络自身的能力限制。通常在电力系统中，当运行接近电压稳定极限时，无论是有功还是无功负荷的增加都会引发暂态电压失稳。由于系统负荷及负荷侧各元件特性对发电系统侧及系统网络的影响局限，割裂了电力系统的完整性，从而使得暂态电压稳定与暂态功角稳定的关系解释不清，其分歧主要集中在如何理解以感应电动机为代表的负荷稳定性与暂态电压稳定性的关系。我们通过对暂态电压失稳问题的研究，输电网络一旦出现大的扰动，对网络自身的负荷带来直接影响，从而导致同一功率下的电压失稳。二是负荷动态特性的影响，从暂态负荷特性与稳态负荷特性的对比来看，暂态负荷更具敏感性，特别是随着负荷母线电压的下降，从系统中吸收的无功功率会形成电压下降正反馈机制，导致电压跌落严重，感应电动机无功功率上升，导致电压崩溃。当然，对于感应电机的失稳如果仅导致个别节点负荷的电压下降，则扔视为暂态电压稳定性，如果导致整个系统电压严重失稳，则成为负荷动态影响。三是受端电压支撑不足，由于高压电力系统输电距离远，对于线路中突发的扰动，往往对励磁绕组带来过励磁或过载状态，导致网络无功功率发生。另外，对于并联电容器、SVC等引发的暂态电压失稳，因电容器的无功支持导致的电压变化，也容易诱发暂态电压失稳。SVC动态调节有利于调整暂态电压失稳，但对于最大输出电流时，SVC丧失无功调节能力，同样导致暂态电压失稳。

参考文献：

[1]刘光晔，杨以涵.电力系统电压稳定与功角稳定的统一分析原理[J].中国电机工程学报，2013，（13）.

[2]何开教，方鸽飞，刘荣.发电机励磁系统调节参数对电力系统动态电压稳定的影响[J].机电工程， 2012，（01）.