張志文，謝洪濤

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 引言

20世紀(jì)70年代以來，世界上相繼發(fā)生了多次電壓崩潰引起的大面積停電事故，比較典型的有:1983年12月27日瑞典電網(wǎng)、1987年1月12日法國電網(wǎng)、1987年7月23日日本東京電網(wǎng)、1996年7月2日美國西部聯(lián)合電網(wǎng)(WSCC)等。在我國，1972年7月27日湖北電網(wǎng)和1973年7月12日大連電網(wǎng)也發(fā)生了電壓崩潰事故。引起了世界各國電力工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的廣泛關(guān)注［1－3］。

有關(guān)研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題的文章逐漸增多，但從總的情況來看，對(duì)電壓穩(wěn)定問題的研究不如對(duì)功角穩(wěn)定問題的研究那樣廣泛和深入。

電壓穩(wěn)定研究的最終目的是開發(fā)和應(yīng)用有效的控制策略來防止電壓崩潰［4］。為了防止電壓失穩(wěn)，維持電壓穩(wěn)定，有很多控制措施可以采用。這些控制方法一般分為預(yù)防控制、緊急控制和校正控制。預(yù)防控制主要包括系統(tǒng)規(guī)劃方面的如加強(qiáng)輸電網(wǎng)絡(luò)，串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償?shù)?，也包括系統(tǒng)運(yùn)行方面的如發(fā)電機(jī)的線路壓降補(bǔ)償，二級(jí)電壓控制等，緊急控制主要包括快速補(bǔ)償裝置投切，有載調(diào)壓變壓器緊急控制。而低壓減載則屬于校正控制的一種［5，6］。

2 低壓減載作用機(jī)理分析

簡(jiǎn)單一回線電力系統(tǒng)示意圖如圖1所示，發(fā)電機(jī)經(jīng)一段輸電線路向負(fù)荷節(jié)點(diǎn)供電，其中發(fā)電機(jī)和輸電線總阻抗為Z1=|Z1|∠θ，負(fù)荷阻抗為ZL=|ZL|∠φ，由圖1可得以下結(jié)論:

圖1 簡(jiǎn)單單回線電力系統(tǒng)

將式(2)帶入式(1)，可得

當(dāng)V1、Z1、φ 一定時(shí)，V2、P取決于|ZL|。當(dāng)負(fù)荷需求增加的時(shí)候，由式(3)、(4)就可以求出負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓V2和負(fù)荷有功功率的關(guān)系PV曲線，如圖2所示。

圖2 PV關(guān)系曲線

當(dāng)|Z1/ZL|=1時(shí)，對(duì)應(yīng)圖中的A點(diǎn)，這點(diǎn)為PV曲線臨界點(diǎn)，臨界功率和臨界電壓為:

2.1 小擾動(dòng)引起的電壓不穩(wěn)定

單回線系統(tǒng)負(fù)荷有功隨負(fù)荷阻抗變化曲線示意圖如圖3所示，在|Z1/ZL|＜1的情況下，只要減小ZL，|Z1/ZL|就會(huì)變大，負(fù)荷有功P也隨之增大，也即負(fù)荷可以從電網(wǎng)得到更多功率。當(dāng)|Z1/ZL|=1時(shí)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)可以得到最大功率。在|Z1/ZL|＞1之后，若繼續(xù)減小負(fù)荷阻抗將使得電網(wǎng)輸送功率減小，即負(fù)荷得到的功率也減小。這是網(wǎng)絡(luò)本身所固有的特性，與負(fù)荷的性質(zhì)無關(guān)。

圖3 單回線系統(tǒng)負(fù)荷功率隨負(fù)荷阻抗變化情況

圖4 單回線系統(tǒng)負(fù)荷電壓隨負(fù)荷阻抗變化情況

單回線系統(tǒng)負(fù)荷電壓幅值隨負(fù)荷阻抗變化曲線如圖4所示。當(dāng)負(fù)荷阻抗的減小時(shí)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓也呈下降趨勢(shì)，這一特性也是電網(wǎng)固有的。圖3中，P0代表負(fù)荷所輸出的其他形式的功率(如對(duì)異步電動(dòng)機(jī)來說就為機(jī)械功率)，其中B點(diǎn)是電壓穩(wěn)定點(diǎn)，C點(diǎn)是不穩(wěn)定點(diǎn)。設(shè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)原來穩(wěn)定運(yùn)行在B點(diǎn)，若系統(tǒng)在運(yùn)行中負(fù)荷不斷增加，則運(yùn)行點(diǎn)不斷向臨界點(diǎn)A靠近，甚至可能到達(dá)臨界點(diǎn)，這時(shí)若有其他小干擾發(fā)生或者新負(fù)荷投入，使運(yùn)行點(diǎn)瞬時(shí)處于A點(diǎn)右側(cè)，P＜P0。根據(jù)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)效應(yīng)［7］

其中RE表示負(fù)荷動(dòng)態(tài)模型的等效阻抗，即本文中的|Z1/ZL|的倒數(shù)，P是動(dòng)態(tài)負(fù)荷所消耗的電磁功率，P0則代表動(dòng)態(tài)負(fù)荷所輸出的其他形式的功率。TR表示時(shí)間常數(shù)。

當(dāng)P＜P0時(shí)，P－P0＜0，使得RE變小，這時(shí)候|Z1/ZL|會(huì)相應(yīng)|Z1/ZL|的變大，由圖5可知，對(duì)應(yīng)|Z1/ZL|的變大，會(huì)導(dǎo)致P的減小和電壓的降低，根據(jù)式(9)P的減小又會(huì)使RE變小，系統(tǒng)又會(huì)重復(fù)同樣的過程直至系統(tǒng)崩潰。

圖5 簡(jiǎn)單雙回線電力系統(tǒng)

在這種運(yùn)行情況下，當(dāng)電壓剛剛失穩(wěn)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓?jiǎn)握{(diào)下降時(shí)，如果及時(shí)切除一部分負(fù)荷(大于或等于ΔP)，只要運(yùn)行點(diǎn)還位于C點(diǎn)的曲線左邊，那么運(yùn)行點(diǎn)將最終落在B點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)新的功率平衡。這樣通過低壓減載就阻止了電壓崩潰的發(fā)生。從圖5和圖6也可看出，切除時(shí)間過長(zhǎng)，有可能這時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)已經(jīng)在C點(diǎn)的曲線右邊，這時(shí)就算是切除ΔP的負(fù)荷量，也不能讓運(yùn)行點(diǎn)重新回到A點(diǎn)左側(cè)，電壓依然會(huì)發(fā)生崩潰。若切除負(fù)荷量不足ΔP，那么就算是及時(shí)的切掉了負(fù)荷，運(yùn)行點(diǎn)還是處于A點(diǎn)的右側(cè)，還是會(huì)發(fā)生電壓崩潰，所以切除時(shí)間過長(zhǎng)或者切負(fù)荷量不足都不足以阻止電壓崩潰的發(fā)生。

2.2 大擾動(dòng)引起的電壓不穩(wěn)定

圖5所示中的電源節(jié)點(diǎn)和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)間以兩回線路連接。大擾動(dòng)為其中一條輸電線路發(fā)生短路故障后被切除，如圖6所示。其中P1為正常運(yùn)行時(shí)的功率曲線;P2表示故障時(shí)的功率曲線;P3表示故障切除后的功率曲線;P0表示故障前負(fù)荷輸出的其他形式的功率。故障切除后不存在有功平衡點(diǎn)，即P0與P3無交點(diǎn)。圖6中，故障前系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于a點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)跳變到b點(diǎn)，這時(shí)負(fù)荷阻抗減小，繼續(xù)運(yùn)行到c點(diǎn)，短路故障被切除后，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)跳變到d點(diǎn)，而此時(shí)d點(diǎn)的功率小于P0，由前面的分析可知，負(fù)荷阻抗將繼續(xù)減小，最后沿著P3曲線運(yùn)行直至電壓崩潰。這時(shí)若及時(shí)切掉一部分負(fù)荷，使P3大于P0'，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓將最終穩(wěn)定在e點(diǎn)?？梢?，低壓減載要有足夠多的切負(fù)荷量和較短的負(fù)荷切除時(shí)間，保證P3大于P0'，才能有效阻止負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓崩潰［8］。

圖6 雙回線系統(tǒng)負(fù)荷功率隨負(fù)荷阻抗變化情況

3 低壓減載的地位

低壓減載被認(rèn)為是防止系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰的有效措施，是防止系統(tǒng)大面積停電、維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第三道防線的重要組成部分?！峨娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》也將低壓減載作為防止電力系統(tǒng)崩潰的重要措施，要求“在負(fù)荷集中地區(qū)，應(yīng)考慮當(dāng)運(yùn)行電壓降低時(shí)，自動(dòng)或手動(dòng)切除部分負(fù)荷，或有計(jì)劃解列，以防止發(fā)生電壓崩潰”。

對(duì)于防止概率很小的極端情況下(包括極端的大負(fù)荷、罕見的多重故障等)系統(tǒng)崩潰和大面積停電，保證重要負(fù)荷的供電，具有十分重要的意義［3，4］。

4 研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

低壓減載研究的核心問題是如何進(jìn)行低壓減載的整定，到目前還沒有尋找到一種很好的整定方法，也沒有一套完整的整定原則，這方面的研究還需要廣大學(xué)者深入研究。

4.1 整定方法研究現(xiàn)狀

低壓減載作為一項(xiàng)比較新的技術(shù)，目前還沒有系統(tǒng)的整定方法。具體的整定方案一般根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及不斷的仿真計(jì)算得到，更合理的低壓減載裝置整定方案還有待于進(jìn)一步的研究。

在電網(wǎng)中采取低壓減載措施，實(shí)施時(shí)需要考慮下面三個(gè)主要的問題:①在什么地點(diǎn)安裝低壓減載裝置;②低壓減載裝置動(dòng)作電壓以及相應(yīng)延時(shí)如何整定;③切除多少負(fù)荷［9－14］。

4.1.1 低壓減載裝置的安裝地點(diǎn)選擇

一般情況下，低壓減載裝置應(yīng)該安裝在系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性薄弱的節(jié)點(diǎn)，能夠以比小的負(fù)荷切除量有效防止系統(tǒng)電壓崩潰，因此，識(shí)別系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性薄弱節(jié)點(diǎn)是確定低壓減載裝置安裝位置的第一步工作。其次，在實(shí)際的實(shí)施過程中，還要考慮選定節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷組成情況，是否有足夠的能切除的負(fù)荷。

關(guān)于如何識(shí)別系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定性薄弱的節(jié)點(diǎn)，已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究，一般情況下，通過靜態(tài)分析就可以找出系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定性比較薄弱的節(jié)點(diǎn)。下面是一些常用的識(shí)別電壓穩(wěn)定性薄弱節(jié)點(diǎn)的方法。(1)利用電壓水平高低識(shí)別電壓穩(wěn)定性薄弱節(jié)點(diǎn);(2)利用參與因子大小識(shí)別電壓穩(wěn)定性薄弱節(jié)點(diǎn);(3)利用奇異向量大小識(shí)別電壓穩(wěn)定性薄弱節(jié)點(diǎn);(4)利用節(jié)點(diǎn)負(fù)荷裕度識(shí)別電壓穩(wěn)定性薄弱節(jié)點(diǎn);(5)利用潮流計(jì)算中功率不匹配量識(shí)別電壓穩(wěn)定性薄弱節(jié)點(diǎn);(6)利用節(jié)點(diǎn)評(píng)估方法識(shí)別電壓穩(wěn)定性薄弱節(jié)點(diǎn);

對(duì)于方法(1)，直接選定系統(tǒng)電壓最低的節(jié)點(diǎn)為系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)，這種方法簡(jiǎn)單直接，而且某些情況下也能夠比較準(zhǔn)確的識(shí)別出系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定性薄弱的節(jié)點(diǎn)。但是，電壓水平的高低并不等價(jià)于電壓穩(wěn)定性的強(qiáng)弱。對(duì)于(2)、(3)、(6)這三種方法，都是以雅克比矩陣為研究對(duì)象的，參與因子法通過分析雅克比矩陣的特征值與特征向量，奇異值指標(biāo)法通過分析矩陣的奇異值與奇異向量來研究電壓穩(wěn)定薄弱節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)評(píng)估方法則是將雅克比矩陣進(jìn)行降階，降到一個(gè)二維矩陣，只關(guān)注與本節(jié)點(diǎn)相關(guān)的兩個(gè)功率平衡方程。然后求該矩陣的行列式，得到各節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性相對(duì)強(qiáng)弱的信息。

系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)隨著系統(tǒng)運(yùn)行方式而發(fā)生變化，不同的發(fā)電機(jī)出力方式，不同的負(fù)荷分布，以及不同的檢修方式，都對(duì)系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)存在一定的影響。因此，為了更好的識(shí)別系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性薄弱節(jié)點(diǎn)，需要綜合運(yùn)用不同的方法，考慮系統(tǒng)各種運(yùn)行方式，這樣尋找到的薄弱節(jié)點(diǎn)才比較準(zhǔn)確而且具有普遍意義。

4.1.2 低壓減載裝置動(dòng)作電壓與延時(shí)時(shí)間

這是低壓減載整定中比較重要的問題。電壓下降的速率(dU/dt)和電壓水平都可以作為低壓減載的依據(jù)，但是常規(guī)測(cè)試儀器不能夠定量地、準(zhǔn)確地對(duì)自動(dòng)裝置中的dU/dt動(dòng)作值(或閉鎖值)進(jìn)行測(cè)試與校驗(yàn)，因此現(xiàn)在往往用電壓水平作為低壓減載的依據(jù)。

電壓失穩(wěn)和電壓崩潰的動(dòng)態(tài)過程歷時(shí)可以從1s～10min，根據(jù)歷時(shí)長(zhǎng)短將電壓不穩(wěn)定事故分為短期和長(zhǎng)期兩種，這兩種時(shí)域過程基本上可以嚴(yán)格區(qū)別。在防止這兩類電壓不穩(wěn)定事故時(shí)，低壓減載裝置的時(shí)間延遲是不同的。因此，在方案設(shè)計(jì)時(shí)必須明確電壓失穩(wěn)的時(shí)域特性。如1981年美國田納西電力局安裝的低壓減載裝置目的在于防止具有大量空調(diào)負(fù)荷地區(qū)發(fā)生短期電壓失穩(wěn)，1991年12月美國太平洋西北系統(tǒng)PugetSound區(qū)域安裝的低壓減載裝置用于防止長(zhǎng)期電壓失穩(wěn)。因?yàn)樵摰貐^(qū)的負(fù)荷對(duì)電壓變化反應(yīng)靈敏，因此時(shí)間延遲不是關(guān)鍵問題。

4.1.3 切負(fù)荷量的確定

低壓減載措施能否有效阻止電壓崩潰，減載量起著決定性影響。當(dāng)減載量不夠時(shí)，不能阻止電壓崩潰;當(dāng)減載量過大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)過電壓。因此，選擇減載量至關(guān)重要，在這方面，也有很多學(xué)者進(jìn)行了研究［12，13］，但是到目前為止，還沒有公認(rèn)的比較合適的方法。

4.1.4 低壓減載指導(dǎo)原則

雖然國內(nèi)外目前關(guān)于低壓減載裝置的整定還沒有系統(tǒng)化的方法，但是，通過計(jì)算分析和國內(nèi)外已安裝低壓減載裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，仍然可以得到以下的一些指導(dǎo)性原則。

(1)低壓減載裝置動(dòng)作電壓應(yīng)該低于正常運(yùn)行時(shí)的最低電壓，低的比例需要根據(jù)實(shí)際情況確定。

(2)低壓減載裝置動(dòng)作電壓應(yīng)該適度的高于臨界PV曲線或VQ曲線的鼻點(diǎn)電壓。否則裝置不能防止負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)導(dǎo)致的小擾動(dòng)電壓失穩(wěn)。

(3)為了防止裝置誤動(dòng)作，避免裝置在瞬時(shí)電壓跌落或者短路故障時(shí)誤動(dòng)，低壓減載裝置動(dòng)作延時(shí)的設(shè)定要考慮和線路上其他保護(hù)的配合，一般動(dòng)作延時(shí)要長(zhǎng)于線路的一段和二段保護(hù)，避免短路故障時(shí)低壓減載裝置誤動(dòng)。

(4)低壓減載整定方案的最終效果要通過時(shí)域仿真來驗(yàn)證，要仿真不同類型的電壓失穩(wěn)情況，則應(yīng)該采取不同的系統(tǒng)模型，短期電壓失穩(wěn)主要考慮快動(dòng)態(tài)的元件模型，長(zhǎng)期電壓失穩(wěn)時(shí)要考慮各種慢動(dòng)態(tài)的元件。

實(shí)際工程使用中，選擇切除負(fù)荷應(yīng)考慮以下因素:①切除負(fù)荷的類型。恒功率負(fù)荷如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對(duì)電壓穩(wěn)定性危害最大，應(yīng)作為切負(fù)荷首選，但同步電動(dòng)機(jī)的無功輸出能力對(duì)保持電壓穩(wěn)定性有幫助，工業(yè)負(fù)荷中自帶發(fā)電機(jī)對(duì)維持系統(tǒng)電壓也有幫助;②首先切除與用戶有特別協(xié)議允許斷開的次要負(fù)荷，以及功率因數(shù)較低的負(fù)荷;③選擇不破壞系統(tǒng)整體性的線路，如輻射型線路。

4.1.5 目前應(yīng)用現(xiàn)狀

目前世界上有許多國家在使用低壓減載裝置，如美國、加拿大、比利時(shí)、瑞典、愛爾蘭、西班牙、葡萄牙、沙特阿拉伯及以色列等。

而在國內(nèi)，某些電網(wǎng)已經(jīng)實(shí)施了具體的低壓減載方案，比如山西的運(yùn)城電網(wǎng)。有的電網(wǎng)進(jìn)行了低壓減載方案的研究與探討，比如山西的大同電網(wǎng)和長(zhǎng)治電網(wǎng)。但是這些都只是針對(duì)具體的電網(wǎng)進(jìn)行研究的，更具普遍性的整定方法還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論與展望

低壓減載是一種比較有效和經(jīng)濟(jì)的防止電壓崩潰的方法。對(duì)低壓減載的研究主要集中在低壓減載的整定上，本文分析了低壓減載防止電壓崩潰的機(jī)理，對(duì)低壓減載的整定中所涉及的減載地點(diǎn)、動(dòng)作判據(jù)、切負(fù)荷延時(shí)時(shí)間以及切負(fù)荷量等關(guān)鍵問題進(jìn)行了概括。但是到目前為止，由于電壓穩(wěn)定問題研究不夠成熟，電壓失穩(wěn)機(jī)理還沒有達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，低壓減載還沒有一套公認(rèn)的比較合適的整定方法，有待進(jìn)一步研究。未來的研究中，隨著科技的進(jìn)步，將提高電壓穩(wěn)定在線監(jiān)測(cè)的水平，并結(jié)合現(xiàn)有的廣域量測(cè)系統(tǒng)，可以提出新型的低壓減載方案。

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