吳金龍

摘要：隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，商業(yè)化的電力運(yùn)轉(zhuǎn)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也越來越高。電力系統(tǒng)本身就是一個(gè)高度非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，在電力系統(tǒng)中，電壓不穩(wěn)定已成為電力系統(tǒng)喪失穩(wěn)定性的一個(gè)重要內(nèi)容。因電壓失穩(wěn)帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失，已引起了諸多關(guān)注，電壓失穩(wěn)的機(jī)理、電網(wǎng)電壓穩(wěn)定指標(biāo)、防止電壓失穩(wěn)事故發(fā)生的策略等一系列研究課題成為研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)。本文就電壓的穩(wěn)定性及其類型做初步探討。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；電壓失穩(wěn)；穩(wěn)定性

電壓崩潰引起的停電事故讓工業(yè)生產(chǎn)停滯，人民生活受到影響。研究電壓的穩(wěn)定性，對確保電力系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行具有重要意義。

電壓穩(wěn)定破壞對社會(huì)和國民經(jīng)濟(jì)所產(chǎn)生的負(fù)面影響極大。電壓穩(wěn)定事故發(fā)生的共同點(diǎn)是其突發(fā)性和隱蔽性，運(yùn)行人員在事故形成期間難以察覺，不能及時(shí)采取有效的控制措施，一旦崩潰就很難挽回。因此，研究并保證電壓的穩(wěn)定性，對于防止電壓失穩(wěn)和提高輸送電系統(tǒng)的安全可靠性都有十分重要的意義。

一、電壓穩(wěn)定的定義

IEEE電壓穩(wěn)定工作小組和國際大電網(wǎng)會(huì)議的TF38.02.10工作組在上世紀(jì)九十年代各自給出的定義基礎(chǔ)上又在2004年5月，聯(lián)合在一起開會(huì)討論并給出了一份關(guān)于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行重新定義和分類的會(huì)議成果報(bào)告。這份聯(lián)合報(bào)告指出：電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)后系統(tǒng)中所有母線節(jié)點(diǎn)電壓都能保持在穩(wěn)定的、可接受的水平，它在一定程度上反應(yīng)電力系統(tǒng)保持或恢復(fù)負(fù)荷需求的能力以及功率供給平衡的能力。

電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性是指在給定的初始運(yùn)行條件下，遭受擾動(dòng)后電力系統(tǒng)在所有母線上保持穩(wěn)定電壓的能力。他依賴于電力系統(tǒng)中保持或恢復(fù)負(fù)荷需求和負(fù)荷供給平衡的能力。在發(fā)生電壓失穩(wěn)時(shí)，可能會(huì)引起電網(wǎng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的電壓浮動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷喪失，級聯(lián)停電和跳閘等事故。

電力系統(tǒng)在給定的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)遭受一定的擾動(dòng)后，如果負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓能夠達(dá)到擾動(dòng)后平衡點(diǎn)的電壓值，則稱系統(tǒng)為電壓穩(wěn)定。此時(shí)，系統(tǒng)擾動(dòng)后的狀態(tài)位于系統(tǒng)擾動(dòng)后穩(wěn)定平衡點(diǎn)的吸引域之內(nèi)。

電力系統(tǒng)在給定的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)遭受一定的擾動(dòng)后，如果故障后平衡點(diǎn)超出系統(tǒng)運(yùn)行限制范圍，系統(tǒng)將發(fā)生電壓崩潰。電壓崩潰可能是全局性的（停電）也可能是局部范圍的。

判斷電壓穩(wěn)定的準(zhǔn)則是：在正常運(yùn)行情況下，對于系統(tǒng)中的每個(gè)母線，電壓的幅值隨著該母線注入無功功率的增加而升高。如果系統(tǒng)中至少有一個(gè)母線，其母線電壓的幅值隨著該母線注入無功功率的增加而降低，則該系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。

二、電壓崩潰主要原因分析

近年來，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大，逐步進(jìn)入高電壓、大機(jī)組、大電網(wǎng)時(shí)代，同時(shí)伴隨電力改革和電力市場的實(shí)踐，長線路、重負(fù)荷及無功儲(chǔ)備不足的特征逐漸突出，系統(tǒng)的電壓安全裕度傾向于越來越小，使電力系統(tǒng)常常運(yùn)行在穩(wěn)定的邊界。目前系統(tǒng)運(yùn)行操作人員并不能準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)的電壓安全狀態(tài)。所以事故發(fā)生時(shí)，缺乏足夠的安全信息來采取相應(yīng)的措施，導(dǎo)致了事故的擴(kuò)大。

從國內(nèi)外一些大的電力系統(tǒng)事故的分析來看，發(fā)生電壓崩潰的一個(gè)主要原因就是無法預(yù)計(jì)負(fù)荷增長或事故發(fā)生后可能導(dǎo)致的電壓不穩(wěn)定或者崩潰的程度和范圍，難以擬定預(yù)防和校正的具體措施。此外，電力系統(tǒng)還具有許多特性，如：（I）系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整頻繁，運(yùn)行工況不斷變化；（2）負(fù)荷波動(dòng)，諧波干擾以及隨機(jī)擾動(dòng)難以估計(jì)；（3）規(guī)模龐大，維數(shù)高，控制分散性強(qiáng)，完整的運(yùn)行信息難以獲?。海?）存在飽和、死區(qū)、限幅等強(qiáng)非線性因素；（5）時(shí)變性強(qiáng)，對控制速度要求很高。這些特性使建立電力系統(tǒng)的精確模型變得極為困難，而且即使建立了較精確的數(shù)學(xué)模型，其結(jié)構(gòu)也過于復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)快速有效的實(shí)時(shí)控制。因此，實(shí)時(shí)在線評估電力系統(tǒng)電壓安全、預(yù)測電壓崩潰是十分重要的。

三、電壓穩(wěn)定性的分類

將電壓穩(wěn)定性問題適當(dāng)分類，對電壓穩(wěn)定性的分析、造成不穩(wěn)定基本因素的識別，以及提出改善穩(wěn)定運(yùn)行的方法等都是有利的。

（一）從擾動(dòng)大小出發(fā)，并考慮把必須利用非線性動(dòng)態(tài)分析來檢驗(yàn)的現(xiàn)象和可以用靜態(tài)分析來檢驗(yàn)的現(xiàn)象解藕，可將電壓穩(wěn)定分為大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定和小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定。

大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性關(guān)心的是大擾動(dòng)（如系統(tǒng)故障、失去負(fù)荷、失去發(fā)電機(jī)等）之后系統(tǒng)控制電壓的能力。它由系統(tǒng)、負(fù)荷特性、兩者間連續(xù)和不連續(xù)控制及保護(hù)的相互作用所決定。大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性的判斷，需要考慮系統(tǒng)的非線性響應(yīng)特性。它可以用包含合適模型的非線性時(shí)域仿真來研究；小擾動(dòng)（或小信號）電壓穩(wěn)定性關(guān)心的是小擾動(dòng)（如負(fù)荷的緩慢變化）之后系統(tǒng)控制電壓的能力。它受負(fù)荷特性以及給定時(shí)間內(nèi)的連續(xù)和不連續(xù)控制作用的影響。這類問題可能是短期的也可能長期的，在分析時(shí)可適當(dāng)?shù)膶ο到y(tǒng)方程進(jìn)行線性化，從而使方程變得簡單，計(jì)算速度大大提高。根據(jù)研究的時(shí)間范疇，還可以將電壓穩(wěn)定分為暫態(tài)電壓穩(wěn)定、中期電壓穩(wěn)定和長期 電壓穩(wěn)定所示。它可以用靜態(tài)分析方法進(jìn)行有效的研究。

（二）根據(jù)研究的時(shí)間范疇，電壓穩(wěn)定問題可以分為暫態(tài)電壓穩(wěn)定、中期電壓穩(wěn)定和長期電壓穩(wěn)定。

四、電壓穩(wěn)定的研究展望

電壓穩(wěn)定研究作為電力系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)重要的實(shí)際課題，在近三十年來取得了許多重要的成果，一些電網(wǎng)工程人員研制了電壓穩(wěn)定分析和監(jiān)測應(yīng)用軟件。但目前理論研究和應(yīng)用實(shí)踐表明，對電壓穩(wěn)定問題的認(rèn)識深度和已取得的成果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與功角穩(wěn)定問題研究所取得的理論認(rèn)識深度及應(yīng)用成果相比擬，還不能通過對電壓穩(wěn)定全面的分析、預(yù)防、監(jiān)測、控制確保電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。因此目前仍然存在的問題和今后可能的研究方向主要有：

1.電壓崩潰的機(jī)理研究；

2.對各種元件的動(dòng)態(tài)特性還缺乏全面的分析和統(tǒng)一的認(rèn)識，負(fù)荷建模仍然是電壓穩(wěn)定研究的最大難題；

3.影響電壓穩(wěn)定的主要隨機(jī)因素的統(tǒng)計(jì)特性的獲取，以及這些隨機(jī)因素統(tǒng)計(jì)特性比較復(fù)雜時(shí)如何進(jìn)行電壓穩(wěn)定概率分析。

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題的研究有著十分重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。盡管電壓穩(wěn)定問題及其相關(guān)現(xiàn)象十分復(fù)雜，在過去幾十年間，人們己經(jīng)在電壓失穩(wěn)機(jī)理以及負(fù)荷模型建立、分析手段上取得了很多重要研究成果。隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷發(fā)展，新型控制設(shè)備的不斷投入運(yùn)行以及電力市場化的不斷深入，人們需要更為準(zhǔn)確的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)以及實(shí)用判據(jù)，需要將電壓安全評估與控制不斷推向在線應(yīng)用。

研究電壓的穩(wěn)定性，對保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作起到積極作用，對我國工業(yè)的發(fā)展，人民的生活都能起到很好的促進(jìn)作用。電壓穩(wěn)定性的研究，也隨著科學(xué)進(jìn)步的發(fā)展而將取得更加深入的研究成果，并最終應(yīng)用于生活。

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