电力系统电压稳定机理研究

电力系统电压稳定机理研究

裴婷

（临汾隰县供电公司山西临汾041300）

摘要：正确认识电力系统电压稳定机理是电压稳定研究进一步发展的关键。本文从失稳机理的角度出发，对导致电力系统电压失稳的原因进行分析，并对各个角度定义的电压稳定机理进行了综合分析和评价，并归纳总结了各类定义方式的特点及优缺点。

关键词：电力系统；电压稳定；机理

1电压稳定的定义

目前，不同文献资料中对电压稳定的定义不尽相同，但一般来说，它可以分为两大类：大扰动电压稳定性和静态电压稳定性。大扰动电压稳定性包括暂态电压稳定性、动态电压稳定性和中长期电压稳定性。这类的问题主要反映在系统运行过程中存在较大干扰时，系统避免电压崩溃的能力。静态电压稳定性是指当电力系统运行中发生小扰动事件并干预电力系统时，维持或恢复系统电压电平至可接受极限而不发生电压崩溃的能力。然而，上述电压稳定性的定义方法非常宏观，对于电力系统电压稳定性的具体定量研究是不利的。因此，本文介绍了电力系统电压稳定性的最新定义。电压稳定是指当负载试图通过增加电流从系统中获得更多的功率时，系统电压的降低不能抵消功率增加的趋势。这被称为电压稳定状态。从而进一步明确了电压稳定性的概念，能更好地反映电力系统电压稳定性的本质和服务。

2电压稳定机理的研究现状

在电力系统电压稳定机理的学术研究成果中，影响电压稳定的因素可分为四类：第一，负荷的动态特性；第二，电力系统接收端的电压支持；第三，电力。供电系统供电端的供电限制；第四、综合因素的影响。本文将总结和扩展上述四个影响电压稳定的因素。

2.1负荷的恢复特性对电压稳定性的影响

目前学术界关于负载动态特性对电压稳定性影响的研究成果可分为两类：一类观点认为，系统在发生故障时，负荷为了维持它自身的有功功率平衡，会试图改变其自身对外的等效电纳以此来进行功率调节，从而影响了电力系统电压的稳定性M1，然而这种调节自身导纳的方式会因为具体元件的特性而有一定差异。例如，异步电动机常常利用电磁功率的输入与机械功率的输出来进行导纳调节，配电系统中的OLTC则会在维持其副边电压恒定的前提下，通过自动调节变比来实现导纳的调节。含电力电子元件的负荷，调节自身导纳的情况则更为复杂。一般来说，当元件的有功功率平衡被打破时，如果负载输出功率大于输入电磁功率，则负载将根据自身的特性自动选择适当的手段来降低其等效阻抗，从而获得自身所需的功率。但是，随着电力回收过程中电流的增加，负荷元件的漏抗将消耗更多的无功功率。这部分无功功率消耗会加剧整个系统的无功功率不足。无功功率不足使系统电压持续下降，导致电压不稳定现象。这一观点对于定量研究负载特性对电压稳定性的影响具有重要意义，但理论还不够成熟，有待进一步完善。另一类观点认为，电压失稳与系统所带负荷的性质密切相关。例如，系统所带负荷为恒阻抗静态负荷时，假定其功率因数为cosφ，阻抗为ZL=RL+JXL。，那么负荷消耗的有功功率如式（1）所示：

由PL。的单调性可知，当满足lZLl=lZSl时，在恒定功率因数的负荷模型下，负荷有功功率最大，由于电压降低时恒阻抗负荷功率会下降，有利于电压稳定，那么当系统的功率和电压水平均低于期望值时，系统电压会保持稳定。当系统所带的负荷为恒功率负荷模型时，一旦负荷端电压降低，负荷为了保持恒定功率，必然会导致负荷电流的增加，由于输电线路上阻抗的存在，使得输电线路的压降进一步增大，从而造成了更低的负荷端电压。这也形成了一个电压下降的正反馈机制，最终必然会导致电压崩溃。这种观点在计算和理论发展上，都比较成熟。但是，在实际电力系统当中，特别是系统受到扰动的过程当中，实际的负荷很难以恒定功率或恒定功率因数运行。因此将该理论算法应用于计算实际电力系统运行状态时会存在一定误差。

2.2电力系统受端电压支撑情况对电压稳定的影响

重负荷的电力系统本身就具备很多薄弱环节，一方面，接收端的发电机总是过载，发电机的励磁系统总是过载，如果有大的干扰事件，为了恢复其有功功率的平衡，负载试图调整其电流以获得更大的功率。然而，发电机励磁绕组本身的热容量是有限的，过励限制器会迫使励磁电流达到额定值，使负载无法平衡有功功率，同时在网络中产生大量的无功损耗。在这种情况下，接收发电机不能提供足够的无功功率来支持系统的正常运行，导致电压不稳定甚至电压崩溃。另一方面，电力系统的无功功率随着电压的平方而变化。如果系统电压下降，则无功功率将迅速降低。因此，HVDC、SVC和大量并联电容器也是暂态电压不稳定的重要原因。

2.3电力系统送端供电极限对电压稳定的影响

发送端受线路阻抗、传输距离、电压电平、发电机励磁绕组发端热容量限制等一系列因素的影响，无法不受限制地向接收端供电，输送端对整个网络的电压调节能力是有限的。因此，在研究电力系统电压稳定特性时，经常使用电压崩溃的临界点作衡量电网传输容量的指标。动态负载有功功率的恢复特性，即在电压下降后，各种负载的有功功率和无功功率将以快或慢的速度恢复到一定水平。发电机、调相器侧励磁系统、负载侧同步电动机和电机静止无功补偿器都是快速响应元件。它们在暂态电压不稳定性中起着非常重要的作用。因此，为了提高工程实践中电压稳定性评估的准确性，经常采用瞬时有功功率与暂态电压之间的关系来研究电压稳定性。当系统向负载提供的功率随着电流的增加而增加时，系统负载元件可以维持自身的功率平衡，系统电压稳定，否则系统电压不稳定。

2.4综合因素对电压稳定的影响

从单一类因素去考虑电力系统电压稳定性的研究大多数意义明确，但是由于考虑因素不够全面，因此这种理论结果与实际工程情况存在较大差距。因此，从上述三个因素的综合作用来解释电压稳定性的机理将更加完善。当电力系统发生扰动时，发电机励磁系统将启动强励磁，系统无功损耗、电压降、负荷对电力的需求也相应降低。此时，系统可以在短时间内保持电压稳定，但系统负载的中心电压将维持在较高水平。如果负载的中心电压降低，这种现象将迅速反映在配电系统中，那么OLTC将在2-4分钟内起连续作用，从而使负载的功率和电压恢复到故障。同时，OLTC的原始电压降低，OLTC的每个分接开关调整都会导致超高压线路负荷的增加。因此，发电机需要增加无功功率的输出，以满足系统电流的上升趋势。然而，这种无功功率的输出不是无限的。一旦发电机的无功功率超过级联反应的极限，就会使系统的电压急剧下降。这一过程最终会导致发电机失步，最终导致接收系统的电源故障。从综合因素的角度来分析电力系统电压稳定机理是比较全面的，但影响电压稳定的因素实质上是多种因素的有机叠加。这种方法只停留在理性阶段。在工程实践中难以形成准确的判据。

3结束语

研究人员从不同的角度来研究了电压稳定机理，这些理论研究取得了许多成果，但仍存在一些亟待解决的问题，本文总结了迄今为止的研究成果。随着新的电压稳定理论模型和研究方法的引入，人们对电压稳定机理的认识将日趋成熟。虽然电压稳定是电力系统研究领域中的一个基本问题，但是电力系统的结构也是非常不同的，因此一系列的综合因素会造成电力系统电压不稳定。在综合考虑的前提下，还要注意适当引入数学工具，使完善的理论能够有效地与实践相结合。

参考文献：

[1]许晓群.基于小干扰分析的电压稳定机理研究[D].广西大学，2017.

[2]王少博.区分电压稳定与功角稳定的模糊判据研究[D].华北电力大学，2017.

[3]吕清洁.送端电网稳定性若干问题及控制策略研究[D].浙江大学，2016.