電力系統電壓穩定性的再認識

近年來(lái)隨著(zhù)電力系統從發(fā)電、輸電的一體化體制演變到開(kāi)放和競爭的環(huán)境， 電力系統規劃和運行的不確定性和不安全因素增加， 電壓不安全已經(jīng)成為限制電 力傳輸的主要因素之一。 世界上許多國家相繼發(fā)生由電壓穩定問(wèn)題導致的大面積 停電事件，世界各國目前對電壓穩定性的研究十分重視,IEEE 和 CIGRE 還成立 了專(zhuān)門(mén)工作組調查和研究電壓穩定性問(wèn)題，并進(jìn)行了大量的研究工作。

早期研究普遍認為電壓穩定問(wèn)題是一個(gè)靜態(tài)問(wèn)題， 或者認為系統的動(dòng)態(tài)對電 壓穩定的影響很慢，從而將電壓穩定問(wèn)題轉換為平衡點(diǎn)的存在性問(wèn)題研究集中在以潮流為工具的靜態(tài)方法上。 隨著(zhù)研究的深入，人們正在逐漸認識電壓穩定性 的動(dòng)態(tài)本質(zhì)， 從而開(kāi)始重點(diǎn)研究電壓崩潰的動(dòng)態(tài)機理和系統模型的需求，并提出 了一些有關(guān)電壓穩定性的分析方法和防止電壓崩潰的對策。 對電力系統電壓穩定性及分岔理論的學(xué)習已有 8 個(gè)多月， 本學(xué)期的課程也上 了過(guò)半，下面我將就此問(wèn)題談?wù)勎业恼J識。

一、電壓不穩定現象及其解釋

對于電壓穩定性，IEEE 和 CIGRE 工作組已經(jīng)給出了簡(jiǎn)明的定義，然而對于 這類(lèi)已有的概念，有必要對“電壓不穩定”進(jìn)行定義。

電壓不穩定性源自負荷動(dòng)態(tài)具有使耗電量恢復到超過(guò)傳輸系統和發(fā)電系統 容量的趨勢。

下面逐字的解釋這個(gè)描述性的定義：

電壓：在許多的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上，以大的、不可控的電壓降落的形式所揭示 的現象。 不穩定性：已經(jīng)超過(guò)最大傳輸功率的限制，負荷功率恢復機制變得不穩 定，所消耗的功率減少而不是上升。這個(gè)機制是電壓不穩定性的核心。

動(dòng)態(tài)：任何穩定性問(wèn)題都涉及到動(dòng)態(tài)。這些動(dòng)態(tài)行為可以通過(guò)微分方程 (連續動(dòng)態(tài))或者差分方程(離散動(dòng)態(tài))來(lái)建模。

負荷電壓是不穩定性的驅動(dòng)源，就這個(gè)原因而言，這個(gè)現象也成為負荷 不穩定性。

傳輸系統， 對能量傳遞來(lái)說(shuō)， 正如從電路理論所知， 有一個(gè)有限的容量。 這個(gè)限制(也受到發(fā)電系統的影響)標志著(zhù)電壓不穩定性的開(kāi)始。

發(fā)電：發(fā)電機并不是理想的電壓源。發(fā)電機的精確建模(包括控制器) 對于正確地評估電壓穩定性是非常重要的。

二、電壓穩定性研究方法

1、早期基于靜態(tài)的研究方法

早期人們簡(jiǎn)單地將電力系統電壓失穩問(wèn)題看作系統過(guò)載引起， 從而將其視為 靜態(tài)問(wèn)題。 利用代數方程研究電壓的穩定性， 大體上可以歸納為最大傳輸功率法、潮流多值法、 潮流雅可比矩陣奇異法和靈敏度分析等， 其中延拓潮流 (CPFLOW) 在求取系統 P-U 曲線(xiàn)中得到了廣泛的應用。它使用延拓法跟蹤負荷和發(fā)電機功 率變化情況下電力系統的穩態(tài)行為， 通過(guò)求解增廣潮流方程得到穿越雅可比矩陣 奇異點(diǎn)(“鼻尖”點(diǎn))的解曲線(xiàn)，并且不會(huì )碰到病態(tài)的數值困難。延拓潮流使用預 估-校正方案找出隨負荷參數變化的潮流解路徑。

總之， 靜態(tài)方法的優(yōu)點(diǎn)是將一個(gè)復雜的微分方程解的性態(tài)研究看成是簡(jiǎn)單的 非線(xiàn)性代數方程實(shí)數解的存在性研究,其缺點(diǎn)是不能反映各元件的動(dòng)態(tài)特性，且 將電力系統的潮流極限作為小干擾電壓穩定的極限點(diǎn)， 而這僅是電壓穩定的必要 條件而非充分條件，因而其結果大多是樂(lè )觀(guān)的。

2、基于動(dòng)態(tài)的研究方法

經(jīng)歷了靜態(tài)研究方法之后， 電壓的動(dòng)態(tài)屬性受到了重視，電力系統是典型的 動(dòng)態(tài)系統， 和功角穩定性一樣， 系統的電壓穩定性也屬于一類(lèi)動(dòng)態(tài)系統的穩定性 問(wèn)題。理論上，考慮了元件的動(dòng)態(tài)特性更能揭示電壓失穩過(guò)程的本質(zhì)。值得注意 的是， 電壓不穩定現象并不總是孤立地發(fā)生。功角不穩定和電壓不穩定的發(fā)生常 常交織在一起，一般情況下其中的一種占據主導地位!但并不易區分。然而，人 為地將功角穩定性和電壓穩定性區分開(kāi)，對于充分了解系統不穩定的原因，進(jìn)而 制定系統的運行方式和穩定控制策略是相當重要的。動(dòng)態(tài)分析方法，主要是小干 擾分析和時(shí)域仿真法得到了廣泛的應用，具體可分為小干擾電壓穩定性分析、暫 態(tài)電壓穩定性分析和長(cháng)期電壓穩定性分析三部分。

三、電壓穩定控制措施研究

在線(xiàn)電壓穩定控制的三個(gè)關(guān)鍵模塊是電壓穩定指標計算、 預想事故選擇以及 控制措施。物理意義明確、計算速度快、精度高的電壓穩定指標可以為運行人員 提供系統電壓穩定裕量， 明確系統電壓穩定程度;而預想事故自動(dòng)選擇的目的是 根據所選擇的某一電壓穩定指標對大量的預想事故進(jìn)行過(guò)濾， 從而確定對系統電 壓穩定性有嚴重影響的事故，達到減少計算量的目的#控制措施則針對所選擇的 嚴重事故進(jìn)行詳細分析并確定相應的控制策略。

四、電壓穩定性分析展望和研究動(dòng)向

1、電壓穩定性分析模型

在電壓穩定分析中， 關(guān)注的是各母線(xiàn)電壓的變化情況，故可對一些對電壓影 響較小的物理量的變化規律作某些近似假設， 從而在模型的復雜性和合理性之間 取得合理折衷。

目前， 電壓穩定分析的很多方法尚未經(jīng)歷模型從復雜到簡(jiǎn)單的提煉過(guò)程，基 于簡(jiǎn)單模型的分析結果往往值得商榷。一種理性的思路是：首先研究單個(gè)復雜、 準確的元件模型對電壓變化規律的影響，然后研究多個(gè)復雜、準確的元件模型對 電壓變化規律的綜合影響，從中抓住主要矛盾，簡(jiǎn)化模型，達到分析的簡(jiǎn)單性和 復雜性的合理折衷。

2、電壓穩定性分析方法

所有基于靜態(tài)的研究方法本質(zhì)上都是利用潮流及其改進(jìn)形式作為研究工具， 未涉及系統動(dòng)態(tài)， 因而所得 “極限” 通常只是 “功率極限” 而非 “電壓穩定極限” ， 其合理性需要接受基于動(dòng)態(tài)的研究方法的檢驗。 但靜態(tài)方法在獲得系統極限運行狀態(tài),指導調度方面起到重要作用，也是動(dòng)態(tài)分析方法的基礎!在一段時(shí)間內將依 舊存在且廣泛應用。其關(guān)鍵問(wèn)題是如何把握靜態(tài)分析方法的應用范圍和適用條 件，如何衡量誤差范圍。此外，系統電壓靜態(tài)穩定和功角靜態(tài)穩定的鑒別方法仍 然是一個(gè)需要研究的課題。

小干擾電壓穩定分析方法具有嚴格的理論基礎，開(kāi)發(fā)計算速度快!對各種控 制系統有良好適應性的特征分析方法是其關(guān)鍵所在。在分析過(guò)程中，應該設法降 低系數矩陣的階數， 識別保留對電壓穩定影響貢獻大的元件，正確確定需要加以 詳細描述的元件模型。

毫無(wú)疑問(wèn)， 時(shí)域仿真法是檢驗一切分析方法的準繩，探討新的快速時(shí)域仿真 方法，如采用并行計算技術(shù)，加快計算速度，力求達到暫態(tài)電壓穩定的實(shí)時(shí)仿真 是需要研究的課題。此外，對模型參數要進(jìn)行實(shí)際系統測定，力求用可信參數進(jìn) 行暫態(tài)電壓穩定分析，并且對仿真的輸出結果進(jìn)行分析，以便給出穩定裕度、穩 定極限。 同時(shí)， 應該探討時(shí)域仿真法和模式識別、 人工智能等理論相結合的方法。

3、電壓穩定控制措施

為了達到實(shí)時(shí)電壓穩定監視的目的!急需開(kāi)發(fā)一種有實(shí)際物理意義并且適合 在線(xiàn)應用的電壓穩定指標。 這種指標應該基于動(dòng)態(tài)模型并且具有良好的線(xiàn)性。雖 然裕度指標已經(jīng)在實(shí)際系統中得到初步應用， 但裕度指標的計算速度和過(guò)渡過(guò)程 還需要加以提高和精確模擬，否則將會(huì )導致錯誤的結果。從目前研究看，盡管許 多電壓穩定指標已被提出， 但由于各種指標都采用了不同程度的簡(jiǎn)化，其準確性 與合理性需要通過(guò)動(dòng)態(tài)方法進(jìn)行驗證。此外，就筆者所了解，目前大多數指標都 是確定性指標， 隨著(zhù)系統的不斷增大，有必要開(kāi)發(fā)反映系統電壓穩定程度的概率 性指標。

為了更有效地對電力系統進(jìn)行控制， 要充分利用先進(jìn)的通信手段和控制理論 開(kāi)發(fā)有效的電壓失穩 預防性控制措施和緊急控制措施。要充分利用 GPS 測得的數據，對電壓穩 定特別是長(cháng)期電壓穩定有可靠的預測， 重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)廣域的系統保護策略和閉環(huán)控 制以便使系統的運行狀況更好。 在多機復雜系統中，功角穩定和電壓穩定互相影 響和關(guān)聯(lián)， 不能將本來(lái)就有關(guān)聯(lián)的問(wèn)題人為的加以分割，高質(zhì)量的穩定控制決策 需要能夠識別潛在的失穩模式， 找出最安全的調度方向，并對預防措施和緊急控 制加以協(xié)調。 現有緊急控制多為離散性控制，其控制措施對穩定的影響不一定與 控制量成正比，有時(shí)候還可能有負作用，特別是當多重事故發(fā)生時(shí)，這些控制手 段之間的不配合本身就是導致系統瓦解的原因之一。 如何將各種控制措施良好的 配合適用，如何減少控制策略中由于系統非線(xiàn)性、復雜性、離散性和結果難于實(shí) 際實(shí)施等方面的影響=如何建立控制手段優(yōu)先級等是應進(jìn)一步研究的課題。

五、結語(yǔ)

目前， 電壓穩定性分析的模型和方法多種多樣，研究人員從不同的角度研究 電力系統的電壓穩定問(wèn)題。 從目前的電壓穩定性的研究工作看，雖然取得了很大 的進(jìn)展， 但仍不能認為其理論體系已經(jīng)成熟，還有許多遺留和將遇到的問(wèn)題需要 解決。隨著(zhù)大量的學(xué)者介入電壓穩定性研究，電壓穩定性問(wèn)題的概念形成、數學(xué) 模型的建立、失穩機理的正確解釋以及控制措施的提出是指日可待的。