（电路与系统专业论文）基于等值综合负荷模型的电力系统电压稳定性分析[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士擎位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 目前，随着科学技术的发展和电能需求量的日益增长，电力系统规模越来越庞 大，超高压远距离输电、大容量发电机组、各种新型控制装置得到了广泛应用。这 对于合理利用能源，充分挖掘现有电网的输电潜力和保护环境都有重要的意义；另 一方面，随着国民经济的高速增长以城市为中心的区域性用电增长越来越快，大电 网中负荷中心的用电容量越来越大，长距离重负荷输电的情况日益普遍。这给电力 系统的安全运行带来了不少问题，其中之一就是电压稳定问题，即电压不稳定或电 压崩溃引起的电力系统局部负荷丧失，甚至是全网瓦解而导致大面积停电。在电压 稳定性分析中，负荷模型对其计算结果影响较大，不恰当的负荷模型甚至会使得计 算结果与实际情况不一致，或偏乐观，或偏保守，从而构成系统的潜在危险或造成 不必要的浪费。因此，适合于电压稳定性分析的负荷建模工作也就显- 得十分迫切和 重要。 本文从电压稳定性分析以及次输电网络和配电网中大量无功补偿和无功控制装 置的影响两方面出发，对适合于电压稳定性分析的静态和动态等值综合负荷模型进 行了研究，建立了适合于电压稳定性分析的静态等值综合负荷模型和动态等值综合 负荷模型。模型的测试工作，主要在m a l l a b 仿真平台上完成。仿真测试表明：本文 所建立的静态负荷模型可以很好的反映小干扰情况下的静态负荷集结特性，而在大 干扰情况下，则误差较大，描述能力不足。本文建立的动态综合负荷模型在各种干 扰情况下，电压和电流指标性能都较好，而功率的误差偏大。但从“适合于电压稳定 性分析”这一观点出发，从电压误差情况看，该负荷模型是满足要求的，可以应用于 电压稳定性暂态分析。 本文的研究成果主要体现在建立了能够满足电压稳定性暂态分析需要的静态 和动态等值综合负荷模型。同时，对于负荷模型走向实用化和解决电力负荷的时变 性、差异性等给建模工作造成的困难具有重要意义。 关键字：电力系统，电压稳定，等值综合负荷模型，m a u a b 仿真 a b s t r a c t n o w , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h eg r o w i n gd e m a n df o r e l e c t r i c a le n e r g y , p o w e rs y s t e m sg e ti n c r e a s i n g l yl a r g ea n dl o n g d i s t a n c ee h vp o w e r t r a n s m i s s i o n 1 a r g ec a p a c i t ye l e c t r i cg e n e r a t i n gs e t , a sw e l la st h ev a r i o u sn e wc o n t r o l d e v i c e sh a v eb e e nw i d e l yu s e d t m sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et or a t i o n a l l yu t i l i z i n g e n e r g yr e s o u r c e s m a k i n gf i l l lu s eo ft h ee x i s t i n ge l e c t r i cs y s t e m s d e l i v e r yp o t e n t i a la n d p r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n t o nt h eo t h e rh a n d ，w i t ht h ef a s tg r o w t ho ft h en a t i o n a l e c o n o m y , c i t y - c e n t e r e dr e g i o n a lp o w e rc o n s u m p t i o ni sr i s i n gm o r ea n dm o r er a p i d l y , p o w e rd e m a n di nl a r g ee l e c t r i cs y s t e m s l o a dc e n t e r si sg r o w i n gf a s t e ra n df a s t e r , a n d l o n g - d i s t a n c ea n dh e a v y - d u t yp o w e rt r a n s m i s s i o ni sm o r ea n dm o r ep o p u l a r t ot h es a f e o p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m s ，t h i sb r i n g sm a n yp r o b l e m s ，o n eo fw h i c hi st h ep r o b l e mo f v o l t a g es t a b i l i t y , t h a ti s ，v o l t a g ei n s t a b i l i t yo rv o l t a g ec o l l a p s er e s u l t si nl o c a lp o w e r s y s t e ml o a dp a r t i a ll o s s ，o re v e nt h ec o l l a p s eo ft h ee n t i r en e t w o r k , f o l l o w i n gb y l a r g e - a r e ab l a c k o u t i nt h ea n a l y s i so fv o l t a g es t a b i l i t y , l o a dm o d e lh a sr a t h e rb i gi m p a c t f o rt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s ；i n a p p r o p r i a t el o a dm o d e lw i l lm a k et h er e s u l t si n c o n s i s t e n t 诵mt h ea c t u a ls i t u a t i o n , t e n d i n gt ob eo p t i m i s t i co rc o n s e r v a t i v e t h u st h i sm a y c o n s t i t u t ea p o t e n t i a ld a n g e ro rc a u s eu n n e c e s s a r yw a s t e t h e r e f o r e ，c o n s t r u c t i n gal o a d m o d e ls u i t a b l ef o rt h ev o l t a g es t a b i l i t ya n a l y s i st u l l l st ob ep a r t i c u l a r l yp r e s s i n g c o n s i d e r i n gt h et w oa s p e c t so ft h ea n a l y s i so fv o l t a g es t a b i l i t ya n dm a n yr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t o r se x i s t i n gi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e ss t a t i ca n d d y n a m i ce q u i v a l e n tl o a d sm o d e lf i r i n gt ot h ea n a l y s i so fv o l t a g es t a b i l i t y a n dt h e s e l o a d sm o d e l sa r eb u i l tu pi nt h i sp a p e r m o d e lt e s t sa r cm a i n l yc o m p l e t e di nm a t l a b s i m u l a t e dp l a t f o r m s i m u l a t i o nt e s t ss h o w ：t h es t a t i cl o a dm o d e li nt h i sp a d e rc a nr e f l e c t t h es t a t i cl o a dc h a r a c t e r i s t i ca c c u m u l a t i o nw e l l1 1 1 i d e rs m a l li n t e r f e r e n c e ；私f o rb i g i n t e r f e r e n c e ，t h ee r r o rb e c o m e sl a r g e r , a n dt h e nd e s c r i b i n gc a p a c i t yl a c k s ；t h ed y n a m i c l o a dm o d e li nt h i sp a p e r , u n d e rv a r i o u s k i n d so fi n t e r f e r e n c e ，v o l t a g ea n dc u r r e n t b e h a v i o r a lp e r f o r m a n c ei sg o o d ，b u tt h ep o w e ri so fb i ge r r o lh o w e v e r , g i v e n “s u i t a b l e f o rv o l t a g es t a b i l i t ya n a l y s i s ”，a n ds e e nf r o mt h ev i e wo f v o l t a g ee r r o r , t h el o a dm o d e li s a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t s ，a n di ti sa p p l i c a b l ef o rt r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t ya n a l y s i s 1 1 1 er e s e a r c hf i n d i n g sm a i n l yr e f l e c ti nt h ee s t a b l i s h m e n to f t h ei n t e g r a t e ds t a t i ca n d d y n a m i cl o a dm o d e l ，w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rt r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t y a n a l y s i s m e a n w h i l e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ed e a l i n gw i t ht h ed i f f i c u l t i e sc a u s e db yt h e i i p r a e t i e a l u s eo ft h el o a d m o d e l ，l o a dv a r i a b i l i t y a n dt h et i m e v a r i a t i o nt ot h e e s t a b l i s h m e n to f l o a dm o d e l k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ，v o l t a g es t a b i l i t y , e q u i v a l e n c ei n t e g r a t i o nl o a dm o d e l ， m a t l a be m l u a t o r 1 1 1 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回壶：i 佥塞埕銮蜃进卮! 旦主釜；旦= 生i 旦三生筮壶! 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 硕士肇住论文 m a s t e r s t h e 秘s 第一章绪论 随着电力系统向大电网、高电压和远距离输电发展，对提高经济效益、促进环 境保护等方面起到了重要作用，但同时也绘电力系统的安全运行带来了新的问题， 电压失稳就是其中的问题之一【2 j 。 电力系统发生的停电事故通常和暂态稳定性相关。暂态稳定性包括功角稳定性 和电压稳定性。其中功角稳定性在理论研究方面已经比较成熟，电力系统实际运行 中针对功角稳定性问题的控制预防措施也比较完善。目前电压稳定性问题已经成为 威胁电力系统安全运行的主要因素，电压稳定通常又称为负荷稳定，是当前电力系 统规划和运行中主要关心的问题。可以预见，随着近来负荷中心和远方发电厂之间 的输电设备使用的更充分。电压稳定性的重要性还会日益增加唧。 1 1 研究背景和意义 电力系统是由发电厂、电力网和电力负荷组成的电能生产、传输和转化的系统， 而电力负荷则是该系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率的总称，有时也 包括将这些用电设备连接起来的配电网。目前，我国正处于经济快速发展的时期， 电力系统也步入了大电网、超高压、大机组、远距离的时代，但由于目前的经济发 展速度远远超出了国家几年前的预期，导致近些年来出现全国范围内电力建设落后 于国民经济发展水平的局面，电力系统运行在接近电网极限输送能力状态的几率大 大增加，从而较大程度上存在着发生电压崩溃事故的威胁。此外，随着国民经济的 高速增长，电力建设落后于经济发展速度的状况不会在短时期内解决，远距离重负 荷输电的局面将会日益突出。这就迫使电力系统运行于接近网络极艰输送能力的状 态。因此，在目前形势下，借鉴国外恶性电压崩溃事故和我国以往局部电压失稳的 经验和教训，研究电压稳定的安全指标、电压稳定的预防校正控制措施，以及考虑 电压稳定约束的输电能力分析对于避免电压崩溃事故的发生，具有特别重要的意 义。在过去的几十年间，关于电压稳定性研究，主要集中于电压失稳机理认识、电 压稳定性分析方法、电压崩溃的预防和校正措施等方面，发电机及输电网络的建模 也取得了很大的进展，相比之下，电力负荷建模则发展较慢，成为电力界最困难的 研究领域之一【2 6 l 。 近年来随着电压稳定研究的深入，动态负荷建模问题进一步引起了研究者的重 视专家们普遍认为，在影响电压稳定性的诸多因素中，负荷特性是最活跃、最关 键、最直接的因素，它从很大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程。负荷模型 硕士学位论文 m a s t e r st h e s t s 对电压稳定性的计算结果影响较大，不恰当的负荷模型会使德计算结果与实际情况 不一致，或偏乐观，或偏保守，从而构成系统的潜在危险或造成不必要的浪费。负 荷的组成不同对电压稳定性的影响也不同，所以不同地区、不同时段的负荷模型应 该具有不同的特性，而不能千篇一律地用统一的模型描述。另外，由于在配电网中 有大量的无功补偿和无功控制装置，它们对电压变化非常敏感，对电压稳定性分折 也有着十分重要的影响。是否将电压稳定研究的网络扩展到存在大量无功控制装置 的配电网，从而能够详细考虑补偿电容等无功控制装置的作用，使负荷建模更加简 单和准确是需要进一步研究的问题。 1 2 研究历史和现状 1 2 1 电压稳定研究的历史和现状 电压稳定的研究一直可以追溯到二十世纪4 0 年代h m 马尔维奇提出的第一个 电压稳定判据，但直到7 0 年代末期，这一领域仍没有多大的进展。1 9 7 8 年法国电 网的灾难性电压崩溃事故把这个长期被忽视的课题变成了电力界关注的焦点，从那 以后进行了大量的研究工作。早期普遍认为电压稳定是一个静态问题，研究的重点 集中在静态的机理探讨与基于潮流方程的极限运行状态的求取。而后的困难使人们 认识到电压稳定问题的复杂性和动态研究的必要性，研究人员开始重视对电压崩溃 现象的物理本质探讨、动态机理分析和建模等方面的研究。由此，可以把电压稳定 的研究划分为三个阶段：第一阶段，从马尔维奇提出第一个判据至二十世纪七十年 代中期，是电压稳定未能引起足够重视的阶段；第二阶段，从二十世纪七十年代到 八十年代中期，是注重静态研究的阶段；第三阶段，从八十年代中期至今，是以动 态机理的探讨为基础的全面研究阶段1 2 j 。 就电力系统电压稳定性问题的研究现状而言，对电压失稳的机理虽然缺乏统一 的认识，但有一点可以肯定的，即负荷特性对电力系统电压稳定性有很大的影响。 t a y l o r c w 甚至指出，电压稳定性问题实质上是复合稳定性问题，然而，目前在电 力系统电压稳定性问题的研究工作中，甚至在过电压失稳过程中非线性精细研究的 研究时，负荷大多采用的仍是恒阻抗、恒功率静态特性模型或经简化的动态模型。 由于电压稳定性主要关心节点电压对稳定性的影响，因此与功角稳定性不同的 是，电力系统的数学模型必须能尽可能详尽的反映系统的电压特性。而电力系统的 负荷是影响其电压特性的关键因素之一，因此必须建立准确的负荷模型；反之，如 果负荷模型不准确，则分析的结果是不可信的。我们知道，单个的负荷模型如电动 机、整流设备、各种照明设备等的模型并不复杂，同时负荷的投入与切除虽然在时 2 硕士擘位论文 m a s t e r st l 王e s i s 间上有一定的统计规律，却没有严格的时间标志，因此大量负荷接入电力系统导致 难以建立准确的动态负荷模型，这为动态电压稳定性与暂态电压稳定性分析带来了 很大的困难。而相对来说，负荷模型的准确性对电力系统功角稳定性分析影响就小 一些，因此在进行功角稳定性分析时对动态负荷模型的要求也就较低，这也是迄今 为止，电力系统功角稳定性分析技术相对于电压稳定性分析技术更加成熟的原因。 1 2 2 负荷模型研究的历史和现状 负荷特性指负荷功率随受荷端电压和系统频率变化而变化的特性，按照是否反 映负荷的动态特性，负荷模型一般可分为静态模型和动态模型两类，前者通常用代 数方程来描述。后者通常用微分方程或差分方程来描述。基本的静态负荷模型的结 构为：幂函数模型和多项式模型。动态负荷模型又可进一步分为机理模型和非机理 模型。其中机理模型通常就是包含感应电动机的综合负荷模型。非机理模型包括线 形动态模型、非线性动态模型、人工神经网络模型等【l ”。 早在2 0 世纪3 0 、4 0 年代，学术界就已经认识到负荷模型对电力系统分析的重 要性，并开始研究负荷随电压和频率变化的静态和动态负荷特性，这一阶段可以说 是负荷建模的萌芽期。 到了6 0 一7 0 年代，由于数字电子计算机及控制理论的发展，电力系统这门工 程学科焕发了新的活力。人们大量采用计算机进行复杂电力系统的仿真，与其他系 统元件模型一样，负荷建模工作有了相当的进展，除了提出了最常用的恒阻抗、恒 电流和恒功率负荷模型以外，还在计算中采用了感应电动机、多项式和幂函数等负 荷模型。 到了7 0 年代末8 0 年代初统计综合法( c o m p o n e n t - b a s e dm e t h o d ) 的提出是负荷建 模在这一时期的最重大的成果。从1 9 7 6 年开始美国e p r 玉主持了一顼庞大的研究计 划。根据该计划，研究工作在美国和加拿大同时展开整个工作经过了严密的计划 和组织，从理论、现场实验上以及数据收集系统的软、硬件开发和数据处理程序等几 个方面全面铺开。经过多年的努力到了1 9 8 7 年完成的e l - 5 0 0 3 计划，一个在统计综 合法负荷建模中最具影响的软件包e p r i 的l o a d s y n 开发完成了。该软件包使用 时虽然需要三种数据：负荷组成，即各类负荷( 民用、商业、工业等) 所占的比例；各类 负荷中各用电设备( 荧光灯、电动机、空调等) 所占的比例；各用电设备的平均特性。 8 0 年代前后，随着系统辨识理论的日趋丰富与完善，加之计算机数据采集与处 理技术的发展，一种新的负荷建模方法总体测辨法( m e a s u r e m e n t ，b a s e d m o d e l i n g a p p r o a c h ) 以其简单、实用、数据直接来源于实际系统等多种优点受到广 大电力负荷建模者的关注。该方法的基本思想是将负荷群作为一整体，先在现场进 硕士擘住论文 m a s t e r s t h e $ 1 s 行人为扰动试验或在线捕捉自然扰动，采集测量数据。然后由现场采集的数据辨识 负荷模型的结构和参数，最后，再用大量的实测数据验证模型的外推内插效果。 近年来，负荷模型研究的动力主要来自电压稳定分析的推动，目前在负荷建模 方面的一些成果也主要来自电压稳定分析研究。这些专门为电压稳定性分析建立的 负荷模型主要考虑了负荷的失稳特性和功率恢复特性，有涉及o l t c 动态的导纳模 型、描述功率恢复特性的动态导纳模型、具有功率恢复特性的非线性通用动态负荷 模型、以母线电压为状态变量描述的动态负荷模型等负荷建模的途径。负荷建模主 要有两种方法：一是统计综合法，这种方法主要思想是把综合负荷看作是成千上万 的用户的稽核，首先在实验室确定各种典型负荷的基本特性，然后根据统计出来的 各种负荷比例，估计各种负荷的总体特性，最后确定综合负荷特性；二是总体辨识 法，基本思想是把负荷看作一个整体，作为一个随机系统来考虑。利用数据采集装 置，从现场采集负荷所在母线的电量等然后根据系统理论建立负荷模型。 目前，电力系统的数字仿真已成为电力系统设计、规划、运行的主要工具，相 应的决策无不是以数字仿真的结果为依据。但数字仿真毕竟不等同于实际运行系 统，其与实际系统有着或大、或小的误差，误差的大小及性质对该决策的正确性具 有决定作用。如果决策基于悲观的仿真分析结果，则在规划设计方面将会因不必要 的加强系统结构和反事故措施而投入过多的资金，造成浪费；在运行方面采取过分 保守的策略而限制了功率传输的极限，使设备得不到充分的利用。 1 3 本研究的目的与主要内容 1 3 1 研究目的 对于电力系统电压稳定研究来说，就是想得到当前系统处于稳定状态的时候， 距离不稳定还有多远或系统的稳定裕度有多大，而负荷在电压稳定问题重扮演着重 要的角色，目前发电机与输电网络的模型已相当成熟，比较而言电力负荷模型仍较 简单，往往从物理概念出发采用单一理想化的模型，负荷模型在很大程度上影响着 电压稳定分析的结果。然而，电压功率曲线( 郾p - v 曲线) 与系统的静态电压稳 定特性以至电压崩溃到底是什么影响关系，负荷静态特性对系统的电压功率曲线究 竟有无影响等有关静态电压稳定性的一些根本性问题值得我们思考。传统的电力系 统潮流计算数学模型将系统节点分为艘、p v 和平衡节点，求得系统各节点电压 进而求得系统各节点注入网络的功率、各支路功率等。在此过程中，p q 节点从网 络吸取的有功、无功功率与节点电压无关而实际上，电力系统中运行的负荷特性 各异，有些负荷特性可以近似的看作恒功率负荷，还有些负荷是不能看作恒功率负 4 硕士擎位论文 m a s t e r l s t h e s i s 荷的，如电镀、电解、冶金、化工等行业重大量存在阻抗性负荷。由此可见传统的 电力系统潮流计算模型，将所有负荷节点当作曰q 节点来处理，与电力系统实际运 行有一定的距离。负荷建模是电压稳定性分析的重点和难点，合理的、精确的负荷 模型是进行电力系统精确仿真的基础，只有在建立这样合理精确的负荷模型后，才 能使得电力系统仿真更加接近于实际，对实际电力系统的规划，运行以及控制提供 指导和依据。目前，已有诸多学者致力于建立适合于电压稳定性分析的负荷模型， 并且已经取得了一定的成果。有学者指出：是否将电压稳定研究的网络扩展到存在 大量无功控制装置的配电网，从两能够详细考虑补偿电容等无功控制装置的作用， 使负荷建模更加简单和准确是需要进一步研究的问题，也有学者指出：建立用于电 稳定分析的负荷模型可以说是目前负荷建模研究的一个方向1 2 1 。 文献【4 l 对大型潮流和稳定仿真中的典型负荷模型。和包含等值配电系统的负荷 模型作了比较，指出前者具有以下不足： ( 1 ) 负荷功率根据高压母线的电压和频率变化，而非根据实际负荷所在点的 电压和频率而改变； ( 2 ) 无功损耗和补偿装置作用的大小直接为高压母线电压的函数，而实际上 它们更取决于馈线和变压器的电流； ( 3 ) 在潮流计算和长期动态仿真中，无法考虑变压器的分接头调节的影响； 基于以上原因，本研究的主要目的就是从负荷建模的角度，考虑配电网中大量 无功控胄装置，建立适合于电压稳定性分析的负荷模型。 1 3 2 本研究的主要内容 根据国外研究情况，电压稳定研究主要涉及以下三个关键问题： ( 1 ) 从主系统向负荷看迸去的负荷性质，也即负荷特性； ( 2 ) 发电机和电力网络以及负荷侧的电压控制手段； ( 3 ) 电力网络的功率传输极限能力，控制是从发电机侧向负荷侧输送的无功功 率，无功功率传输问题，涉及无功功率规划、系统传输等问题。 基于上面所提出的问题，本研究的主要工作如下； 一、了解适合于电压稳定性分析的负荷建模型的重要意义，负荷建模的发展历 史。对负荷建模的研究现状进行分析，进一步指出适合于电压稳定性分析的负荷建 模的重要性和必要性，最后概括的给出研究的主要内容和框架。 二、基于电压稳定及失稳的机理，以及负荷模型的发展现状。就负荷模型在电 压稳定分析中的应用，提出负荷模型的选取的重要性。 三，基于电力系统稳定运行的基本理论，对等值负荷模型进行建模，并对负荷 模型等值前后的性能进行分析和比较，提出几种电压稳定控制的方法。 四、用s i m u l i n k 中的基本模块搭建等值综合负荷模型，然后将该模型放到m a t l a b 平台上进行检验。 五、给出综合负荷模型的测试结果，并对仿真结果进行分析和比较，得出结论。 6 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章电压稳定及负荷模型概述 电力系统稳定分类通常基于产生不稳定的物理特性，需要考虑的扰动大小。为 确定稳定性必须考虑的设备、过程和实践跨度，以及计算和预测稳定性的合适方法 等。i e e e c i g r e 联合工作组予2 0 0 3 年对电力系统稳定等问题进行了定义 lj ，指出 电压稳定是指系统经受扰动后所有节点保持稳定电压的能力，同时电压稳定可以按 照扰动大小和实践框架分别进行划分。而电力系统负荷模型是指描述负荷端口的功 率或电流随其端口电压和频率变特性的数学方程和相应的参数。本文的讨论主要是 集中在电压特性方面。 2 1 电压稳定概述 2 1 1 电压稳定的含义 电力系统是一个复杂的大规模非线性动态系统，其稳定性研究一直是电力系统 规划与运行的重要课题。i e e e 动态委员会在1 9 9 0 年的报告中，将电压稳定性定义 为“系统维持电压的能力，当负荷导纳增大时，负荷功率随之增大，并且功率的电 压是能控的”。电压崩溃是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的电 压下降的过程。 在未出现电压崩溃事故之前，人们关注的主要是电力系统的功角稳定问题。上 个世纪七十年代后期以来，世界范围内先后发生了多起由电压崩溃引起的大面积停 电事故【2 l ，造成了巨大的经济损失和严重的社会影响，所以电压稳定的研究开始逐 渐进入了电力工业界和学术界的视野。 电压稳定闯题的出现是近年来电力系统发展的趋势紧密相关的。近年来，随着 科学技术的进步，为满足日益增长的电能需求，电力系统的发展出现了许多新变化， 例如；电网电压等级的升离；电力系统的互联；大容量发电机组的普遍应用；远离 负荷中心的水电厂、坑口电厂、核电厂的涌现；负荷容量的集中；直流输电和新型 电力电子控制装置的应用等。这些新变化对合理利用能源，提高经济效益和保护环 境都有重要意义，但受环境和建设成本的限制，电网结构相对薄弱，发电设备储备 量较少，系统经常运行在重负荷条件下，同时部分国家电力工业解除管制、实行市 场化以后，电网的运行状态和当初的设计有了很大的差别，这都给电力系统的安全 运行带来了隐患，其中包括电压不稳定或电压崩溃引起的局部丢负荷或大面积停 电 7 顽士学位论文 m a $ t e r 。st h e s i s 2 。1 2 电压失稳的机理解释 l 、电压失稳的静态机理解释 电压稳定最初被认为是一个静态问题，因此对电压失稳的机理也是从静态的观 点来加以解释。如第一个电压稳定判据a o d u 判据以及后来又提出的a e a u 判据 都是用静态的观点来解释电压失稳的机理认为系统中有功和无功的不平衡造成系 统电压的不稳定，没有考虑到系统中的各个动态元件的影响。由于系统的稳定不仅 要求系统春在潮流解并且应当是动态稳定的，因而仅以引起标准潮流方程雅克比矩 阵奇异的潮流状态判别稳定性所得的结论偏于乐观。 2 、电压失稳的动态机理解释 有些学者通过负荷稳定的角度来研究系统的电压稳定性，认为电压失稳可以归 结为负荷为维持有功功率平衡而自动调节其导纳的特性和网络输送能力的有限性 共同作用的结果；还有些学者认为电压失稳可能是系统向符合提供的有功不足以支 持负荷的有功需求造成的，也可能是无功不足造成的。也有学者从时域仿真的角度 提出了电压崩溃的动态机理解释，认为发电机与网络的相互影响导致电压崩溃。 电压稳定本质上是一个动态过程，电压失稳的发生是网络输送功率能力的有限 和系统个元件的固有动、静态特性相互作用的结果。电压稳定性和功角稳定性的研 究侧重不同，如何认识两者的联系迄今为止仍无定论。从本质讲，电力系统的稳定 问题是能量平衡问题。客观上只有一种电力系统稳定性和不稳定性，但依系统的特 性和运行模式不同，不稳定性可以多种不同的方式出现。学术界普遍认为电力系统 中静态电压水平主要由于无功功率平衡条件决定。也有许多研究成果把电压崩溃归 结为由于系统不能满足无功需求的增加。在某些不良运行点或当系统受到较大扰动 后，因为发电机励磁系统的强励和负荷电压下降，负餐需求减少，系统能保持电压 相对稳定。尔后由于带负荷调压变压器的连续调节使负荷端电压升高，供电得以恢 复，同时带负荷调压变压器一次侧电压下降，电流上升，发电机无功功率越限，其 连锁反应使负荷电压下降，电压稳定性破坏。由此可见，电力系统有功功率和无功 功率并不能截然分开进行分析，电压崩溃既与无功功率相关，也与有功功率相关。 2 1 3 电压稳定的安全指标计算 电力稳定与同步稳定研究一样，求解稳定裕度是一项十分关键的工作，据此我 们可以用来分析系统的情况进行监视，采取监控措施，保证系统安全运行。电压稳 定安全指标计算包括两个方面：寻找恰当的安全指标和快速又有足够精度的计算方 法。已提出的安全指标主要有：各类灵敏度指标、潮流雅克比矩阵奇异值指标、最 硕士擘位论文 m a s t e r 。s t h e s i s 小模特征值指标、负荷状态空间中潮流多解间的距离指标、临界电压指标和裕度指 标( d p d o 、d v ) 。裕度指标的线性很好，但涉及临界点的求取，因为潮流雅克比 矩阵奇异给计算带来困难，目前已经在这方面作了许多工作。其他的指标只用到倒 是系统运行状态的信息，计算简单，但线性差，称之为状态指标比较贴切。 2 1 4 电压稳定控制 我们可以根据不同的控制且的将电压稳定控制分为预防性控制和校正性控制。 预防性控制是指系统在发生故障或者负荷连续增长的情况下，运行点接近稳定边 界，有电压崩溃的可能，需要进行稳定控制运行点远离稳定边界，保持一定的稳定 裕度，预防电压崩溃事故的发生，从弱稳定区域回到稳定区域运行，此时的电力系 统仍然处于稳定状态，操作人员有足够的时间选择控制方式，因此预防性控制可以 是一种慢速的、调节性的控制。校正性控制是接线员在发生严重故障或负萄连续快 速增长等情况下，系统处于电压不稳定或电压崩溃的过程中，在这种情况下进行控 制，使系统能够恢复稳定并保持一定的稳定裕度，并将运行点从不确定区域拉回到 稳定区域，由于此时的系统已处于不稳定的状态，需要尽快地采取控制措旅，因此 校正性控制是一种快速、紧急的控制方法。不同控制对电压稳定有不同的影响，电 压控制策略研究需辨识这些控制作用，哪一个影响最强，在哪几以及如何采取控制 等。 电压稳定与发电机系统、传输系统和负荷系统的特性有关，因此需从这三个方 面寻找增强电压稳定性的控制措施。从发电系统来看，应提高发电机的有功和无功 输出能力以及运行备用。从输电系统考虑，电压崩溃常常发生在线路重负荷的情况 下。就负荷系统而言，控制的目的是维持负荷的电压水平和满足负荷的需求。 衡量一种电压稳定控铡方法是否合理可行，首先要看这种方法能否保证系统的 电压稳定性。从动态分析的角度看，系统具有电压稳定性是指描述系统动态特性的 状态方程的所有特征根的实部都小于零：从静态电压稳定分析的角度考虑，要求潮 流方程有高电压解。因此控制目标应该设定为在保证系统电压稳定性的同时维持负 荷节点合格的电压水平。 2 2 负荷模型的基本概念及其分类 电力系统符合模型是指描述负荷端口得功率或电流随其端口电压和频率特性 德数学方程和相应的参数负荷特性包括两方面：电压特性和频率特性。负荷模型 分为静态模型和动态模型两大类。静态模型适用于相对缓慢的过程，精确而言指对 于给定的负荷水平，在符合端口保持不同电压和频率的各种稳态情况下，负荷功率 9 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s l s 或电流与电压、频率的关系。动态模型则要反映电压频率变化弓l 起的负荷功率( 或 电流) 变化的全过程。本文负荷模型的研究主要基于电压稳定得分析。负荷吸收的 有功功率( p ) 及其无功功率( q ) 是随着负荷母线的电压( u ) 和频率( 厂) 的 变化而变化的，这即使负荷的电压、频率特性，用于描述负荷特性的数学方程称为 负荷模型。 对负荷模型可以从多方面进行分类： ( 1 ) 从模型是否能反映负荷的动态特性来看，可以分为静态的( s m ) 和动态 的( d m ) 。 ( 2 ) 从模型导出的方式来看，可分为机理式( p b m ) 和输输出( i o m ) 两 种。 ( 3 ) 从模型是否线性化来看，可分为线性的( l 1 ) 和非机理性的( n l m ) 。 ( 4 ) 从模型是否与频率相关来看，可分为电压相关模型( v d m ) 和频率相关 模型( f i ) m ) ，与电压及频率均有关的模型属于后一类。 2 2 1 静态负荷模型结构 负荷静态模型表示某一时刻负荷所吸收的有功与无功与同时刻母线电压值和 频率之间的函数关系。它既可用来表示本质上静止的负荷元件，如：电热负荷和照 明负荷，又可用来近似表示动态负荷元件。基本的静态负荷模型的结构为：幂函数 模型；多项式模型。通常一个幂函数在电压变化范围比较大的情况下仍能较好地描 述许多负荷的静态特性。多项式模型由恒功率、恒电流、恒阻抗三部分组成，它可 以看作是三个幂函数相加的特例，这三个幂函数的幂指数分别为o l ，2 静态的负荷 模型主要适用于潮流计算和以潮流计算为基础的稳态分析中。在电力系统动态分析 中，静态负荷模型般适用于计算结果对负荷模型不太敏感的负荷点。目前国内电 力系统潮流计算所采用的负荷模型多是恒功率模型，暂态计算所采用的负荷模型也 多是多项式模型( 多为4 0 的恒功率+ 6 0 的恒阻抗) 。与有些文献所述不同的是，由 于大部分的计算程序采用的多项式负荷模型，在低电压下( o 6 p u ) 多相应的转化为恒 阻抗模型，所以对多项式的负荷模型并不存在电压为零时功率不过零点的问题。 在众多的静态负荷模型结构中，有一个综合的静态模型能灵活地兼容若干负荷 表示形式，其表达式如下1 1 2 】： p = p o + l + 珞2 】 q = q 【+ 如，+ 如：】 1 0 ( 厶1 ) 其中： = p l 矿+ p 2 v + p ， 圪“= p 4 ( 矿) 一( 1 + 置们胡 - k 2 = 热( 即“( 1 + j 0 ：a f ) 鲂= 吼y + q 2 v + g ， 如，= 吼( 时1 ( 1 + 钔 如：= 吼( 时2 ( 1 + ：蛳 矿：旦 虼 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 式中，p 和q 为当母线电压模值为v 时的负荷有功秘无功分量；下标o 表示初 始运行条件时相关变量的值；鲈为频率偏差( f - o ) ；该模型参数为系数a p 5 、 吼q s 、q 口2 、熟6 2 、置舶k 矿2 和，0 l j 咯2 式( 2 - 1 ) ( 2 - 4 ) 给出的静态模型在低电压时是不实际的，并可能导致计算问 题。因此，当母线低于一个规定值时，稳定程序通常将负荷特性切换到恒阻抗模型。 2 2 2 动态负荷模型 动态负荷模型表示某一时刻煲荷有功功率与无功功率与前几个时刻的母线电 压幅值和频率之间的函数关系。动态负荷模型又可进一步分为机理模型和非杌理模 型其中，杌理模型统称就是感应电动机模型，相应的还有采用一台等值感应电动 机，两台或更多的等值感应电动机，以及将感应电动机并联上有关的静态模型等几 种形式。 非机理模型则是在系统辨识理论发展过程中，从大量的具体动态系统建模中概 括出来的，对一大类动态系统具有很强的描述能力。目前常用的非机理动态负荷模 型的形式有：常微分方程模型、传递函数模型、状态空问模型、时域离散模型。此 外，还有考虑描述负荷模型非线性提出的人工神经网络模型。 2 3 负荷模型的作用 大量的仿真计算表明：负荷模型的交化对系统暂态稳定、电压稳定以及潮流计 算的结果具有不同程度的影响，特别是在临界情况下，将发生质的变化。在当今， 电力系统在市场化的趋势冲击下，人们对系统分析硬、软件的精度要求越来越高， 负荷模型的研究的重要性也将更加突出。 l 、负荷摸型对潮流计算的影响 当电网运行条件好的时候，节点电压幅值在额定值附近，采用恒功率模型的潮 流计算并不存在收敛问题。但对于运行恶化的系统，如故障后断开线路或切除发电 机，系统中相应节点电压偏离额定值较远，采用恒功率的负荷模型时计算潮流就存 在潮流收敛问题，此时若采用考虑实际负荷功率随典雅变化的负荷模型时，潮流计 算的收敛性就会得到一定的改善。实际的潮流收敛在降低的负荷有功、无功上，采 用恰当的负荷模型能改善潮流的收敛性及计算精度。 2 、负荷模型对暂态稳定的影响 负荷模型对暂态稳定的影响是通过负荷功率随电压、频率的变化影响作用在各 发电机上的电磁功率，进而影响对各发电机起加速或者减速的剩余转矩。对于电压、 频率变化幅度很大的暂态过程，采用一般的适用于典雅变化幅度不大的静态负荷模 型是不合适的。在评价负荷模型对暂态稳定的影响时应着重注意模型对诸如最大传 输功率、极限切除时间等稳定极限的影响，而不应仅仅注意对个别发动机功角摇摆 幅度的影响 3 、负荷模型对小扰动稳定的影响 区间震荡涉及系统内的大量发电机，通常会造成系统电压、区域频率的显著变 化在此情况下，负荷的电压特性和频率特性对震荡的镇定具有重要的影响。在小 信号动态稳定分析中，采用恒阻抗的负荷模型所得到的结果比精确结果要偏于乐 观。 4 、负荷模型对电压稳定计算的影响 目前在电压稳定研究领域还存在诸多问题，甚至对电压失稳的机理认识也还没 有统一。但有一点是一致的，就是负荷在电压稳定的问题中扮演着及其重要的角色， 负荷模型在很大程度上影响着电压稳定分析的结果，造成很大的偏差。也就是说， 电压稳定问题与综合负荷的电压特性关系密切。国内有学者认为，确定负荷动态在 电压稳定问题中的主导地位建立适合于电压稳定性研究的负荷模型，将是电压稳定 理论走向成熬的关键。 5 、负荷模型对暂态稳定的灵敏度分析 负荷模型对暂态稳定分析具有重要的影响，更进一步我们需要分析负荷模型对 暂态稳定的灵敏度分析，这对于我们建立符合模型和应用负荷模型都有重要的作 用。有些学者采用了e e a c 法分析了负荷模型的各种因素对暂态稳定的影响。有的 学者采用了能量函数法分析了负荷模型对暂态稳定的灵敏度。一方面灵敏度分析可 以指导我们在仿真时选择模型；另一方面灵敏度分析还可以指导我们建立模型。 2 4 感应电动机综合负荷模型结构 感应电动机在电力负荷( 尤其是工业负荷) 中占有较大比重，对电力系统运行分 析与控制具有相当大的影响，在不少电力系统计算软件包中均包含感应电动机模 型，因此成为电力系统模型中的重要部分。感应电动机种类非常繁多，如小电动机、