电力系统电压稳定控制设计

1、银川能源学院课程设计课程名称：电力系统分析设计题目：电力系统电压稳定限制设计学院：电力学院专业：电气工程及其自动化班级：电气工程及其自动化专业1303姓名：周凯学号：学10240076成绩：指导教师：李莉、李静日期：2021年12月21日一2021年1月2日摘要电力系统是一个具有高度非线性的复杂系统,随着电力工业开展和商业化运营,电网规模不断扩大,对电力系统稳定性要求也越来越高.在现代大型电力系统中,电压不稳定/电压崩溃事故已成为电力系统丧失稳定性的一个重要方面.因此,对电压稳定性问题进行深入研究,仍然是电力系统工作者面临的一项重要任务.从国内外一些大的电力系统事故的分析来看,发生电压崩溃的一

2、个主要原因就是无法预计负荷增长或事故发生后可能导致的电压失稳的程度和范围,难以拟定预防和校正的具体举措.本文在简要分析电力系统电压稳定常见形式的根底上,着重在电力系统电压稳定分析方法和限制方法两方面进行探究.关键词：电力系统,电压稳定、限制.目录摘要11电压稳定的研究31.1 电压稳定性及其类型31.2 电压稳定的研究内容41.3 电压稳定的研究展望62电压稳定的研究方法62.1 静态分析方法62.1.1 灵敏度分析法62.1.2 特征值分析法、模态分析法和奇异值分解法72.1.3 连续潮流法72.1.4 非线性规划法72.2 动态分析方法72.2.1 小干扰分析法82.2.2 大干扰分析法8

3、2.2.3 电压稳定的概率分析83负荷模型的结构93.1 静态负荷模型93.1.1 指数负荷模型93.1.2 多项式负荷模型103.1.3 与频率有关的负荷模型104电力系统的潮流计算方法114.1 节点类型114.2 待求量114.3 导纳矩阵114.4 潮流方程12结论14总结与体会14致谢15参考文献151电压稳定的研究1.1 电压稳定性及其类型电力系统的稳定性是在远距离输送大功率负荷情况下突出的问题.在初期的电力系统中,输电线路距离较短,负荷较小,显然稳定问题不是很重要的问题.而目前,在我国的电力网越来越大,输送距离越来越长,输送容量越来越大,电压等级越来越高.在这样的电力系统中,主要

4、靠广阔工程技术人员用户提供可靠而不间断的电力,保证电力系统运行的平安、可靠、优质,稳定性问题显得十分重要.电力系统稳定性的破坏,是危害很严重的事故,会造成大面积停电,给国民经济带来不可估量的损失,这种后果促使人民严重关注电力系统的稳定问题.可以说现代电力系统的很多方面都与稳定性问题密切相关的.所谓电力系统的稳定性,是指当系统在某种正常运行状态下忽然受到某种干扰时,能否经过一定的时间后又恢复到原来的稳定运行状态或者过渡到一个新的稳定运行状态的水平.如果能够,那么认为系统在该正常运行方式下是稳定的.反之,假设系统不能回到原来的运行状态,也不能建立一个新的稳定运行状态,那么说明系统的状态变量电流、电

5、压、功率没有一个稳定值,而是随着时间不断增大或者振荡,系统是不稳定的.知道电网甩去相当大的一局部负荷,甚至是系统瓦解成几个局部为止,这种稳定性的丧失带来的后果极为严重.电力系统的稳定性,按系统遭受到大小不同的干扰情况,可分为静态稳定性和暂态稳定性.电力系统的静态稳定性,是指系统在某种正常运行状态下,忽然受到某种小干扰后,能够自动恢复到原来的运行状态的水平.实际上电力系统中任意小的干扰是随时都存在的,例如,某个用户需要增减一点负荷,风雨造成的摇摆,系统末端的小操作,调速器、励磁调节器工作点变化等.在小干扰作用下,系统中各状态变量变化很小.电力系统的暂态稳定性,是指系统在某种正常运行状态下,忽然受

6、到某种较大的干扰后,能够自动过渡到一个新的稳定运行状态的水平.可见,电力系统的暂态稳定性即是大干扰下的稳定性.系统运行中的大干扰包括正常操作和故障情况引起的.正常操作如大负荷的投入或切除,大容量发电机、变压器及高压输电线路的投入或切除,都可能对系统产生一个较大的扰动.故障情况如系统中发生各种形式的短路、断路,这对系统的扰动极为严重.电力系统受到较大扰动时,系统中的运行参数电压、电流和功率都将发生急剧的、不同程度的变化.由于电源测原动机调速系统具有相当大的惯性,致使原动机的机械功率与发电机的电磁功率失去了平衡,于是在机组大轴上相应将产生不平衡转矩,在这个不平衡转矩的作用下,转子的转速将发生变化.

7、而系统中各发电机转子相对位置的变化,反过来又将影响系统中电流、电压和功率的变化,且各状态变量的变化较大.综上所述,不管是静态稳定性还是暂态稳定性问题,都是研究电力系统受到某种干扰后的运行过程.由于两种稳定性问题中受到的干扰不同,因而分析的方法也不同,除此之外,还有一种动态稳定.动态稳定是指当系统受到某种大干扰将使系统丧失稳定,当采用自动调节装置后,可将系统调节到不致丧失稳定,把这种靠自动调节装置作用得到的稳定叫做动态稳定.所谓动态稳定是指电力系统都到大干扰后,在计及自动调节和限制装置的作用下,保持系统稳定运行的水平.当系统遭受到某种扰动,而打破系统功率平衡时,各发电机组将因功率的不平衡而发生转

8、速的变化.由于各发电机组的转动惯量不等,因此它们的转速变化也各不相同有的变化较大,有的变化较小,从而在各发电机组的转子之间产生相对运动.电力系统的稳定问题,主要是研究电力系统中发电机之间的相对运动问题.由于牵涉到机械运动,所以分析电力系统的稳定性也称电力系统的几点暂态过程的分析.电力系统的稳定问题,还可以分为电源的稳定性和负荷大稳定性两类,电源的稳定性就是要分析同步发电机是否失步；负荷的稳定性就是要分析异步电动机是否失速、停顿.但往往是电源和负荷同时失去稳定.1.2 电压稳定的研究内容目前的研究工作根据其目的的不同可以分为三大类：电压失稳现象机理探讨、电压稳定平安计算和预防/限制举措研究.1电

9、压失稳机理探讨：其目的是要弄清楚主导电压失稳发生的本质因素,以及电压稳定问题和电力系统中其它问题的相互关系,电力系统中众多元件对电压稳定性的影响,在电压崩溃中所起的作用,从而建立起分析电压稳定问题的恰当系统模型.在这方面主要的研究手段有定性的物理讨论、电压崩溃现象的剖析、小干扰分析方法和时域仿真计算.早期的静态研究中机理熟悉集中表达在P-V曲线和Q-V曲线分析、潮流多解的稳定性分析和基于灵敏度系数的物理概念讨论.动态因素受到重视以后,负荷的动态特性,OLTC的负调压作用受到了普遍关注.目前普遍认为无功功率的平衡、发动机的无功出力限制、OLTC的动态和负荷的动态特性与电压崩溃关系密切.但是对电压

10、崩溃的机理熟悉还很不一致,不同研究人员所采用的系统模型也有很大差异,这种现状说明迫切需要全面深入地分析电压稳定问题,分析它与电力系统中其它问题的相互关系,弄清各种因素的作用,抓住问题的本质,为不同情况下的电压稳定研究建模提供必要的指导原那么.2电压稳定平安计算：主要包括两个方面,即寻找恰当的稳定指标和快速且有足够精度的计算方法.电压稳定指标多为静态指标总体上分成两类：裕度指标和状态指标.目前已提出的主要有：各类灵敏度指标、最小模特征值指标、电压稳定性接近指标、局部指标、负荷裕度指标等.现在又提出了很多新的指标,如文献3的快速电压稳定指标FVSI,通过常规潮流程序计算每条线路的静态稳定指标,并按

11、指标排列.从而确定特定运行点到崩溃点的距离,来判断系统的平安性.这个指标实现容易、计算简单、概念清楚,且预测结果较精确,可作为警告指标来预防电压崩溃；文献4在线电压稳定指标Lvsi,反映的是系统在当前运行状态下,某一支路电压稳定的程度；文献5基于网损灵敏度理论的二阶指标ILSI,可以很好指示电压稳定水平,并具有良好的线性度,也可用于在线评估；文献6提出将整个系统等值为一个简单的两节点系统,在此根底上计及感应电动机负荷,得到负荷母线在线小干扰电压稳定指标.两类指标都能给出系统当前运行点离电压崩溃点距离的某种量度.状态指标只取用当前运行状态的信息,计算比较简单,但存在非线性；而裕度指标能较好地反映

12、电压稳定水平,但其计算涉及过渡过程的模拟和临界点的求取问题,计算量较大.从目前研究看,尽管许多电压稳定指标已被提出,但由于各种指标都采用了不同程度的简化,其准确性与合理性需要进一步验证和改良.这方面目前需要解决的主要有以下三个问题：快速、准确的指标计算方法；根据动态机理对各类指标的合理性、准确性进行检验,为运行部门选择指标提供依据；在快速算法中计及影响电压稳定的主要动态元件的作用,比方发电机无功越限和负荷特性的影响等.3预防/限制举措的研究：以日本和法国采取的事故对策最为出色.前者强调增强事故状态下的电压限制水平,后者以其对电压崩溃过程的时段的划分,侧重于事故发生前的紧急状态下的预防举措.目前

13、普遍认为,增强无功备用、提升无功应变水平、预防无功功率的远距离传输、紧急迫负荷、闭锁甚至反调OLTO预防严重事故的有效举措.1.3 电压稳定的研究展望电压稳定研究作为电力系统领域的一个重要的实际课题,在近三十年来取得了许多重要的成果,一些电网工程人员研制了电压稳定分析和监测应用软件.但目前理论研究和应用实践说明,对电压稳定问题的熟悉深度和已取得的成果还远远不能与功角稳定问题研究所取得的理论熟悉深度及应用成果相比较,还不能通过对电压稳定全面的分析、预防、监测、限制保证电力系统的平安可靠运行.因此目前仍然存在的问题和今后可能的研究方向主要有：1电压崩溃的机理研究;2对各种元件的动态特性还缺乏全面的

14、分析和统一的熟悉,负荷建模仍然是电压稳定研究的最大难题；3影响电压稳定的主要随机因素的统计特性的获取,以及这些随机因素统计特性比较复杂时,如何进行电压稳定概率分析；4根据各种不同的电压稳定裕度指标,开发相应的监测应用软件,使电压稳定的研究成果真正地为电力系统效劳.2电压稳定的研究方法根据所采用的数学模型一般可以分为以下两大类：基于稳态潮流方程的静态分析方法,基于非线性微分方程的动态分析方法.2.1 静态分析方法静态分析方法大多都基于电压稳定机理的某种熟悉,主要研究平衡点的稳定性问题,即把网络传输极限功率时的系统运行状态当作静态电压稳定极限状态,以系统稳态潮流方程进行分析.其研究内容主要包括计算

15、当前运行状态下的电压稳定指标、确定系统的薄弱环节、寻找提升系统电压稳定裕度的限制策略等.静态分析方法众多,以下扼要地综述一些广泛使用的、具有代表性的方法.2.1.1 灵敏度分析法灵敏度法是通过计算在某种扰动下系统变量对扰动的灵敏度来判别系统的稳定性.灵敏度分析的物理概念明确,求解方便,计一算量小,因此在电压稳定分析的初期受到了很大的重视,对简单系统的分析也较为理想.2.1.2 特征值分析法、模态分析法和奇异值分解法它们都是通过分析潮流雅可比矩阵来揭示系统的某些特性.特征值分析法将雅可比矩阵的最小特征值作为系统的稳定指标；模态分析法在假设某种功率增长方向的根底上,利用最小特征值对应的特征向量,计

16、算出各节点参与最危险模式的程度；奇异值分析法和特征值分析法类似,最小奇异值对应的奇异向量与特征值分析法对应的特征向量有相同的功能,在数值计算中前者只涉及实数运算,后者可能出现最小特征值为复数的情况,故前者更受研究人员的欢送.考虑到电压和无功的强相关性,这三种方法在分析时往往采用降阶的雅可比矩阵.电力系统是一个高度非线性系统,其雅可比矩阵的特征值或奇异值同样具有高度的非线性,所以这三种方法都很难对系统电压稳定程度作出全面、准确的评价,但在功率裕度的近似计算、故障选择等方面仍有较好的应用价值.2.1.3 连续潮流法连续潮流法是求取非线性方程组随某一参数变化而生成的解曲线的方法,其关键在于引入适宜的

17、连续化参数以保证临界点附近解的收敛性,止匕外,为加快计算速度,它还引入了预测、校正和步长限制等策略.目前,参数连续化方法主要有局部参数连续法、弧长连续法及同伦连续法.在电压稳定研究中,连续潮流法主要用于求取大家熟知的PV曲线和QV曲线.由于能考虑一定的非线性限制及不等式约束条件,计算得到的功率裕度能较好地反映系统的电压稳定水平,连续潮流法已经成为静态电压稳定分析的经典方法.2.1.4 非线性规划法非线性规划法是将电压崩溃点的求取转化为非线性目标函数的优化问题,它以总负荷视在功率最大或任意负荷节点的有功功率最大为目标函数,采用非线性优化的方法来求解.相对于求解一个非线性方程组,求解一个非线性规划

18、问题要复杂得多,但它能较好地考虑各种等式、不等式约束条件的限制,在求解实际问题的时候具有更大的实用价值.目前,非线性规划法已用于电压稳定裕度计算、电压稳定预防校正限制策略、最优潮流、电力系统经济调度等各种问题.2.2 动态分析方法电压稳定本质上是一个动态问题,只有在动态分析下,动态因素对电压稳定的影响才能表达,才能更深入地了解电压崩溃的机理以及检验静态分析的结果.目前,动态电压稳定分析方法主要分为小扰动分析法和大扰动分析法,其中大扰动方面主要有时域仿真法及能量函数法.除此以外,还有非线性动力学方法.2.2.1 小干扰分析法小扰动分析法是基于线性化微分方程的方法,仅适用于系统受到小扰动时的情形.

19、它的主要思路是将描述电力系统的微分-代数方程组在当前运行点线性化,消去代数约束后形成系统矩阵,通过该矩阵的特征值和特征向量来分析系统的稳定性和各元件的作用,其主要难点在于建立简单而又包括系统主要元件相关动态的模型.目前,小扰动分析已用于有载调压变压器OLTC、发电机及其励磁限制系统和负荷模型等对电压稳定影响的研究.2.2.2 大干扰分析法潮流解的存在和小干扰电压稳定分析的重点在于把电力系统置于一个具有一定平安裕度的运行方式.电力系统遭受线路故障和其它类型的大冲击,或在小干扰稳定裕度的边缘负荷的增加,都可能使系统丧失稳定.这是系统动态行为的数学描述必须保存其非线性特性的原因.这方面的研究主要有时

20、域仿真法和能量函数法.1时域仿真法是研究电力系统动态电压特性的最有效方法,目前主要用来熟悉电压崩溃现象的特征,检验电压失稳机理,给出预防和校正电压稳定的举措等,适合于任何电力系统动态模型.但是,电压稳定的时域仿真研究还存在一些难点,主要包括时间框架的处理、负荷模型的适用性以及结论的一般化问题.2能量函数法是直接估算动态系统稳定的方法,可预防耗时的时域仿真,根本思想是利用能量函数得到状态空间中的一个能量势阱,通过求取能量势阱的边界来估计扰动后系统的稳定吸引域,并据此判断系统在特定扰动下的稳定性.能量函数法在判断暂态功角稳定方面已取得了相当多的成果,为系统中电压稳定薄弱区域的识别和不同规模系统间电

21、压稳定性的比较提出了良好的依据,但它对于具有复杂的动态特性和有损耗的输电系统而言,并不能保证能量函数存在,目前在研究电压稳定方面仍处于起步阶段.2.2.3 电压稳定的概率分析电力系统具有非线性和不确定性特点,使得电力系统中的一些参数由于测量、估计或计算上的误差具有一定的随机性,扰动及其相应的保护动作均是随即过程,计及系统参数和扰动的随机性进行电压稳定分析具有一定意义.根据负荷潮流雅可比矩阵奇异的可能性来定义电压稳定概率指标,在30节点电力系统上校验了该指标的有效性.提出了一种进行电力系统电压崩溃风险评估的方法.该方法综合考虑了电压崩溃的概率和后果,量化了风险指标,通过兼顾风险指标和经济效益为确

22、定系统的最正确运行方式提供了依据.6节点系统和IEEE300节点系统的评估结果证实了该方法的可行性和有效性.尽管电压稳定静态分析方法从原理上讲并不严密,所得结果也难以令人信服,但却计算简单,且不需要难以准确获得的负荷动态特性.与此相对应的电压稳定动态分析方法,不仅面临着负荷动态建模的困难,而且在研究实际大规模系统时还存在着数值计算上的困难.因此人们对电压稳定静态分析方法仍持积极的态度,并努力寻求潮流雅可比矩阵的性质与系统电压稳定性之间的关系.并在积极的探索将电力系统动态分析方法和静态分析方法结合起来的电压稳定的分析方法.3负荷模型的结构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

23、频率变化特性的数学方程和相应的参数.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,在负荷端口保持不同电压和频率的各种稳态情况下,负荷功率或电流与电压、频率的关系,通常用代数方程描述.动态模型那么要反映电压频率变化引起的负荷功率或电流变化的全过程,通常用微分方程或差分方程描述.3.1 静态负荷模型静态负荷模型主要适用于潮流计算和以潮流计算为根底的稳态分析中.在电力系统动态分析中,一般适用于计算结果对负荷模型不太敏感的负荷点.3.1.1 指数负荷模型通常一个指数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.忽略频率变化对负荷

24、有功、无功功率变化的影响,在一定的电压变化范围下,其指数函数模型可表示为式中,BQ0和V0分别为扰动前稳态情况下负荷所吸收的有功、无功功率和节点电压：指数a和B的值取决于负荷的类型.应当注意到把指数设置为0、1、2时,式3-1就相应地表示为恒定功率、恒定电流和恒定阻抗负荷.其它指数可用来表示不同类型的负荷组元的总的效果.对于综合负荷,其中指数a的取值通常在0.5-1.8;指数B的值随节点不同变化很大,典型值为1.5-6.3.1.2 多项式负荷模型这是将功率与电压幅值关系表达为多项式方程形式的静态负荷模型,不计频率变化时通常有如下形式:(3-2)A+B+C=1r萨尸A+3+C=I这种模型实际上相

25、当于认为负荷由三局部组成.系数A、B、C分别表示恒定阻抗Z、恒定电流I和恒定功率P局部在节点总负荷中所占的比例.因此这种负荷模型也称为负荷的ZIP模型3.1.3 与频率有关的负荷模型该模型参加了对频率的依赖性,通常用下面的式子与多项式或指数负荷模型相乘来表示：3-3式中,f是节点电压的频率；f0为额定频率；af是模型的频率敏感性参数.尽管负荷的静态模型由于其形式的简单而在通常的电力系统稳定性计算中得到了广泛的应用,但是,当所涉及的节点电压幅值变化范围过大时,采用静态模型将使误差过大.4电力系统的潮流计算方法电力系统分析的潮流计算是电力系统分析的一个重要的局部.通过对电力系统潮流分布的分析和计算

26、,可进一步对系统运行的平安性,经济性进行分析、评估,提出改良举措.电力系统潮流的计算和分析是电力系统运行和规划工作的根底.潮流计算是指对电力系统正常运行状况的分析和计算.通常需要系统参数和条件,给定一些初始条件,从而计算出系统运行的电压和功率等；潮流计算方法很多：高斯-塞德尔法、牛顿-拉夫逊法、P-Q分解法、直流潮流法,以及由高斯-塞德尔法、牛顿-拉夫逊法演变的各种潮流计算方法.4.1 节点类型电力系统潮流计算中,节点一般分为如下几种类型：PQ节点：节点注入的有功功率无功功率是的PV节点：节点注入的有功功率,节点电压幅值恒定,一般由无功储藏比较充足的电厂和电站充当；平衡节点：节点的电压为1*e

27、xp(00),其注入的有功无功功率可以任意调节,一般由具有调频发电厂充当.更复杂的潮流计算,还有其他节点,或者是这三种节点的组合,在一定条件下可以相互转换.对于此题目,节点分析如下：节点1给出有功功率为2.,无功功率为1,PQ节点.节点2给出有功功率为0.5,电压幅值为1.0,PV节点.节点3电压相位是0,电压幅值为1,平衡节点.4.2 待求量节点1待求量是P,Q节点2待求量是Q6;节点3待求量是U,6.4.3 导纳矩阵导纳矩阵分为节点导纳矩阵、结点导纳矩阵、支路导纳矩阵、二端口导纳矩阵.结点导纳矩阵：对于一个给定的电路(网络),由其关联矩阵A与支路导纳矩阵Y所确定的矩阵.支路导纳矩阵：表示一

28、个电路中各支路导纳参数的矩阵.其行数和列数均为电路的支路总数.二端口导纳矩阵：对应于二端口网络方程,由二端口参数组成节点导纳矩阵：以导纳的形式描述电力网络节点注入电流和节点电压关系的矩阵.它给出了电力网络连接关系和元件特性的全部信息,是潮流计算的根底方程式.本例应用结点导纳矩阵具体计算时,根据如下公式：Yi：¥心+工3y卜Ylty由题给出的导纳可求的节点导纳矩阵如下：y11-Wn+y,i3-1.25_j5.5=yi=os+j3=yu=-0.75+2.5=、Li+=I-3/7y2J-工=TL8+J4事"=乃i+¥=L55-j05进而节点导纳矩阵为：-1,25-j5,

29、5-0.5+j3-口+Y=-0,5+j3),3-J7-0,84-J4-0.75-1-J2.5-O.S+J4I.55-jft.S4.4潮流方程网络方程是潮流计算的根底,如果给出电压源或电流源,便可解得电流电压分布.然而,潮流计算中,这些值都是无法准确给定的,这样,就需要列出潮流方程.对n个节点的网络,电力系统的潮流方程一般形式是仁e争匕g,2.,n)Vi川即PQ分别为节点的有功功率无功功率.代入得潮流方程：2-j1-(L25-j5,5)t/.ZfV,*(0,5-j3)IZ+(Ot75-j2.5)Z(r/,zA"5一闻=(0.5-J3)U/4+(L3-j7)-IZA(08-j4)-IZO4I/2-(0.75-J2.5)(/衣+(0.8-j4)-IZ<V:+(L55-j6.5)1/0°结论电力系统电压稳定问题的研究有着十分重大的社会经济意义.尽管电压稳定问题及其相关现象十分复杂,在过去二十年间,人们已经在电压失稳机理以及负荷模型建立、分析手段上取得了很多重要研究成果.随着系统规模的不断开展,新型限制设备的不断投入