電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題的初步研究

1、緒論電力系統(tǒng)是由電能生產(chǎn)、傳輸、使用的能量變換、傳輸系統(tǒng)和信息采集、加工、傳輸、使用的信息系統(tǒng)組成的。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題可以分為角度穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定三個(gè)方面。電壓穩(wěn)定性問題與發(fā)電系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)和負(fù)荷系統(tǒng)都有關(guān)系。電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行或經(jīng)受擾動(dòng)后維持所有節(jié)點(diǎn)，電壓為可接受值的能力引起電壓不穩(wěn)定的主要因素是電力系統(tǒng)沒有能力維持無功功率的動(dòng)態(tài)平衡和系統(tǒng)中缺乏合適的電壓支持；電壓不穩(wěn)定性受負(fù)荷特性影響很大。電壓崩潰通常是由以下幾種情況引發(fā)的：負(fù)荷的快速持續(xù)增長；局部無功不足；傳輸線發(fā)生故障或保護(hù)誤動(dòng)；不利的OLTC的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；電壓控制設(shè)備限制器（如發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制）動(dòng)作。這些情況往往

2、是互相關(guān)聯(lián)的，持續(xù)惡化的相互作用將最終導(dǎo)致電壓崩潰的發(fā)生。電壓安全是指電力系統(tǒng)的一種能力，即不僅在當(dāng)前運(yùn)行條件下電壓穩(wěn)定，而且在可能發(fā)生的預(yù)想事故或負(fù)荷增加情況下仍能保持電壓穩(wěn)定。它意味著相對可信的預(yù)想事故集合，電力系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)距離電壓失穩(wěn)點(diǎn)具有足夠的安全裕度。為了防止電壓失穩(wěn)/崩潰事故，最為關(guān)心的問題是，當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是不是電壓穩(wěn)定的，系統(tǒng)離電壓崩潰點(diǎn)還有多遠(yuǎn)或穩(wěn)定裕度有多大。因此必須制定一個(gè)確定電壓穩(wěn)定程度的指標(biāo)，以便運(yùn)行人員做出正確的判斷和相應(yīng)的對策電壓穩(wěn)定性研究的方法：非線性動(dòng)力學(xué)方法、概率分析方法、靜態(tài)分析方法和動(dòng)態(tài)分析方法。電力系統(tǒng)是非線性動(dòng)力系統(tǒng)，穩(wěn)定本身屬于動(dòng)態(tài)范疇，電

3、壓失穩(wěn)或電壓崩潰本質(zhì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。當(dāng)我們深入研究電壓不穩(wěn)定發(fā)生的原因、機(jī)理及其變化過程時(shí)，特別是要研究因電壓過低而導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定破壞時(shí)，靜態(tài)分析方法難以完整計(jì)及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)元件的影響，因此無法深入研究電壓失穩(wěn)的機(jī)理及其演變過程。必須在計(jì)及元件動(dòng)態(tài)作用的前提下，建立恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，采用合適的動(dòng)態(tài)方法進(jìn)行研究才能真正揭示電壓失穩(wěn)的發(fā)展機(jī)制。負(fù)荷特性在電壓穩(wěn)定研究中起著重要作用，它直接影響分析的結(jié)果，但由于負(fù)荷的隨機(jī)性、分散性及多樣性，嚴(yán)格統(tǒng)一負(fù)荷特性尚無法確立，這使得負(fù)荷特性成為電壓穩(wěn)定研究的一個(gè)瓶頸，所以要深入這方面的研究。第1章 電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.1電力系統(tǒng)的定義現(xiàn)代電力系統(tǒng)是由電能生產(chǎn)、傳

4、輸、使用的能量變換、傳輸系統(tǒng)和信息的采集、加工、傳輸、使用的信息系統(tǒng)組成的，是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，它的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是電力系統(tǒng)的基本要求。1.2電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)電力系統(tǒng)的基本特性：（1）由運(yùn)行電壓基本恒定的三相交流系統(tǒng)組成，發(fā)電和輸電設(shè)施采用三相裝置，工業(yè)負(fù)荷總是三相；單相家用和商用負(fù)荷在各相之間等量分配，以便有效地形成平衡的三相系統(tǒng)。（2）采用同步發(fā)電機(jī)發(fā)電。原動(dòng)機(jī)將一次能源（化石燃料、核能和水能）轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后由同步發(fā)電機(jī)將它轉(zhuǎn)換為電能。（3）將電力遠(yuǎn)距離輸送到廣大區(qū)域的電力用戶，需經(jīng)由運(yùn)行于不同電壓水平的子系統(tǒng)組成的輸電系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的特點(diǎn)是與電能的特點(diǎn)相聯(lián)系的。電能生產(chǎn)、傳輸和

5、使用從誕生之日起就具有鮮明的系統(tǒng)性，這是由電能系統(tǒng)的本質(zhì)決定的。電能以光速傳播，迄今為止未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模、大容量的電能存儲(chǔ)，因此電能的生產(chǎn)與消費(fèi)幾乎是在同一瞬間內(nèi)完成的，發(fā)電、輸電、變電、配電、用戶組成了始終處于連續(xù)工作和動(dòng)態(tài)平衡的不可分割的整體；電能供應(yīng)系統(tǒng)和用戶處于相互影響、相互制約之中，電能供應(yīng)系統(tǒng)要適應(yīng)用戶對電能需求的隨機(jī)變化，向用戶連續(xù)不斷地提供質(zhì)量合格、價(jià)格便宜的電能。用戶（負(fù)荷）的特性和隨機(jī)變化又反過來影響和沖擊著電能供應(yīng)系統(tǒng)；電能和社會(huì)的生產(chǎn)、人民的生活、國家的國名經(jīng)濟(jì)緊密相關(guān)，它既能夠創(chuàng)造巨大的物質(zhì)財(cái)富和現(xiàn)代文明，也可能在瞬間造成重大的災(zāi)難，使現(xiàn)代社會(huì)陷入混亂。因此在各個(gè)環(huán)節(jié)

6、和不同層次一定要具有相應(yīng)的信息與控制系統(tǒng)，對電能的生產(chǎn)、傳輸、使用的過程進(jìn)行測量、調(diào)節(jié)、控制、保護(hù)和協(xié)調(diào)調(diào)度，以保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使用戶獲得安全可靠、優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)的電能。作為現(xiàn)代社會(huì)的一個(gè)關(guān)鍵部門，電力系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、商業(yè)和人民生活的各個(gè)方面起著重要的作用。每個(gè)現(xiàn)代國家的發(fā)展都與電能的利用水平密切相關(guān)。第2章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義及其分類電力系統(tǒng)穩(wěn)定即電力系統(tǒng)能夠運(yùn)行于正常運(yùn)行條件下的平衡狀態(tài)，在遭受干擾后能夠恢復(fù)到可容許的平衡狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的不同，電力系統(tǒng)不穩(wěn)定可以通過不同的方式變現(xiàn)出來。傳統(tǒng)上，穩(wěn)定是一個(gè)維持同步運(yùn)行的問題。由于電力系統(tǒng)依靠同步電機(jī)發(fā)電，因而良

7、好的系統(tǒng)運(yùn)行的必要條件是所有電機(jī)保持同期，即同步。這一穩(wěn)定的狀況受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角的動(dòng)態(tài)和功角關(guān)系的影響。不失去同步也可能產(chǎn)生不穩(wěn)定。例如，有一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)向一臺(tái)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷通過一條輸電線供電的系統(tǒng)，可因負(fù)荷電壓崩潰而變得不穩(wěn)定。這種情況下保持同步不成為問題，所關(guān)心的問題是電壓的穩(wěn)定和控制，這種形式的不穩(wěn)定也可能在大系統(tǒng)向廣大區(qū)域負(fù)荷供電的情況下發(fā)生。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性所關(guān)心的問題是電力系統(tǒng)遭受暫態(tài)擾動(dòng)后的行為。擾動(dòng)可小可大。小擾動(dòng)隨負(fù)荷的變化而連續(xù)發(fā)生，系統(tǒng)本身必須不斷調(diào)整以適應(yīng)變化的條件。系統(tǒng)必須有能力在這些條件下令人滿意地運(yùn)行，在出現(xiàn)最大負(fù)荷時(shí)能成功地供電。系統(tǒng)還必須有能力在多種嚴(yán)重的擾動(dòng)下

8、保持運(yùn)行，這些擾動(dòng)包括輸電線上短路，失去一臺(tái)大發(fā)電機(jī)或負(fù)荷，或者失去兩個(gè)子系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)線。電力系統(tǒng)頻率都有其允許極限值、運(yùn)行頻率在極限值以內(nèi)是頻率穩(wěn)定的。如果電力系統(tǒng)或被解列出后的局部系統(tǒng)出現(xiàn)較大有功功率缺額時(shí)，頻率會(huì)大幅度下降，如不能采取緊急措施，則可能導(dǎo)致頻率崩潰。電力系統(tǒng)穩(wěn)定分類通常基于產(chǎn)生不穩(wěn)定的物理特性，需要考慮的擾動(dòng)大小，為確定穩(wěn)定性必須考慮的設(shè)備、過程和時(shí)間跨度，以及計(jì)算和預(yù)測穩(wěn)定性的合適方法等。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題可以分為角度穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定三個(gè)方面。關(guān)注的重點(diǎn)為系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性，尤其是集中在系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)或故障沖擊后其暫態(tài)行為特征方面。2.1角度穩(wěn)定性及其分類電力系統(tǒng)

9、角度穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)中同步運(yùn)行的發(fā)電機(jī)在受到擾動(dòng)后，發(fā)電機(jī)組的機(jī)械輸入和電功率輸出之間產(chǎn)生短時(shí)不同程度的不平衡，使并列運(yùn)行的各發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速發(fā)生相應(yīng)的不同變化，電力系統(tǒng)因而出現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間角度的相互擺動(dòng)，以及電壓、電流、功率等電氣量的周期性變化。轉(zhuǎn)子角度穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)中互聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)維持同步的能力。在交流輸電系統(tǒng)中，所有連接在系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)都要保持同步運(yùn)行。由于交流輸電具有電抗、輸送的功率有一定的極限。交流輸電的基本功角特性為： sin （21）式中： 、為送端和受端發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢 為兩電動(dòng)勢的相角差； X為線路、發(fā)電機(jī)和變壓器的電抗。靜態(tài)穩(wěn)定極限功率為: （22）當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，就可能使

10、線路上輸送的功率超過它的極限，使送端發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步，造成發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列或系統(tǒng)瓦解。這種系統(tǒng)失去同步的不穩(wěn)定也稱作系統(tǒng)角度不穩(wěn)定問題。這種角度不穩(wěn)定分為兩種：一種是由于缺少同步轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度逐步增大，一種是由于缺少有效阻尼轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致轉(zhuǎn)子角增幅振蕩。角度穩(wěn)定性分為靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定性主要指系統(tǒng)受到小干擾后保持所有運(yùn)行參數(shù)接近于正常值的能力。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性主要指系統(tǒng)受到大干擾后。系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)恢復(fù)到接近正常值的能力。所謂干擾是指電力系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，或運(yùn)行狀態(tài)量突然的或是連續(xù)的改變。（1） 小干擾：系統(tǒng)分析時(shí)，可以將描述電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程加以線性化的干擾。（2） 大干擾：系統(tǒng)分析

11、時(shí)，不可以將描述電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程加以線性化的干擾。2.2頻率穩(wěn)定性 電力系統(tǒng)的頻率是電能質(zhì)量的指標(biāo)之一。發(fā)電出力和用電負(fù)荷的變化都會(huì)引起頻率的偏移，所以要根據(jù)頻率偏差隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。 整個(gè)電力系統(tǒng)的頻率特性是發(fā)電頻率特性、負(fù)荷頻率特性及電壓影響的綜合結(jié)果，它表示電力系統(tǒng)功率不平衡時(shí)平衡頻率變化的特性。 系統(tǒng)頻率變化時(shí)，引起發(fā)電機(jī)輸出功率變化，這是發(fā)電系統(tǒng)的頻率特性或稱之為發(fā)電頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。 系統(tǒng)頻率變化時(shí)，引起負(fù)荷消耗的功率變化，這是負(fù)荷系統(tǒng)的頻率特性或稱之為負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。 系統(tǒng)頻率變化時(shí)，還會(huì)引起電網(wǎng)電壓的變化，而電壓變化又將引起發(fā)電功率和負(fù)荷功率的變化。圖2-1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定類型2.3電

12、壓穩(wěn)定性電力系統(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。電壓失穩(wěn)或電壓崩潰是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，“穩(wěn)定”一詞本身意味著是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，而電力系統(tǒng)正是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，相對于功角（ 同步）穩(wěn)定，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)特性主要決定于負(fù)荷與電壓控制措施，電壓穩(wěn)定則被稱為負(fù)荷穩(wěn)定。電壓穩(wěn)定的準(zhǔn)則就是對系統(tǒng)中每一母線，在給定的運(yùn)行條件下，當(dāng)注入母線的無功功率增加時(shí)，其母線電壓幅值也同時(shí)增加。如果系統(tǒng)中至少有一個(gè)母線的電壓幅值隨注入該母線的無功功率的增加而減小，則該系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。第3章 研究電壓穩(wěn)定的意義3.1電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定特征當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)在緊急事

13、故之后經(jīng)受突然無功需求增加時(shí)，增加的無功需求時(shí)由發(fā)電機(jī)和無功補(bǔ)償設(shè)備的無功儲(chǔ)備來平衡的。在系統(tǒng)有充足的無功儲(chǔ)備時(shí)，系統(tǒng)電壓可調(diào)整到穩(wěn)定的電壓水平。而在系統(tǒng)無功儲(chǔ)備短缺時(shí)，附加無功需求增加時(shí)可能導(dǎo)致電壓崩潰，引起系統(tǒng)部分或全部停電。電力崩潰的過程一般的情景是：電力系統(tǒng)經(jīng)受非正常運(yùn)行工況，接近負(fù)荷中心的大發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行。結(jié)果，某些高壓傳輸線路負(fù)荷加重，網(wǎng)絡(luò)損耗增加，使無功備用資源處于最小。繼電保護(hù)動(dòng)作，跳開重負(fù)荷線路，負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其余鄰近的線路。在該線路中的無功損耗急速增加，電壓降低，引起線路級聯(lián)跳閘。在失去高壓傳輸線路之后，特別大的無功需求引起鄰近負(fù)荷中心電壓的很大的降低，這將引起負(fù)荷的減小。然而

14、發(fā)電機(jī)將通過增加勵(lì)磁快速恢復(fù)其端電壓，綜合結(jié)果引起無功潮流在變壓器和線路這些元件兩端的電壓降落。在負(fù)荷中心超高壓和高壓網(wǎng)電壓的降低將反過來會(huì)影響配電系統(tǒng)，使其二次側(cè)電壓降低。這時(shí)，變電所的變壓器將例如恢復(fù)配電電壓。從而在幾分鐘內(nèi)使負(fù)荷達(dá)到故障前的水平。變壓器分接頭每一次動(dòng)作，都使得高壓側(cè)線路上的負(fù)荷增加，同時(shí)增加線路損耗，它反過來又引起高壓側(cè)線路電壓進(jìn)一步下降。如果高壓線路負(fù)荷超過波阻抗負(fù)荷，則線路中每增加1MVA負(fù)荷將引起幾Mvars的線路損失。隨著每一分接頭的動(dòng)作，整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的無功輸出將增加。慢慢地發(fā)電機(jī)就一臺(tái)接一臺(tái)的達(dá)到它的無功容量極限。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)發(fā)電機(jī)達(dá)到它的磁場電流極限時(shí)，它的電

15、壓就要降落。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)固定有功輸出，因此電壓降低必導(dǎo)致電樞電流增加。要保持電樞電流在允許的限制內(nèi)，就要進(jìn)一步減小無功的輸出。該發(fā)電機(jī)分擔(dān)的無功就轉(zhuǎn)移到其他發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致越來越多的發(fā)電機(jī)過負(fù)荷和更多的發(fā)電機(jī)失去電壓控制，從而系統(tǒng)遭受電壓不穩(wěn)定，最終將導(dǎo)致電壓崩潰或雪崩，還可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失去同步和大面積停電。電壓崩潰可以概括由如下特征：（1）電壓崩潰前的系統(tǒng)往往處于中負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行備用緊張，傳輸線潮流接近最大功率極限。（2）電壓崩潰起因可能不同：系統(tǒng)負(fù)荷持續(xù)增加；大的突然擾動(dòng)；失去發(fā)電機(jī)組；線路重負(fù)荷；運(yùn)行人員在處理非正常工況過程中判斷錯(cuò)誤，誤操作，使事故擴(kuò)大等。有時(shí)一個(gè)表面平靜無事的擾動(dòng)也

16、可能導(dǎo)致事故擴(kuò)大，最終引起電壓崩潰。（3）電壓崩潰問題的核心事系統(tǒng)滿足無功需求的不穩(wěn)定。通常，電壓崩潰包括系統(tǒng)具有重負(fù)荷線路的情況，當(dāng)從鄰近區(qū)域傳輸無功功率發(fā)生困難時(shí)，再要增加無功功率支持就可能導(dǎo)致電壓崩潰。（4）低電壓下，線路距離保護(hù)動(dòng)作，使并行輸電線相繼跳閘；發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制器動(dòng)作。引起發(fā)電機(jī)級聯(lián)跳閘；低電壓情況下，OLTC動(dòng)作，恢復(fù)二次側(cè)負(fù)荷，使一次系統(tǒng)電壓進(jìn)一步跌落。這些使電壓崩潰的重要機(jī)理。（5）電壓崩潰通常顯示為慢的電壓衰減，這是由于許多電壓控制設(shè)備和保護(hù)系統(tǒng)作用及其相互作用積累過程的結(jié)果。電壓崩潰過程可持續(xù)幾分鐘量級。有些電壓崩潰動(dòng)態(tài)時(shí)間為幾秒鐘量級，這樣的事故通常是由不利的負(fù)荷成

17、分引起的。這種電壓不穩(wěn)定的時(shí)間框架與轉(zhuǎn)子角不穩(wěn)定時(shí)間框架相同。在許多情況下，電壓不穩(wěn)定和轉(zhuǎn)子角不穩(wěn)定是相互耦合的。（6）電壓崩潰可能因過過分使用并聯(lián)電容補(bǔ)償而惡化。通過并聯(lián)電容器、靜止無功補(bǔ)償器和同步調(diào)相機(jī)的合適選擇和協(xié)調(diào)才能使無功補(bǔ)償最有效。（7）繼電保護(hù)、低頻減載等缺乏協(xié)調(diào)是導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定發(fā)展的一個(gè)重要原因。3.2電壓穩(wěn)定研究的現(xiàn)狀隨著研究的深入，逐步認(rèn)識(shí)到電壓穩(wěn)定問題實(shí)際上要復(fù)雜得多。一方面，電壓不穩(wěn)定與角度不穩(wěn)定是非線性力學(xué)系統(tǒng)失穩(wěn)的兩種典型表現(xiàn)形式，它們是穩(wěn)定性研究得重要組成部分。大量事故表明，很多情況下兩者是相互聯(lián)系，相互影響的，很難確切地區(qū)分。因此研究電力系統(tǒng)角度穩(wěn)定問題的數(shù)學(xué)模

18、型與研究電壓穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型在最高層次上是一致的，只不過研究電壓穩(wěn)定這一特定的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象時(shí)，重點(diǎn)在于揭示與電壓穩(wěn)定問題直接相關(guān)的電力系統(tǒng)因素和主要的特點(diǎn)，需要增加一些合適是模型。人為地將兩者分割開來，可能會(huì)得到片面的結(jié)論。另一方面，隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到動(dòng)態(tài)研究得必要性。電力系統(tǒng)是非線性動(dòng)力系統(tǒng)，穩(wěn)定本身屬于動(dòng)態(tài)范疇，電壓失穩(wěn)或電壓崩潰本質(zhì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。靜態(tài)分析方法難以完整計(jì)及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)元件的影響，因此無法深入研究電壓失穩(wěn)的機(jī)理及其演變過程。同時(shí)，電力系統(tǒng)遭受短路或其他類型的大沖擊時(shí)，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為的數(shù)學(xué)描述必須保留其非線性特性，才能真正揭示電壓失穩(wěn)的發(fā)展機(jī)制。3.3研究電壓穩(wěn)定的意義

19、隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，超高壓電網(wǎng)的逐步形成，電力系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)日益復(fù)雜，其顯著的特點(diǎn)就是（1）環(huán)境條件的制約，建成了一大批遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的礦口電站及水電站，出現(xiàn)了長距離重負(fù)荷的輸電網(wǎng)絡(luò)，這在很大程度上增加了維持系統(tǒng)正常運(yùn)行電壓的難度，系統(tǒng)元件的故障或檢修在弱聯(lián)系的電網(wǎng)中往往會(huì)發(fā)生系統(tǒng)輸送功率的大面積轉(zhuǎn)移，造成潮流的極不合理分布和受端網(wǎng)絡(luò)功率的更大缺額，結(jié)果使網(wǎng)架很弱而輸送功率又很大的超高壓系統(tǒng)較一般高壓系統(tǒng)不僅容易發(fā)生靜態(tài)角度不穩(wěn)定，而且更容易發(fā)生電壓不穩(wěn)定的破壞。（2）為了加速電力系統(tǒng)的建設(shè)和降低成本，發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量逐漸增大，功率因數(shù)越來越高，使得同步發(fā)電機(jī)標(biāo)幺電抗增大，慣性時(shí)間常數(shù)減小以

20、及無功出力的相對降低，這些都對系統(tǒng)穩(wěn)定造成不利的影響。（3）超高壓直流輸電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行，其容量在系統(tǒng)中所占的比例越來越大，相對的交流系統(tǒng)變得較弱，從而對直流系統(tǒng)尤其是直流系統(tǒng)的的控制器構(gòu)成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，其中一個(gè)重要的問題就是與超高壓直流輸電相連的弱交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題。在電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行階段，研究電壓穩(wěn)定性問題的主要目的在于解除電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的限制，提高功率傳輸能力。如果解除了電壓穩(wěn)定性的限制，則電力系統(tǒng)將運(yùn)行在一個(gè)新的極限（可能是暫態(tài)穩(wěn)定極限），可能導(dǎo)致新的電壓穩(wěn)定性問題，最終電力系統(tǒng)將運(yùn)行在熱極限范圍。第4章 電壓穩(wěn)定研究的內(nèi)容4.1 電壓穩(wěn)定性及其分類電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在正

21、常運(yùn)行或經(jīng)受擾動(dòng)后維持所有節(jié)點(diǎn)，電壓為可接受值的能力。電壓失穩(wěn)是指擾動(dòng)引起的持續(xù)且不可控制的電壓下降過程。電壓崩潰是指伴著電壓失穩(wěn)的一系列事件導(dǎo)致系統(tǒng)的部分電壓低到不可接受的過程。造成不穩(wěn)定的主要因素是系統(tǒng)不能滿足無功功率的重要。問題的核心是通常在有功功率和無功功率流過輸電網(wǎng)絡(luò)的感性電抗時(shí)所產(chǎn)生的電壓降。電壓不穩(wěn)定本質(zhì)上是一種局部現(xiàn)象，然而它的后果卻會(huì)給系統(tǒng)帶來廣泛影響。電壓崩潰則比簡單的電壓不穩(wěn)定更復(fù)雜，通常是伴隨電壓不穩(wěn)定而導(dǎo)致系統(tǒng)中相當(dāng)大部分地區(qū)低電壓的一系列事件的結(jié)果。電壓穩(wěn)定性分為小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定和大擾動(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

22、系統(tǒng)控制電壓的能力。確定這種穩(wěn)定形式需要檢驗(yàn)一個(gè)充分長的事件周期內(nèi)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，以便能捕捉到發(fā)電機(jī)磁場電流限制器等設(shè)備的相互作用。小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性關(guān)心是小擾動(dòng)（如負(fù)荷的緩慢變化）之后系統(tǒng)控制電壓的能力。小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性可以用靜態(tài)方法（在給定運(yùn)行點(diǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程線性化的方法）進(jìn)行有效的研究。系統(tǒng)受擾動(dòng)之后，電壓一般不能回到原來的值，所以，有必要確定認(rèn)為可接受的電壓水平區(qū)域。在這個(gè)電壓水平區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)被稱為具有有限穩(wěn)定性。小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定研究在正常狀況時(shí)遭受小擾動(dòng)后的系統(tǒng)穩(wěn)定性；大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性則是研究遭受短路或網(wǎng)絡(luò)操作等嚴(yán)重?cái)_動(dòng)后的系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)研究的時(shí)間范疇，電壓穩(wěn)定分為暫態(tài)電壓穩(wěn)定、中期電壓穩(wěn)

23、定和長期電壓穩(wěn)定。暫態(tài)電壓穩(wěn)定的時(shí)間范圍為010s，主要研究感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和HVDC的快速負(fù)荷恢復(fù)特性所引起的電壓失穩(wěn)，特別是短路后電動(dòng)機(jī)由于加速引起的失穩(wěn)或由于網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系引起的異步機(jī)失步的電壓失穩(wěn)問題。中期電壓穩(wěn)定（又稱擾動(dòng)后或暫態(tài)后電壓穩(wěn)定）的時(shí)間范疇為15min，包括OLTC（有載調(diào)壓變壓器）、電壓調(diào)節(jié)器及發(fā)電機(jī)最大電流限制的作用。長期電壓穩(wěn)定的時(shí)間范疇為2030min，其主要相關(guān)的因素為輸電線過負(fù)荷時(shí)間極限、負(fù)荷恢復(fù)特性的作用、各種控制措施（如甩負(fù)荷等）等。根據(jù)研究的方法，電壓穩(wěn)定問題可分為：靜態(tài)電壓失穩(wěn)、動(dòng)態(tài)電壓失穩(wěn)和暫態(tài)電壓失穩(wěn)。靜態(tài)電壓失穩(wěn)是指負(fù)荷的緩慢增加導(dǎo)致負(fù)荷端母線電壓緩慢的下降

24、，在達(dá)到電力系統(tǒng)承受負(fù)荷增加能力的臨界值時(shí)導(dǎo)致的電壓失穩(wěn)，在電壓突然下降之前的整個(gè)過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度及母線電壓相角并未發(fā)生明顯的變化。動(dòng)態(tài)電壓失穩(wěn)是指系統(tǒng)發(fā)生故障后，為了保證其功角暫態(tài)穩(wěn)定及維持系統(tǒng)頻率，除進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)操作外，也可能進(jìn)行切機(jī)、切負(fù)荷等操作，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得脆弱或全系統(tǒng)由于支持負(fù)荷的能力變?nèi)?，緩慢的?fù)荷恢復(fù)過程導(dǎo)致的電壓失穩(wěn)。暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障或其他類型的大擾動(dòng)后，伴隨系統(tǒng)處理事故的過程中發(fā)電機(jī)之間的相對搖擺，某些負(fù)荷母線電壓發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的突然下降的失穩(wěn)過程，而此時(shí)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)間的相對搖擺可能并未超出使電力系統(tǒng)角度失穩(wěn)的程度。電壓安全是指電力系統(tǒng)的一種能力，即不僅

25、在當(dāng)前運(yùn)行條件下電壓穩(wěn)定，而且在可能發(fā)生的預(yù)想事故或負(fù)荷增加情況下仍能保持電壓穩(wěn)定。它意味著相對可信的預(yù)想事故集合，電力系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)距離電壓失穩(wěn)點(diǎn)具有足夠的安全裕度。4.2 與電壓穩(wěn)定問題有關(guān)的傳輸系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定或電壓崩潰通常是在高度緊張的電力系統(tǒng)中發(fā)生的?？赡苁怯刹煌蛞鸬臄_動(dòng)導(dǎo)致的電壓崩潰，但根本的問題是電力系統(tǒng)固有的脆弱性。電壓穩(wěn)定性問題與發(fā)電系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)和負(fù)荷系統(tǒng)都有關(guān)系。傳輸網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度和功率傳輸水平，發(fā)電機(jī)無功功率/電壓控制設(shè)備的作用共同決定著系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的水平。 傳輸系統(tǒng)特性：電能從發(fā)電廠到達(dá)用戶的用電設(shè)備，要經(jīng)過輸電線路、變壓器等設(shè)備構(gòu)成的傳輸系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)的特性和強(qiáng)弱（

26、最大負(fù)荷傳輸能力）對電壓穩(wěn)定性是一個(gè)決定性因素。大功率輸電系統(tǒng)的電壓等級通常為230KV和更高的電壓，230KV以上的電壓等級稱為超高壓（Extra High Voltage，EHV）。大功率輸電線路一般相當(dāng)長，在峰荷時(shí)處于重載，而在谷荷時(shí)處于輕載。EHV架空線路的兩個(gè)特性是低損耗荷每相采用多根導(dǎo)線（分裂導(dǎo)線）。輸電線既產(chǎn)生無功又消耗無功，其凈無功值必須等于線路兩端口由系統(tǒng)吸收或發(fā)出的無功量。輸電線并聯(lián)電容，即充電電容，發(fā)出與電壓平方成正比的無功。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)電壓必須保持在額定電壓1±5%以內(nèi)，所以線路產(chǎn)生的無功相對是恒定的。輸電線串聯(lián)電感消耗與電流平方成正比的無功。因?yàn)殡娏鲝闹剌d到輕載

27、變化很大，輸電線無功消耗也隨之有大的變化。這樣，輸電線凈無功在一個(gè)負(fù)荷周期內(nèi)變化。可表示為：傳輸線產(chǎn)生無功 (相對不變的)傳輸線消耗無功 （變化的）其中，是線路并聯(lián)電納；是線路串聯(lián)電抗一、 波阻抗功率傳輸線無功發(fā)出量等于消耗量時(shí)所傳輸?shù)呢?fù)荷叫作波阻抗（或特性阻抗）負(fù)荷。對于單位長度電抗為和電納為的線路，假設(shè)，則可解得波阻抗（或特性阻抗）為 （41） 那么，波阻抗（或特性阻抗）負(fù)荷為 （42）波阻抗負(fù)荷在許多方面都是理想的負(fù)荷。不僅線路產(chǎn)生的無功等于消耗的無功，而且輸電線各點(diǎn)的電壓和電流都是一樣的，電壓和電流也是同相位的。二、輸電線路參數(shù)輸電線路最重要的參數(shù)是串聯(lián)電阻、電抗和并聯(lián)電納。其中串聯(lián)電

28、阻將決定線路的損耗和負(fù)荷極限。高壓和超高壓線路的電阻值較小，通常可以忽略不計(jì)。以超高壓輸電線路為例，正序值一般為1020。線路感抗的計(jì)算公式如下 ( /) （43）其中，為系統(tǒng)的角頻率；GMR表示導(dǎo)線的幾何平均半徑，可根據(jù)導(dǎo)線參數(shù)表獲得；GMR0.8r，這里r為導(dǎo)線半徑。GMD 表示三相導(dǎo)線的幾何平均距離：GMD=對于分裂導(dǎo)線（每相有數(shù)根導(dǎo)線），如果相鄰導(dǎo)線間的距離為s，則等值GMR為 （44）對于兩分裂和三分裂導(dǎo)線情況，等值的GMR分別有如下表達(dá)式：兩分裂 （45）三分裂 （46）為減小線路電抗，必須減小相間幾何均距（GMD）同時(shí)/或者增大等值GMD。采用緊湊型設(shè)計(jì)和按三角形排列三相可以減小

29、GMD，則主要通過增加分裂導(dǎo)線數(shù)來增大。線路并聯(lián)電納的計(jì)算公式如下 （s/Km） （47）對于分裂導(dǎo)線，有 （48）輸電線路的充電無功功率等于 (49)縮小相間距離和采用分裂導(dǎo)線可以減小輸電線路的電感與電抗，增加線路的電容與電納，這樣就增加了線路的波阻抗功率和傳輸能力。增加線路電容相應(yīng)增加了線路發(fā)出的無功功率，這會(huì)對線路輕載運(yùn)行帶來問題，因而EHV長線路通常需要并聯(lián)電抗器補(bǔ)償，電抗器在重載條件下有時(shí)會(huì)退出運(yùn)行。三、輸電線路理論長度超過400Km的線路需要進(jìn)行特殊分析。從分布參數(shù)模型出發(fā)，應(yīng)用波方程求解輸電線路，各點(diǎn)的電壓和電流。在分析穩(wěn)態(tài)正弦狀況時(shí)，可以消去時(shí)間變量，方程中只含有距離變量。對于

30、長度小于200Km的短線，可以認(rèn)為圖中，三角函數(shù)的角度較小，即修正項(xiàng)等于1，結(jié)果得到集中參數(shù)型等值電路模型。在潮流和穩(wěn)定計(jì)算程序中，長線可以用若干段長度約為150200Km的集中參數(shù)線路表示。四、電纜 電纜的參數(shù)和架空線路相比有很大的差別。電纜中不同相之間的距離很近，使得感抗減小，而電容增大。一條345KV電纜的感抗為0.090.16 /Km（0.150.26/mile），而其充電功率約為12Mvar/Km（20Mvar/mile）。由于充電功率高，電纜的一個(gè)重要參數(shù)就是臨界長度，其定義為充電功率等于電纜熱容量時(shí)對應(yīng)的電纜長度，對于EHV電纜，臨界長度大約為25Km。 有功功率、無功功率傳輸和

31、電壓降落傳輸系統(tǒng)中有意義的特性是傳輸?shù)挠泄β?。無功功率注入和受端電壓之間的關(guān)系，有功功率和無功功率傳輸取決于發(fā)送端和接收端的電壓幅值和相角以及兩端間的聯(lián)系電抗。如圖4-1；圖4-1 有功和無功功率傳輸?shù)幕灸Ｐ屯桨l(fā)電機(jī)端電壓維持恒定，發(fā)送端和接收端通過一個(gè)等效電抗（，即假定R=0）連接起來，對于圖中的接收端，功率平衡關(guān)系為 (410) (411) (412)類似地，在送端有 (413) (414)對于典型的功率傳輸，如功角小于時(shí)，可以通過關(guān)系式弧度使式式(413)和式(414)線性化（例如，角是0.5236弧度，而=0.5），即可以寫成。由此說明，有功傳輸主要與送受端兩電壓之間的角度有關(guān)。

32、考慮的是無損系統(tǒng)（R=0），最大功率傳輸是在功角或負(fù)荷角等于時(shí)，如果包括傳輸損失，則最大功率將發(fā)生在不同的角度。為了保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度（同步）穩(wěn)定性，傳輸線兩端的角度通常保持在左右，即留有較大的靜態(tài)角度穩(wěn)定裕度。對于無功功率的傳輸，通常與電壓幅值有關(guān)，特別在系統(tǒng)緊急事故或崩潰期間，受端或負(fù)荷端電壓下降時(shí)，輸電線或變壓器兩端可能傳輸?shù)臒o功功率具有重要意義。對于小的角度，式(414)和式(412)可近似為 (415) (416)根據(jù)式(45)和式(416)可以知道，無功功率傳輸主要取決于電壓幅值，而且總是從高電壓節(jié)點(diǎn)流向低電壓節(jié)點(diǎn)。所以P和緊密相關(guān)，而和U緊密相關(guān)。 傳輸線中電流、受端電壓和功率的

33、關(guān)系圖4-2（a）所示傳輸線中電流、受端電壓和功率關(guān)系可以由式(417)式(419)給出 (417) (418) (419)其中 (420)圖4-2（b）畫出了I、和隨負(fù)荷需求（）變化的情況，是對應(yīng)線路和畫出的，其結(jié)果可用于任何值，I、和值已經(jīng)規(guī)格化了。隨著負(fù)荷增加（減?。鸪跹杆僭黾?，在達(dá)到最大值（虛線B）之后變慢，最后減少。這樣由恒壓源通過一阻抗傳輸?shù)挠泄β视幸粋€(gè)最大值。當(dāng)線路中電壓降落幅值上等于，即1時(shí)，傳輸功率達(dá)最大值，這是簡單系統(tǒng)傳輸功率的運(yùn)行極限。圖4-2 簡單輻射系統(tǒng)特性對于給定的傳輸功率（），可以求出兩個(gè)運(yùn)行點(diǎn)，它們對應(yīng)不同的值，在圖4-2（b）中，0.8時(shí)，左邊一個(gè)點(diǎn)（虛

34、像A）對應(yīng)于正常運(yùn)行點(diǎn)；對于右邊的運(yùn)行點(diǎn)（虛線C），電流I比左邊的點(diǎn)大的多，而電壓低于左邊的點(diǎn)很多。對于大于最大功率的負(fù)荷需求，通過改變負(fù)荷的功率控制是不穩(wěn)定的，即負(fù)荷導(dǎo)納的增長會(huì)降低功率，在這個(gè)區(qū)域，負(fù)荷電壓是否會(huì)逐漸降低，這取決于負(fù)荷一電壓特性。對于恒定導(dǎo)納負(fù)荷，在電壓水平低于正常值時(shí)，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。如果負(fù)荷是有變壓器供給的，則分接頭的動(dòng)作將力圖升高負(fù)荷電壓，電壓升高有降低有效的作用，這使電壓進(jìn)一步降低，形成電壓不斷降低的趨勢，這是電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象。由式(417)看出，最大功率值可以通過提高電源電壓或降低功率因素角得到提高。4.3 與電壓穩(wěn)定問題有關(guān)的發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器是電力系統(tǒng)電

35、壓控制的最重要方法。發(fā)電機(jī)對電壓穩(wěn)定的影響，應(yīng)特別關(guān)注下面的三種工況：正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)維持機(jī)端電壓恒定。系統(tǒng)低電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)無功功率需求可能導(dǎo)致磁場/電樞電流超過極限，發(fā)電機(jī)端電壓將不能維持恒定。在恒定磁場電流時(shí)，恒定電壓點(diǎn)在同步電抗后，即同步電抗后電動(dòng)勢不變（有調(diào)節(jié)時(shí)暫態(tài)電抗后電動(dòng)勢不變），這相當(dāng)于增加了網(wǎng)絡(luò)電抗，加劇了電壓崩潰條件。電樞電流限制器動(dòng)作時(shí)，為使電樞電流回到安全限制值之內(nèi)，將通過AVR自動(dòng)或由運(yùn)行人員手動(dòng)減無功/有功出力，這也失去了發(fā)電機(jī)對電壓的控制作用。 發(fā)電系統(tǒng)影響電壓穩(wěn)定性的主要因素，即發(fā)電機(jī)的容量特性、發(fā)電機(jī)控制和保護(hù)的影響、電廠系統(tǒng)的響應(yīng)特性等。 發(fā)電機(jī)的容量特性同

36、步發(fā)電機(jī)過勵(lì)時(shí)能提供的無功容量對防止電壓不穩(wěn)定具有關(guān)鍵性的作用。對電壓穩(wěn)定的較慢形式，可以從發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)P-Q容量曲線V形曲線來分析發(fā)電機(jī)的容量特性。從電機(jī)學(xué)知識(shí)可以知道，發(fā)電機(jī)有功出力固定時(shí)，無功允許值由電樞或勵(lì)磁繞組的發(fā)熱所限制。如圖4-3；圖4-3 發(fā)電機(jī)的容量曲線一 電樞和勵(lì)磁繞組的發(fā)熱極限可以由功率圓圖上的兩條曲線表示，AC是轉(zhuǎn)子額定電流圓弧，ADGK是定子額定電流圓弧，這兩條曲線的交點(diǎn)AC對應(yīng)發(fā)電機(jī)額定功率（、）和額定功率因數(shù)角。DF是汽輪機(jī)出力限制，E點(diǎn)是最大有功輸出點(diǎn)，C點(diǎn)是無功輸出最大值。曲線MN是最小勵(lì)磁電流限制線（約為額定勵(lì)磁電流的10%）。發(fā)電機(jī)遲相運(yùn)行范圍是OEDACO

37、，進(jìn)相運(yùn)行范圍由鐵心端部發(fā)熱、靜穩(wěn)極限或定子過電流三者中的最小值確定，是端部發(fā)熱的容量限制線，L是不帶自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)的靜穩(wěn)限制線，PR是發(fā)電機(jī)經(jīng)外電抗與大系統(tǒng)相連時(shí)的靜穩(wěn)限制線。圖4-3 發(fā)電機(jī)容量曲線二圖4-3表明在滯后功率因數(shù)低于0.9時(shí)，限制因素為勵(lì)磁繞組的發(fā)熱。在額定功率因數(shù)（0.9滯后）和功率因數(shù)為0.95超前之間，限制因數(shù)是電樞電流。對于更低的超前功率因數(shù)，限制因數(shù)是電樞鐵心端部的發(fā)熱或系統(tǒng)穩(wěn)定性。冷卻系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)容量的影響極大，正如在不同氫冷壓力下的曲線所示。在發(fā)電機(jī)容量曲線中，受電樞電流限制的那一部分，功率容量明顯地隨端電壓的改變而改變。勵(lì)磁繞組曲線也隨端電壓的變化而變化。從電壓

38、穩(wěn)定性考慮，一是選用功率因數(shù)低的發(fā)電機(jī)可以獲得較大的無功電源儲(chǔ)備，當(dāng)然這會(huì)增加發(fā)電機(jī)的成本，二是可在發(fā)電機(jī)端安裝并聯(lián)電容器組，這樣，正常時(shí)發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行在功率因數(shù)為1.0附近，從而增加了發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)無功備用，一旦需要，這些備用容量可以迅速地投入以防止電壓矢穩(wěn)。發(fā)電機(jī)Q-U曲線。雖然通常通過P-Q功率曲線來說明發(fā)電機(jī)的性能，但是Q-U曲線能更好地表示電壓問題的一些重要特性，如圖4-3所示Q-U圖，U是網(wǎng)絡(luò)電壓（即主變高壓側(cè)電壓），從系統(tǒng)的角度看，網(wǎng)絡(luò)電壓是最重要的，是無功功率。圖4-3中畫出了發(fā)電機(jī)恒定端電壓不同時(shí)的曲線 圖4-3 有功恒定時(shí)的發(fā)電機(jī)Q-U圖如果端電壓和網(wǎng)絡(luò)電壓的參考值給定，可以

39、從圖上求出發(fā)電機(jī)的無功當(dāng)機(jī)端電壓網(wǎng)絡(luò)電壓時(shí)， 發(fā)電機(jī)發(fā)出無功；當(dāng)機(jī)端電壓網(wǎng)絡(luò)電壓時(shí)， 發(fā)電機(jī)吸收無功； 當(dāng)機(jī)端電壓網(wǎng)絡(luò)電壓時(shí)， 發(fā)電機(jī)發(fā)出無功為零； 當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)時(shí)，恒定的曲線非常平坦。這表明網(wǎng)絡(luò)電壓小的變化便可得到無功輸出大的改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)使網(wǎng)絡(luò)電壓保持在恒定電壓附近，有助于防止電壓崩潰。這個(gè)特性與靜止無功補(bǔ)償器（SVC）在其有效控制范圍內(nèi)的特性相似當(dāng)網(wǎng)絡(luò)電壓足夠低時(shí)，發(fā)電機(jī)或者達(dá)到勵(lì)磁電流極限或者達(dá)到電樞電流極限。這將急劇改變發(fā)電機(jī)特性。 發(fā)電機(jī)的控制和保護(hù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)通過自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）維持機(jī)端電壓給定值。AVR測定發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓并把它與希望的或參考設(shè)定值相比較

40、，得到的誤差信號控制勵(lì)磁機(jī)輸出，其輸出就是主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電壓。從空載到滿載，電壓的典型偏差為±5%（下降率或斜率為1）。如果發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)電壓那么可以極大地提高電壓穩(wěn)定性。網(wǎng)絡(luò)電壓應(yīng)保持得盡量高。提高網(wǎng)絡(luò)電壓有多種調(diào)節(jié)方法，最常用的辦法是線路壓降補(bǔ)償。用線路壓降補(bǔ)償時(shí)。測量發(fā)電機(jī)的電流，以計(jì)算通過發(fā)電機(jī)升壓變壓器的IZ降落。通常用無功電流進(jìn)行補(bǔ)償。在多機(jī)電廠中，一般補(bǔ)償變壓器漏抗的5080。當(dāng)幾臺(tái)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行于同一母線時(shí)，線路壓降補(bǔ)償需要用無功電流補(bǔ)償電路或其他方法來均衡無功份額和控制作用。一個(gè)可代替線路壓降補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ嵌坞妷和猸h(huán)控制，它調(diào)整電壓調(diào)節(jié)器的給定值以保持所需的網(wǎng)絡(luò)

41、側(cè)電壓。為減小有害的控制干擾，外環(huán)控制比一端電壓調(diào)節(jié)慢一個(gè)數(shù)量級。這樣，網(wǎng)絡(luò)電壓調(diào)節(jié)在干擾后大約10s內(nèi)起作用。這對較慢形式的電壓不穩(wěn)定已足夠快了。為了更好的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)電壓，還有一種可能性是帶負(fù)荷改變發(fā)電機(jī)變壓器分接頭。分接頭可調(diào)的主變壓器或分接頭可調(diào)廠用變壓器可以避免由于高壓側(cè)電壓控制引起的發(fā)電機(jī)端電壓幅值的制約。對分接頭固定的變壓器，必須在考慮電壓穩(wěn)定特性基礎(chǔ)上優(yōu)化主變壓器和廠用變壓器的分接頭位置。 電廠的響應(yīng)通?？焖僭黾影l(fā)電量有利于中長期電壓穩(wěn)定性?？焖俟β收{(diào)節(jié)常常必須在幾分鐘內(nèi)完成。輸電線消耗的無功非線形地隨著有功負(fù)荷的增加而增加。所以希望給重載輸電線減輕負(fù)荷，而由輕載輸電線給負(fù)荷區(qū)送電

42、。增加發(fā)電量且不會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵位加發(fā)電量。調(diào)速器控制的少量發(fā)電量的改變相當(dāng)快，只需幾秒鐘。1）水電廠的響應(yīng)。水電廠可以相當(dāng)快地完成發(fā)電量大的變化。常常采用每分鐘1020容量的響應(yīng)速度。緊急時(shí)水輪發(fā)電機(jī)從空載加到滿載僅需min。2）火電廠的響應(yīng)?；痣姀S旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組的響應(yīng)取決于燃料種類鍋爐類型、再熱級數(shù)、控制類型。通常對于1020功率變化，響應(yīng)速度約每分鐘容量。對設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)地調(diào)整和檢測后，可以達(dá)到每分鐘10增長的最大速度。裝有多種快速響應(yīng)裝置的旋轉(zhuǎn)備用能顯著地提高電壓穩(wěn)定性。3）燃?xì)廨啓C(jī)電廠的響應(yīng)。在緊急情況下，燃?xì)廨啓C(jī)可以比較快地投入和帶上負(fù)荷。它從冷起動(dòng)到滿載的時(shí)間為520min。4.4 與電壓

43、穩(wěn)定問題有關(guān)的負(fù)荷系統(tǒng)負(fù)荷表示表示幾百或幾千個(gè)用電設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、照明和電氣器具的集合。在電力系統(tǒng)工程中，負(fù)荷常常有以下的含義：（1）連接于電力系統(tǒng)的消耗的電能的一種設(shè)備；（2）連接于電力系統(tǒng)所有用電設(shè)備消耗總功率（有功/無功）；（3）電力系統(tǒng)的一部分，它在系統(tǒng)模型中沒有顯式地表示，然而在系統(tǒng)模型中被處理為連接于一個(gè)節(jié)點(diǎn)的消耗電力的設(shè)備；（4）發(fā)電機(jī)或發(fā)電廠輸出的功率。負(fù)荷元件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性負(fù)荷特性是負(fù)荷對電壓和頻率變化的響應(yīng)特性。從響應(yīng)特性看，負(fù)荷特性可以分為：（1）呈現(xiàn)“快動(dòng)態(tài)”電氣和機(jī)械特性的負(fù)荷，如電氣和機(jī)械時(shí)間常數(shù)較小的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、速度可調(diào)的傳動(dòng)裝置。它們對電壓和頻率響應(yīng)很快，以致

44、在大量時(shí)間仿真中看上去呈現(xiàn)較長期特性。（2）對電壓偏移的響應(yīng)呈現(xiàn)明顯的不連續(xù)性的負(fù)荷。（3）對電壓偏移離的響應(yīng)不呈現(xiàn)明顯斷續(xù)或時(shí)間延遲的負(fù)荷。（4）具有“慢動(dòng)態(tài)”特性的負(fù)荷，包括恒溫器控制的負(fù)荷、手控負(fù)荷，它們最初是恒定阻抗，但在電壓變化1020min后變?yōu)楹愣üβ省?.5 與電壓穩(wěn)定問題有關(guān)的無功補(bǔ)償設(shè)備特性無功補(bǔ)償常常是同時(shí)提高功率傳輸容量和電壓穩(wěn)定性的最有效辦法。輸電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償主要是為了控制電壓，提高輸電網(wǎng)絡(luò)的最大功率傳輸能力和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償大多屬于負(fù)荷的補(bǔ)償，主要是控制無功，改善負(fù)荷的功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量。無功補(bǔ)償可以分為串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償，也可以分成有

45、源和無源補(bǔ)償。有源補(bǔ)償是用一個(gè)反饋控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電壓或其他變量。通常的無功補(bǔ)償設(shè)備有串聯(lián)電容器組、并聯(lián)電抗器和電容器組、靜止無功補(bǔ)償器和靜止無功發(fā)生器、同步調(diào)相機(jī)等。帶載變壓器的分接頭位置改變也調(diào)節(jié)了電壓/無功。不同類型的無功補(bǔ)償和調(diào)節(jié)設(shè)備對電壓穩(wěn)定性有不同的影響。 串聯(lián)電容器串聯(lián)電容器補(bǔ)償都與長輸電線提高功率傳輸能力和暫態(tài)穩(wěn)定性相聯(lián)系。但是，現(xiàn)在串聯(lián)電容器也應(yīng)用較短的輸電線以提高電壓穩(wěn)定性。振蕩負(fù)荷引起電壓閃變需要瞬時(shí)響應(yīng)，解決電壓閃變問題也是配電串聯(lián)電容的主要應(yīng)用。串聯(lián)電容器減小了輸電線路的純感性電抗，有效地縮短了線路長度。它發(fā)出的無功補(bǔ)償輸電線的無功消耗。串聯(lián)電容器發(fā)出的無功隨電流的平方

46、而增加，而與節(jié)點(diǎn)電壓無關(guān)。這樣在系統(tǒng)最需要無功的時(shí)候串聯(lián)電容產(chǎn)生最多無功。這種快速、固有的自我調(diào)節(jié)是串聯(lián)電容補(bǔ)償非常重要的特性，對電壓穩(wěn)定十分有利。不同于并聯(lián)電容器，串聯(lián)電容器降低了線路的特性阻抗和電氣長度，結(jié)果是電壓調(diào)節(jié)和角度穩(wěn)定性都大大地改善了。輕載時(shí)，串聯(lián)補(bǔ)償沒有什么作用。輕載長線因?yàn)榭赡墚a(chǎn)生過電壓，所以必須配置并聯(lián)電抗器。串聯(lián)補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)問題是雙回線的一回退出運(yùn)行時(shí)，剩下的那回線中的電流幾乎是原來的兩倍。串聯(lián)電容器產(chǎn)生的無功變成原理啊的4倍。這種過負(fù)荷受到無功額定值的限制和串聯(lián)補(bǔ)償?shù)某杀菊扔陔娏鞯钠椒降闹萍s。串聯(lián)電容器具有短時(shí)過負(fù)荷能力，標(biāo)準(zhǔn)的是過電流（電容器過電壓）135%允許持續(xù)3

47、0min，過電流150%允許持續(xù)5min。這在電壓緊急情況時(shí)，使得運(yùn)行人員有時(shí)間重新調(diào)度發(fā)電量。4.5.2 并聯(lián)電容器組和并聯(lián)電抗器 提供無功功率和電壓支持的最廉價(jià)方法是利用并聯(lián)電容器。在負(fù)荷區(qū)附近進(jìn)行并聯(lián)補(bǔ)償?shù)闹饕康氖钦{(diào)節(jié)電壓和保持負(fù)荷穩(wěn)定。電容器通過提高受電端負(fù)荷功率因數(shù)可以有效地?cái)U(kuò)大其電壓穩(wěn)定極限。電容器還可以用來釋放發(fā)電機(jī)的“旋轉(zhuǎn)無功備用”，允許附近的發(fā)電機(jī)運(yùn)行在功率因數(shù)1.0附近，這相當(dāng)增加了系統(tǒng)能快速響應(yīng)的無功儲(chǔ)備，對電壓穩(wěn)定是非常有利的。然而從電壓穩(wěn)定和控制的觀點(diǎn)看，并聯(lián)電容器有若干固有的局限性： 在一個(gè)大量應(yīng)用并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功的系統(tǒng)中，電壓調(diào)節(jié)能力反而變差； 由并聯(lián)電容器產(chǎn)

48、生的無功功率正比于電壓的平方，在系統(tǒng)低電壓期間無功的輸出反而下降，這是一個(gè)惡性循環(huán)的問題。這電與串聯(lián)電容器的自我調(diào)節(jié)性能完全相反。并聯(lián)電容器總是連接在母線上而不是在線路上。并聯(lián)電抗器可以連接在線路上也可連接在母線上。機(jī)械式投切并聯(lián)電容器組（MSC）安裝在負(fù)荷區(qū)主變電站中，常常安裝大型自耦變壓器三次側(cè)，用于調(diào)節(jié)輸電線電壓。它的投切常常由手動(dòng)完成，當(dāng)電壓越限時(shí)由電壓繼電器后備保護(hù)跳閘。與靜止無功補(bǔ)償器相比，機(jī)械式投切電容器具有價(jià)格便宜得多的優(yōu)點(diǎn)。而投切速度相當(dāng)快。MSC中限制電流的電抗器減小了投切時(shí)的暫態(tài)過程。但是，由于受投切次數(shù)的限制，在電壓繼電器邏輯電路中設(shè)置了大的死區(qū)，也就是說，不可能實(shí)現(xiàn)電

49、壓的快速調(diào)節(jié)。當(dāng)一回輸電線退出運(yùn)行后，必須延遲電容器組充電以使線路有足夠的時(shí)間重合閘，避免重合于大電流。但是，應(yīng)該在變壓器分接頭變化或配電電壓調(diào)節(jié)器恢復(fù)大負(fù)荷前，投入電容器，避免大負(fù)荷恢復(fù)時(shí)的電壓下降。機(jī)械式投切電容器有一些缺點(diǎn)。在暫態(tài)電壓失穩(wěn)時(shí)，合閘速度太慢不足以防止感應(yīng)電動(dòng)機(jī)失速。如果電壓崩潰導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解，系統(tǒng)穩(wěn)定是那部分可能會(huì)在系統(tǒng)解列瞬間經(jīng)受破壞的過電壓。由于電壓衰減期間并聯(lián)電容器的勵(lì)磁會(huì)使過電壓更嚴(yán)重。 靜止無功補(bǔ)償器靜止無功補(bǔ)償器（SVC）是一種不受領(lǐng)先滯后范圍限制、大多無響應(yīng)延時(shí)、能快速調(diào)節(jié)無功功率的裝置。靜止無功補(bǔ)償器根據(jù)其斜率特性調(diào)節(jié)電壓。這種斜率與調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)增益有關(guān)，通常

50、在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)1%5%。在可調(diào)范圍內(nèi)，沒有電壓控制和不穩(wěn)定問題。當(dāng)達(dá)到極限時(shí)，SVC變成為一個(gè)簡單的電容器，這可能是導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定的一個(gè)原因。對電壓穩(wěn)定的較慢形式，靜止無功補(bǔ)償器的快速響應(yīng)不那么關(guān)鍵除了控制解列后的過電壓。過電壓是因?yàn)闇p負(fù)荷和電容器組在電壓衰減時(shí)勵(lì)磁所引起的。靜止無功補(bǔ)償器閉環(huán)調(diào)節(jié)以防止電壓低于正常值的功能是很重要的，因?yàn)榈碗妷阂馕吨€路充電量減小，而無功損耗增大。正常情況時(shí)，靜止無功補(bǔ)償器應(yīng)工作在感性輸出或無差調(diào)節(jié)范圍，以便在擾動(dòng)時(shí)可以得到快速容性升壓。為了得到容性儲(chǔ)備，靜止無功補(bǔ)償器可以安排機(jī)械投切附近的并聯(lián)電容器組和并聯(lián)電抗器。 串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償?shù)谋容^串聯(lián)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：

51、串聯(lián)電容器具有固定的自我調(diào)節(jié)能力，不需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)；對相同的調(diào)節(jié)效果，串聯(lián)補(bǔ)償往往比并聯(lián)補(bǔ)償便宜，而且損耗非常小；對電壓穩(wěn)定性，串聯(lián)電容器可降低臨界或崩潰電壓；串聯(lián)電容器有重要的“時(shí)間-過負(fù)荷能力”；串聯(lián)電容器和可投切串聯(lián)電容器可以用來控制并聯(lián)線路的負(fù)荷以減小有功和無功損耗。串聯(lián)補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)：為加強(qiáng)已建好的電網(wǎng)，不得不對許多并聯(lián)線路進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償；串聯(lián)電容器是與線路相串聯(lián)的，當(dāng)線路退出運(yùn)行時(shí)，那么并聯(lián)線路上的電容器就可能過載；在重負(fù)荷期間，串聯(lián)電容器一側(cè)電壓可能超出范圍；對于較輕的負(fù)荷補(bǔ)償可能需要并聯(lián)電抗器；次同步諧振可能需要昂貴的措施。靜止無功補(bǔ)償器（SVC）的優(yōu)點(diǎn)：SVC直接調(diào)節(jié)電壓，這點(diǎn)在負(fù)荷

52、區(qū)發(fā)電量很少時(shí)非常有用；SVC剩余的無功容量能很好地指示接近電壓不穩(wěn)定的程度；SVC能快速調(diào)節(jié)瞬時(shí)過電壓。靜止無功補(bǔ)償器的缺點(diǎn)：SVC的過載容量有限，在其增壓極限處，SVC變成普通電容器組；系統(tǒng)的臨界或崩潰電壓變成由SVC控制的電壓，一旦一臺(tái)SVC到達(dá)增壓極限，會(huì)容易發(fā)生失穩(wěn)。至今，SVC還是很貴。 同步調(diào)相機(jī) 同步調(diào)相機(jī)的成本費(fèi)可以比靜止補(bǔ)償器的高20%30%。調(diào)相機(jī)的的滿載損耗約為1.5%，空載損耗約為0.5%。但是在技術(shù)上，同步調(diào)相機(jī)在電壓很弱的網(wǎng)絡(luò)中有比靜止無功補(bǔ)償器更為優(yōu)越之處。網(wǎng)絡(luò)電壓下降后，調(diào)相機(jī)無功輸出立刻增加。內(nèi)電動(dòng)勢或磁通的衰減由勵(lì)磁控制所補(bǔ)償。靜止無功補(bǔ)償器在其線性范圍以

53、外運(yùn)行時(shí)變成普通電容器，具有電壓平方的電容器特性，電壓越低，系統(tǒng)越需要無功時(shí)，它向系統(tǒng)輸出的無功越小，可稱之為電壓負(fù)調(diào)節(jié)效應(yīng)。而同步調(diào)相機(jī)，不同于SVS，它有一個(gè)內(nèi)電壓源，系統(tǒng)電壓比較低時(shí)，它可連續(xù)供給無功功率。此外，調(diào)相機(jī)和發(fā)電機(jī)還有幾十秒鐘的過負(fù)荷容量。因此調(diào)相機(jī)能夠提供更為穩(wěn)定的電壓特性，當(dāng)交流系統(tǒng)無功短缺或直流輸電換流站交流側(cè)電壓可能大幅度降低時(shí)，為防止電壓崩潰，可以裝設(shè)一定比例的同步調(diào)相機(jī)。 輸電網(wǎng)絡(luò)分接頭可調(diào)變壓器輸電網(wǎng)絡(luò)中可以改變負(fù)荷分接頭的自耦變壓器可以調(diào)節(jié)電壓和無功，分接頭可調(diào)變壓器可以手動(dòng)或者自動(dòng)地調(diào)節(jié)。改變分接頭調(diào)節(jié)低壓側(cè)電壓，可以支持較低電壓網(wǎng)絡(luò)的電容器組和線路充電，并

54、減小較低電壓網(wǎng)絡(luò)的無功損耗。輸電系統(tǒng)變壓器分接頭變化的延時(shí)要短時(shí)，以促使負(fù)荷更快地恢復(fù)。由于分接頭改變，超高壓側(cè)電壓將下降，這導(dǎo)致超高壓網(wǎng)的無功損耗增加。為防止這種情況發(fā)生，分接頭變化必須與投切輸電網(wǎng)并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器相配合。如果擾動(dòng)使分接頭可調(diào)自耦變壓器兩側(cè)電壓都降低，則應(yīng)投入并聯(lián)無功設(shè)備而不是改變變壓器分接頭。變壓器分接頭位置改變是導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定的重要機(jī)理。由于擾動(dòng)電壓會(huì)發(fā)生暫時(shí)的下跌，然而一分鐘內(nèi)可變分接頭裝置便會(huì)起動(dòng)，使負(fù)荷側(cè)電壓返回原值，并使得負(fù)荷也返回原值。傳輸大功率負(fù)荷的可變分接頭變壓器用于調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)電壓，其工作原理與配電電壓調(diào)節(jié)器相近。一個(gè)電壓繼電器便勵(lì)磁，延時(shí)至一定時(shí)間，分接頭便會(huì)改變位置，直至電壓回到進(jìn)入帶寬之內(nèi)或者分接頭的位置到達(dá)最大或最小值。電壓回到帶寬內(nèi)后，電壓繼電器和計(jì)時(shí)器便會(huì)復(fù)位。在電壓崩潰的過程中，變壓器的分接頭或電壓調(diào)節(jié)器會(huì)發(fā)生多次復(fù)位，從而延緩了電壓的跌落第5章 電壓穩(wěn)定的研究方法電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，它的動(dòng)態(tài)行為被歸結(jié)為一個(gè)非線性微分差分代數(shù)方程組（DifferenceDifferentialAlgebraic