電壓穩定性分析

李秋　楊燕　張琰　李小綿

摘要：該文首先介紹了電力系統電壓穩定的基本定義，包括國際上的早期定義和結合我國國情形成的新定義。根據定義分析了電壓不穩定造成的后果，主要有：負載增加引起有裁調壓變壓器將處于極限運行位置；感應電動機停轉引起電壓崩潰；自動裝置將降低勵磁使一次網絡中的無功損耗增加。然后闡述了電壓穩定性靜態分析的方法，并描述了這些方法的特點。最后總結了電壓穩定分析方法的未來研究趨勢。為相關人員進一步的研究提供了一定的參考和幫助。

關鍵詞：電壓穩定 p-v曲線 潮流方程 潮流雅可比矩陣

中圖分類號：TMT12 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）04（a）-0028-02

電能從產生到用戶使用，中間跨越了數千公里，是一個非常大的動態系統。在早期，電力系統水平發展較低的時候，電壓不穩定對電力系統的影響并不明顯，但是從七十年代以來，我國電力系統正向著“大機組、遠距離、大容量”的方向發展，尤其近幾年高壓、超高壓輸電越來越多，交直流電網的互聯越做越大，這些都對電力系統的穩定運行提出了越來越高的要求。要使系統電壓保持穩定，首先要對電壓進行監控，所以我們應該建立性能完善的電壓監控系統，用來防止電壓崩潰。

1.電壓穩定的基本定義

對電壓穩定性研究之前，應該先分析一下什么是穩定狀態，什么是不穩定狀態。國際電工與電子工程師協會（IEEE）在早期給出的定義是，當電壓一定的情況下，負荷增加時，負荷消耗的功率也隨之增加，同時電壓和功率都是可控的。

我國在結合我國國情和IEEE的研究成果的基礎上，形成了新的定義：電壓穩定指電力系統受到大的和小的擾動之后，系統電壓還能保持或恢復到系統能承受的范圍之內，不發生電壓崩潰。電壓失去穩定表現為小擾動失穩、暫時大擾動失穩、動態大擾動失穩以及長時間失穩過程。運行著的電力系統在受到干擾后的幾秒或幾分鐘內，母線電壓可能經歷大幅度的降低，從而使得系統的完整性遭到破壞，不能正常的給用戶供電，這種情況稱為電壓不穩定。

從以上定義可以看出，電壓不穩定主要指因為負荷增大等原因造成電壓下降導致無法控制的狀態。當電壓下降時，會有一些其他原因會導致電壓下降加劇，電力系統狀態變得更為惡劣。這些原因有：（1）當負載增加時，有載調壓變壓器就會自動動作，使低壓系統電壓回升，低壓側的無功負荷將逐漸恢復運行，導致高壓側的電壓進一步下降。如果此時負荷再增加，就會引起上面一系列的反應繼續進行，導致惡性循環，最后有載調壓變壓器將處于極限運行位置。（2）工業系統中有很多負荷都是感應電動機，該電動機對于電壓的變化非常敏感，它的電壓會隨著系統電壓的下降而下降。但當電壓降低過多時，感應電動機會因為不穩定而停止轉動。如果發生級聯效應，會有更多的電動機停止轉動，最終將會出現大面積的電壓崩潰。（3）當系統中發電機的電壓大幅度降低時，發電機勵磁調節器迅速增大勵磁電流以升高系統電壓，提高電力系統動態穩定性。但是，當無功補償較多時，發電機的過勵保護、過流保護等自動裝置將降低勵磁，減少無功出力，使無功進一步缺少，遠方發電機就必須增加勵磁使得電壓升高，致使一次網絡中的無功損耗增加，電壓進一步下降。

2.電壓穩定分析方法的種類

電壓穩定性研究的分析方法分為兩類：針對潮流方程的靜態電壓穩定分析方法，和針對狀態方程的動態電壓穩定分析方法。關于電壓穩定本質的認識，在早期，人們從靜態問題范疇研究電壓穩定性。后來人們發現，負荷、發電機及其勵磁、無功補償、有載調壓器等整個電力系統的狀態都是成動態變化的，所以，人們逐漸開始研究電壓穩定的動態本質。目前在電壓穩定分析這個問題上，動態方法一般只作為理論研究電壓穩定性的一個方向，在工程實際中應用較廣的還是靜態分析方法。所以下面只討論靜態分析方法。

（1）p-v曲線法該具體方法如下，首先確定系統基本狀態潮流計算結果，然后逐步增加系統負荷，得到反應負荷實際吸收功率與節點電壓關系的一系列（p，v）點，最后將這些點相連就得到了p-v曲線。這條曲線存在有拐點，拐點的左側被認為是電壓不穩定區，拐點右側被認為是電壓穩定區。當前系統運行點和拐點之間的距離的遠近反應了系統電壓穩定裕度。但是該方法只是理論分析的結果，在實際應用中發現，某些情況下（p，v）點落在右側穩定區，但實際情況是已經失穩。而有些點落在p v曲線左側，仍然能保持穩定。所以，該方法誤差較大，不能準確的判斷當前電壓是否穩定。

（2）靈敏度分析法該方法是利用一些變量的微分關系來確定。比如：負荷節點電壓和負荷有功功率的微分比、負荷節點電壓和負荷無功功率的微分比，它們用來表示狀態變量輸入靈敏度。還有系統有功網損和負荷有功功率的微分比、系統無功網損和負荷有功功率的微分比，它們用來表示輸出變量靈敏度。根據這些靈敏度指標得到的矩陣可以判斷系統電壓的穩定性。因為在復雜系統中有效性不容易得到保證，所以該方法主要用于單機單負荷的簡單系統中。

（3）潮流多解法該方法是通過研究潮流方程的解，來研究電力系統的穩定性。電力系統的潮流方程是一組非線性方程組，它存在多個值。而且這些解都是成對出現的，其中一個是高壓解，它是和電力系統的實際運行狀態相對應的，是穩定解，另一個解是不穩定運行點，為不穩定解。潮流解只是一種數學結果，得到的解的穩定性的判別不由解的本身來決定，而是由系統中各元件的動態特性來決定。該方法的求解過程也比較繁瑣，因此現在該方法使用較少。

（4）潮流雅可比矩陣奇異法該方法是目前最為成熟的一種計算方法。主要是利用潮流方程的雅可比矩陣的奇異性來分析系統靜態電壓的穩定性。其中最小奇異值用來衡量電壓穩定程度，即用當前雅可比矩陣離奇異值的遠近來判斷穩定性，又被稱為電壓穩定裕度。該方法總體來說計算較為簡單，且計算量小，所以現在用的最多。

3.電壓穩定性分析未來的發展狀況

由以上分析可以看出，電壓穩定性的分析方法各有優缺點，并且使用時應該根據實際情況具體分析。結合以上的分析成果和實際的電網情況，還需要在以下幾個方面進一步研究。主要有：元件動態數學建模、在線電壓穩定實時監控、數字仿真技術等。

4.結語

作為復雜的非線性動力系統，電力系統穩定性一直是備受重視的課題之一。近年來連續發生的電壓崩潰事故，使電壓穩定成為穩定性研究的重點。該文討論了電壓穩定性的概念，詳細分析了由于電壓不穩定造成的后果。著重討論了四種常見的靜態電壓穩定性分析的方法，并比較了這四種方法的優缺點。最后簡述了電壓穩定性分析未來的發展狀況。隨著我國電力系統的發展，穩定性更面臨著嚴峻的挑戰。建立功能完善、性能可靠的電壓穩定監控系統，防止電壓崩潰，有重要的現實意義。