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論電力電壓穩(wěn)定性機(jī)理性
摘要：本文針對電壓穩(wěn)定性破壞進(jìn)行了詳細(xì)的分析。同時,探討了電壓穩(wěn)定性的分類以及電壓穩(wěn)定性的機(jī)理分析。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) 穩(wěn)定性 小擾動電壓 大擾動電壓
隨著電力事業(yè)發(fā)展迅速,電網(wǎng)內(nèi)部也存在著引起電壓崩潰的因素,而且可能更為突出,只是由于目前大多數(shù)有載調(diào)壓器分接頭未投入自動和電力部門過早地采用了甩負(fù)荷這一最后的措施,因而電壓穩(wěn)定問題似乎顯得不那么突出。隨著電力市場化,人們對電能質(zhì)量要求提高,甩負(fù)荷這一措施的使用將會受到限制。研究認(rèn)為,電壓崩潰日趨嚴(yán)重的主要原因有以下幾點:一是由于經(jīng)濟(jì)上及其它方面(如環(huán)保)的考慮,發(fā)、輸電設(shè)備使用的強(qiáng)度日益接近其極限值;二是并聯(lián)電容無功補(bǔ)償大量增加,因而當(dāng)電壓下降時,向電網(wǎng)提供的無功功率按電壓平方下降;三是線路或設(shè)備的投切,引起電壓失穩(wěn)的可能性往往比功角穩(wěn)定研究中所考慮的三相短路情況要大得多,然而人們長期以來只注意功角穩(wěn)定的研究。
一、電壓穩(wěn)定性破壞的原因
電壓崩潰的起因。電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題的物理本質(zhì)是系統(tǒng)中功率平衡問題,電力系統(tǒng)運行的前提是必須存在一個平衡點。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題,直觀的講也就是負(fù)荷母線上的節(jié)點功率平衡問題。當(dāng)節(jié)點提供的無功功率與負(fù)荷消耗的無功功率之間能夠達(dá)成此種平衡,且平衡點具有抑制擾動而維持負(fù)荷母線電壓的能力,電力系統(tǒng)即是電壓穩(wěn)定的,反之倘若系統(tǒng)無法維持這種平衡,就會引起系統(tǒng)電壓的不斷下降,并最終導(dǎo)致電壓崩潰。當(dāng)有擾動發(fā)生的時候,會造成節(jié)點功率的不平衡,任何一個節(jié)點的功率不平衡將導(dǎo)致節(jié)點電壓的相位和幅值發(fā)生改變。各節(jié)點電壓和相位運動的結(jié)果若是能穩(wěn)定在一個系統(tǒng)可以接受的新的狀態(tài),則系統(tǒng)是穩(wěn)定的,若節(jié)點的電壓和相角在擾動過后無法控制的發(fā)生不斷的改變,則系統(tǒng)進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定和系統(tǒng)的無功功率平衡有關(guān),電壓崩潰的根本原因是由于無功缺額造成的,擾動發(fā)生后,系統(tǒng)電壓無法控制的持續(xù)下降,電力系統(tǒng)進(jìn)入電壓失穩(wěn)狀態(tài)。無論是來自動態(tài)元件的擾動還是來自網(wǎng)絡(luò)部分的擾動,所破壞的平衡均歸結(jié)為動態(tài)元件的物理平衡。電力系統(tǒng)的動力學(xué)行為僅受其動態(tài)元件的動力學(xué)行為及其相互關(guān)系的制約。
二、電壓穩(wěn)定性的分類
將電壓穩(wěn)定性問題適當(dāng)分類,對電壓穩(wěn)定性的分析,造成不穩(wěn)定基本因素的識別,以及提出改善穩(wěn)定運行的方法等都是有利的。
1.按擾動的規(guī)模來講電壓穩(wěn)定問題可以分為小擾動電壓穩(wěn)定性,大擾動電壓穩(wěn)定性。一是小擾動電壓穩(wěn)定性是在如系統(tǒng)負(fù)荷逐漸增長,送到負(fù)荷節(jié)點的功率的微小變化之下系統(tǒng)控制電壓的能力。小擾動下系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行意味著系統(tǒng)本身能夠不斷調(diào)整以適應(yīng)變化的情況,系統(tǒng)控制系統(tǒng)有能力在小擾動后令人滿意地運行,保證系統(tǒng)發(fā)出的無功等于消耗的無功,在出現(xiàn)最大負(fù)荷時能成功地供電。這種形式的穩(wěn)定性由負(fù)荷特性、連續(xù)作用的控制及給定瞬間的離散控制作用所確定。系統(tǒng)對小擾動的響應(yīng)特性取決于初始運行條件、輸電系統(tǒng)強(qiáng)度以及所用的發(fā)電機(jī)的勵磁控制等因素。依靠負(fù)荷和電源自身固有的調(diào)節(jié)能力,使擾動前后的電壓值相同或者相近。二是大擾動電壓穩(wěn)定性是關(guān)于在發(fā)生諸如系統(tǒng)故障后,系統(tǒng)控制電壓的能力。這些擾動包括輸電線上短路、失去一臺大發(fā)電機(jī)或負(fù)荷,或者失去兩個子系統(tǒng)間的輸電線。系統(tǒng)對大擾動的響應(yīng)涉及大量的設(shè)備。此外,用來保護(hù)單個元件的裝置對系統(tǒng)變量變化的響應(yīng)也影響系統(tǒng)的特性。
2.按照失穩(wěn)事故的時間場景電壓穩(wěn)定問題可以分為:一是暫態(tài)電壓穩(wěn)定性,穩(wěn)定破壞的時間框架從0~大約10秒,這也是暫態(tài)功角穩(wěn)定性的時間框架。在這類電壓不穩(wěn)定中,電壓失穩(wěn)和功角失穩(wěn)之間的區(qū)別并不總是清晰的,也許兩種現(xiàn)象同時存在。這類電壓崩潰是由諸如感應(yīng)電動機(jī),和直流換流設(shè)備等不良的快速反應(yīng)負(fù)荷元件造成的。對于嚴(yán)重的電壓下降感應(yīng)電動機(jī)可能失速,吸收無功功率急劇增加,進(jìn)而將引起其臨近的其它感應(yīng)電動機(jī)失速。除非盡快切除該類負(fù)荷,否則會導(dǎo)致電壓崩潰。二是中期電壓穩(wěn)定性,穩(wěn)定破壞的時間框架通常為30秒到50秒,典型者為2到3分。發(fā)生此類電壓失穩(wěn)事故時電力系統(tǒng)一般處于高負(fù)荷水平,且從遠(yuǎn)方電源送入大量功率,當(dāng)重載條件下運行的系統(tǒng)受到突然的大擾動后,由于電壓敏感性負(fù)荷的作用,系統(tǒng)能夠暫時保持穩(wěn)定。但擾動后網(wǎng)絡(luò)無功損耗大量增加,引起負(fù)荷區(qū)域電壓下降,當(dāng)自動調(diào)節(jié)分接頭的變壓器和配電電壓調(diào)節(jié)器動作,而恢復(fù)末端變壓器負(fù)荷側(cè)電壓,從而恢復(fù)負(fù)荷功率時,網(wǎng)絡(luò)傳輸電流進(jìn)一步增大加劇輸電網(wǎng)絡(luò)中電壓的下降。同時送端發(fā)電機(jī)可能因過勵磁限制而只發(fā)送有功,甚至由于發(fā)電機(jī)長時間過電流而被切除。這樣含電源在內(nèi)的輸電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不可能提供足夠的無功功率,以支持負(fù)荷消耗與網(wǎng)絡(luò)無功損耗的需要,就會最終導(dǎo)致電壓崩潰對于這類電壓崩潰事故,運行人員來不及干預(yù),自動調(diào)節(jié)分接頭的變壓器及配電電壓調(diào)節(jié)器,發(fā)電機(jī)過勵限制等因素在此過程中起重要作用。應(yīng)當(dāng)指出的是,在這一過程中自動調(diào)節(jié)分接頭的變壓器的作用是抑制或加劇電壓崩潰的進(jìn)程,與負(fù)荷特性分接頭位置及系統(tǒng)無功儲備有關(guān)。三是長期電壓不穩(wěn)定性,這種場景的電壓崩潰發(fā)展過程經(jīng)歷一個相當(dāng)長的時間,其過程可大致描述如下:負(fù)荷過速增長,導(dǎo)致主要負(fù)荷母線電壓單調(diào)下降。幾分鐘內(nèi)由于自動調(diào)節(jié)分接頭的變壓器及調(diào)度干預(yù)等作用,電壓的下降得到遏止后,一方面自動調(diào)節(jié)分接頭的變壓器使網(wǎng)上負(fù)荷得到恢復(fù),另一方面負(fù)荷繼續(xù)快速增加,電源的增加或當(dāng)?shù)責(zé)o功補(bǔ)償增加,跟不上負(fù)荷增長速度的需要,電壓下降進(jìn)一步惡化,最終導(dǎo)致部分地區(qū)電壓崩潰,系統(tǒng)瓦解,造成大面積停電。在長期電壓不穩(wěn)定事故中,往往沒有直接的擾動。其原因是本來已經(jīng)薄弱的嚴(yán)重過載的結(jié)構(gòu),不合理的網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷恢復(fù)和快速增長造成的。
三、小擾動電壓穩(wěn)定性的機(jī)理分析
電力系統(tǒng)在給定的穩(wěn)態(tài)運行點遭受任意小的擾動后,如果負(fù)荷節(jié)點的電壓與擾動前的電壓值相同或者相近,則稱系統(tǒng)在給定運行點為小干擾電壓穩(wěn)定,此時系統(tǒng)擾動后的狀態(tài)位于系統(tǒng)擾動后的吸引域內(nèi)。從負(fù)荷節(jié)點可將系統(tǒng)分為兩部分,一部分可以看為電源系統(tǒng),則另一部分看為負(fù)荷。小擾動電壓穩(wěn)定性的前提是擾動后的系統(tǒng)電源的無功—電壓靜態(tài)特性和負(fù)荷的無功—電壓靜態(tài)特性必須有交點,并且在該點具有維持電壓不變或有微小變化的能力。
四、大擾動電壓穩(wěn)定性的機(jī)理分析
小擾動電壓穩(wěn)定性是系統(tǒng)在受到擾動后是否存在平衡點的問題,對于大擾動電壓穩(wěn)定性而言,擾動后的系統(tǒng)存在平衡點是其必要條件,但不是充分條件,系統(tǒng)是否能夠恢復(fù)到平衡點,還依賴于系統(tǒng)中各元件無功功率的變化速度。當(dāng)電源自動調(diào)節(jié)的速率愈快時,對大干擾的穩(wěn)定性愈有利。在穩(wěn)定性的評價中所關(guān)心的問題是電力系統(tǒng)遭受暫態(tài)擾動后的行為。電力系統(tǒng)在給定的穩(wěn)態(tài)運行點遭受一定的擾動后,如果故障后平衡點超出系統(tǒng)運行限制范圍,系統(tǒng)沒有能力保持在一個靜態(tài)穩(wěn)定的運行點,也就是擾動后由于負(fù)荷QL增長,QL—U向上移動,或電源QG下降QG—U向下移動,使QL—U完全在QG—U上方,兩者無交點,表示在任意電壓下均有負(fù)荷吸收的無功大于電源發(fā)出的無功。系統(tǒng)失去發(fā)電機(jī)或回路的事故之后控制電壓的能力,因此電壓崩潰,電壓穩(wěn)定性破壞。大擾動的電壓穩(wěn)定性涉及系統(tǒng)中的大量設(shè)備,但在任何給定
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