电力系统电压稳定与功角稳定的统一分析原理 郑志刚

电力系统电压稳定与功角稳定的统一分析原理郑志刚
发表时间：2018-04-19T10:16:50.063Z 来源：《电力设备》2017年第33期作者：郑志刚
[导读] 摘要：客观上,电力系统只有一种稳定性或者不稳定性,电压稳定与功角稳定只是电力系统稳定分析的两种极端情形。

（大唐阳城发电有限责任公司山西省晋城市 048000）
摘要：客观上,电力系统只有一种稳定性或者不稳定性,电压稳定与功角稳定只是电力系统稳定分析的两种极端情形。

由1个平衡节点与1个PQ节点构成的简单系统只有电压稳定问题;由1个平衡节点与1个PV节点构成的简单系统只有功角稳定问题。

如果应用潮流方程分别研究上述两种简单系统的静态稳定性,那么,电压稳定临界点与静态功角稳定临界点对应的潮流雅可比矩阵都是奇异的。

关键词：电力系统；电压稳定；功角；分析
电网可分为送端系统、受端系统和输电网络 3 个部分。

受端系统是以负荷集中地区为中心,包括区内和邻近电厂在内,用较密集的电力网络将负荷和这些电源联接在一起的电力系统。

受端系统通过接受外部及远方电源输入的有功和电能,以实现供需平衡。

远距离、大容量的电量交换,使电力系统规划、建设及受端系统的安全稳定运行及其相关问题得到关注。

随着电力工业的快速发展,受端系统的规模在不断扩大,近年来国内外许多受端系统都出现了用电负荷迅猛增长、最高用电负荷占全网比重逐渐增加的情况。

而受端系统内部主力电厂建设不足, 大量的电能需要远距离传输,受端系统对外来电力的依赖程度不断提高,导致电网安全稳定运行的主要矛盾从功角稳定问题转化为电压稳定问题。

自20世纪90年代以来,陆续有文献研究电压稳定与功角稳定的关系。

从电压失稳与功角失稳的现象出发,分析电压稳定与功角稳定的耦合关系,寻求区分电压稳定与功角稳定失稳模式的判据。

一、电压稳定与功角稳定的关联性研究方法
功角稳定与电压稳定的关联性研究方法主要有小扰动分析法、能量函数法、分叉理论以及近来受到关注的非线性模式分析法等。

其他方法:如混沌理论、戴维南等值跟踪法、概率特征根分析法等,此处不作讨论。

研究在电力系统中,混沌极限环破裂与系统不同失稳模式之间的关系。

文献提出失稳过程中,若负荷点的戴维南等值电势持续下降,则系统发生功角失稳;失稳过程中,若负荷点的负荷阻抗模值小于戴维南等值阻抗模值,则系统发生电压失稳。

文献将系统的稳定性问题分为功角型、电压型、功角和电压的综合型。

通过特征根的概率分布情况,分析系统失稳类别。

下面就几种方法作简单介绍及分析。

当系统处于电压不稳定状态,此时系统向负荷提供的功率已不可能随着电流的增加而增加,而负荷会试图通过加大电流以获得更大功率。

这可以从 2 个方面去说明:一方面以空调负荷为例,当气温上升或电压降低或整定温度被调低时,空调会加大开机时间与停机时间的比值,其群体效应就是加大所在负荷节点的电流;另一方面当系统处于电压不稳定状态时,人们会痛感当下用电器具或设备太不如意,此时他们会加开用电器具或设备,或调高现行用电器具、设备的档次或改变其整定值,这些行为都会加大它们所在负荷节点的电流。

如果负荷仍持续地试图通过加大电流以获得更大的功率(有功或无功),就会发生一个正反馈式的恶性循环,最终导致电压崩溃。

认为状态变量分为两类,一类是与电压稳定强相关的状态变量,如发电机电动势、异步电动机转差等;另一类是与功角稳定强相关的状态变量,如发电机角度、角速度等。

如果某一模式在与第一类状态变量强相关下失稳,则认为是电压失稳;如果某一模式在与第二类状态变量强相关下失稳,则认为是功角失稳。

利用小干扰分析法,在延拓法的基础上,研究了静态稳定和动态稳定情况。

小干扰稳定分析内容主要包括小干扰稳定性分析方法的研究、小干扰稳定极限的研究、特征值灵敏度的分析和应用三个方面。

如何简单计算线性化状态方程系数矩阵的全部特征值是小干扰稳定分析的重点。

小扰动分析的结果虽然可以体现电压和功角参与失稳的程度,但由于它是运行点处的线性分析,故电压幅值参与失稳程度大的时候并不一定表示系统会电压失稳;功角参与失稳程度大的时候也不一定表示系统会功角失稳,即线性分析的结果不一定在线性化所在点的较大范围内都成立。

能量函数法是直接估算动态系统稳定的方法,可避免耗时的时域仿真,将系统状态同一个标量函数联系起来,利用系统的保守或近保守性质,比较系统扰动结束后能量函数的值与系统稳定边界上的逸出点处能量函数值,就可判断系统稳定与否,以及稳定或不稳定的程度。

因此,电力系统模型的各个平衡点在能量函数法中具有特殊的意义,把握了平衡点的类型和分布后,就可以大致了解系统的可能失去稳定的状态。

二、结论
（一）根据电力系统非线性潮流方程组取极值原理,以3节点系统为例,证明了电力系统电压稳定与静态功角稳定的等价关系,建立了电压稳定与功角稳定统一分析的理论方法。

通过分析PV节点有功功率失去平衡与PQ节点电压失去稳定的密切关系,部分地揭示了电力系统电压稳定的机理。

（二）通过引入电流辅助变量,提出了电力系统分散综合动态等值方法。

证明了电力系统极大传输功率的必要条件是,系统的综合动态等值阻抗模等于负荷的静态等值阻抗模。

为进一步应用电力系统非线性等值模型解析计算电压稳定鞍结分岔点提供了基础。

电力系统极大传输功率判据,也可用于判断大规模电力系统的潮流解是否可行。

（三）提出了评价静态功角稳定性的电阻裕度指标。

基于潮流方程计算PV节点的电阻裕度,能完整地保留网络的结构特性与负荷的功率特性;能够克服多机系统整步功率系数理论计算的困难。

在线监测电阻裕度局部指标,能够综合等值系统内部非线性元件的静态特性;能够评价系统的静态功角稳定性以及电压稳定性。

指出了现有基于局部量测的电压稳定评估方法存在的理论缺陷。

（四）电阻裕度是将负荷的极限功率单位化,同时将功率–角度特性曲线变换为功率–电阻裕度特性曲线,是规格化的静态功角稳定灵敏度指标。

电阻裕度不仅是一个灵敏度指标,还具有确定的非线性性质。

PV节点无功越限后,可以在线估计发电机内恒定电势节点的电阻裕度,据此综合评价系统的静态稳定性。

这一方法可以推广应用到只有单端电压支撑能力的互联线路的静态稳定分析中。

（五)在电力系统规划设计与运行调度中,优先选择电阻裕度较大的电源节点增发有功功率,可以提高系统运行的整体静态稳定水平,减小系统运行的总体无功功率损耗。

电阻裕度指标具有局部可观测性与在线自适应修正能力,装置易于实施应用,结论易于在线分析验证。

电阻裕度也可与广域测量系统的在线监视信息互为补充,这是电阻裕度具有的主要现实意义。

（六)电阻裕度指标能够自适应地跟踪系统内部的有功功率平衡能力。

考虑注入系统功率随时间变化的动态特性后,有限地推广了电阻裕度的在线应用价值:能够快速判断系统的静态电压稳定性;或可用于预测系统的暂态功角稳定性,在线决策系统的切机与解裂方案;或可设计反馈电阻裕度局部信号的电力系统稳定控制器。

（七）IEEE14节点系统仿真计算,验证了电力系统极大传输功率判据以及静态功角稳定电阻裕度指标是正确的。

电阻裕度的全局协调辨识、电阻裕度与功角相关性分析、以及在线数据滤波等,是今后的重点研究方向。

参考文献：
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