电力系统电压稳定性研究综述

电力系统电压稳定性研究综述

摘要: 电力需求的快速发展对电压稳定性提出了更高的要求，本文以对电压稳定性的研究为基础,综述电压稳定性的本质和机理, 以及电力系统电压稳定性的研究现状。研究用于防止系统电压失稳的控制策略及电力系统优化理论。

关键词: 电力系统；有功功率；电压稳定性

中途分类号：F407.61文献标识码：A-E文章编号：2095-2104（2011）12-015—01

近十几年经济快速发展,用电量急剧增加,给电力系统的安全运行带来了新的问题，一些大型电力系统相继发生大面积停电事故，网络建设速度跟不上用电量的增长速度,网架建设的薄弱也给电压稳定带来很大的安全隐患。同时,电力市场竞争机制使各种电源竞价上网, 给庞大的极限运行的网络带来很多不确定的因素,使电压稳定性问题成为影响电网安全的一大因素。迫切要求对电压稳定性问题进行深入研究。

1 电压稳定性的本质

1.1 电压稳定性机理

随着电力系统规模的扩大,系统越来越朝极限方式运行,电压稳定性面临新的挑战,此时其本质开始受到重视。有学者从线路和负荷的关系出发,认为电压稳定性的本质不仅跟无功功率有关,而且跟有功功率有关,特别是当系统在极限附近运行时,有功功率和负荷性质均对电压有重要影响,从某种意义上说,电压稳定性就是负荷稳定性。另外一部分学者从非线性系统理论出发,以分岔及中心流形理论来描述电压稳定性的本质,把电压稳定性划分为短期和中长期稳定性。

1.2 近期研究动态

由于电压稳定性与功角稳定性之间并不是孤立作用的,近期对电压稳定性的研究开始围绕短期电压稳定与功角稳定相互作用的机理展开。用微分代数方程的奇异性研究暂态电压崩溃的机理过程,动态负荷在时间常数、负荷功率、负荷成分等方面对功角稳定和电压稳定相互影响的关系。结论为: 对于时间常数小、有功负荷重、恒功率负荷比重大的动态负荷,一般由于其电压失稳而导致功角失稳。这种分析方法对暂态电压稳定和功角稳定之间的机理联系分析有一定的参考作用。

2 电压稳定性研究方法及现状

2.1 电压稳定性的研究方法

电力系统电压稳定性的一般数学模型通常可以用1组微分—代数方程组(DAE)的模型来描述:

（1）

式中: x是1组描述系统动态的状态变量；y是各节点电压向量；f为动态光滑函数向量；g为稳态光滑函数向量。

一般把电压稳定性研究的方法分为静态方法和动态方法。静态方法一般不考虑系统的动态过程,而是从线路和网络运行的极限来分析静态电压稳定的极限, 通过潮流输送与节点电压的关系来分析电压稳定性。静态分析方法主要有灵敏度法、特征值分析法、潮流分析法、直接法、连续法和线性规划法等。静态方法虽然没有描绘出电压稳定的本质, 但由于简单并容易实现, 因而有很高的实用价值, 广泛用于电力系统电压的安全评估和电压崩溃防御策略的制定。

动态方法从电压稳定性的本质出发,考虑电力系统各种动态对电压稳定性的影响,如动态负荷、OLTC、发电机励磁控制系统、动态无功功率补偿、直流输电控制等, 因而是从系统微分方程和代数方程2 方面来进行分析的。该方法又可以分为短期动态和中长期动态研究。短期动态一般考虑的是电动机负荷、励磁控制系统及直流输电快速动态响应时的电压稳定性问题。而中长期动态则考虑负荷慢动态、OLTC、无功功率补偿设备等响应时的电压稳定性问题, 此时, 系统忽略快动态变量的影响, 只考虑长期变量的微分方程, 因而中长期动态的DAE 形式可以描述为:

（2）

式中: z为长期动态向量；p 为独立参数向量；h为长期动态光滑函数向量。

电力系统动态研究的传统方法有分岔理论、暂态能量函数法等。动态研究法抓住了电压稳定性的本质, 对于深入了解电压崩溃的机理以及检验静态分析的结果都具有十分重要的意义。

2.2 电压稳定性研究现状

目前,主要针对各种不正常运行状态下电压稳定性进行研究。电力系统电压稳定性的研究主要集中在以下几个方面:分析系统电压临界失稳点或电压稳定负荷裕度；分析电力系统中可能引发电压失稳的薄弱节点或薄弱区域, 以及对电压失稳点进行安全配置重构；研究用于防止系统电压失稳的控制策略；电力系统优化。

2.2.1 电压稳定负荷裕度

从系统给定运行状态出发,按照某种模式,通过负荷或传输功率的增长逐

步逼近电压崩溃点, 则系统当前运行点到电压崩溃点的距离称为负荷裕度指标。把负荷裕度解释为随机变量,通过分析各种行为下发生电压崩溃的概率来评估各种风险, 采用一种称为随机响应曲面法(SRSM)来评估负荷裕度, 即通过对不确定性负荷和电源等作相对于蒙特卡罗实验数的最小样本数量进行估算, 并采用SRSM来实现,主要探讨了风电、分散式电源及不确定负荷等随机变量的影响。

2.2.2 薄弱节点辨识

大型电网电压崩溃的发生一般是从网络的薄弱环节开始的, 如果能事先辨别薄弱节点或薄弱环节的位置,预先在该处采取安全措施, 则能消除崩溃事件的发生。从自组织临界的观点出发,是一种新的最优潮流和输电网模型, 用以提升对电力系统连锁故障的研究, 此模型从无功功率和电压的关系中揭示系统的性质。该模型函数包含2种动态, 其中快动态用于模拟电力系统连锁故障(微观尺度),慢动态用于反映电力系统随时间演化的趋势(宏观尺度)。该方法可发现系统薄弱环节,为预防大面积停电提供辅助信息, 从而为系统的安全控制提供决策依据。

2.2.3 控制策略

从控制观点看, 电力系统运行的目的是在负荷变化时使电力潮流能在规定的电压幅值限度内流动。电压水平的控制可以通过控制系统各处无功功率的生产、吸收及流动来实现。基于模型预测控制(MPC)的理论可以确定控制策略,在发生偶然事故时通过无功功率控制来保持电压稳定；采用控制开关策略对多个并联电容器组进行控制,根据所需控制的标准和效力来支持电压恢复,控制效果可以通过轨迹灵敏度来估算。另一种被称为多目标决策的方法来实现对电力系统电压稳定性的柔性控制,该方法把电压控制当成一个多目标优化问题,采用基因跳跃进化算法作为离线搜索的方法,寻找出帕雷托优化解集。当对控制系统进行在线分析时,帕雷托优化解集可提供一系列可行解,多目标决策技术能够根据不同的控制要求选择其中之一的可行解,以此作为操作参数选择的依据,实现对电压稳定的柔性控制。这种基于多目标决策的控制策略提供了快速、柔性的解决方法。

2.2.4 电力系统的优化理论

采用优化的方法来辨认和分析与电压稳定性相关的电力系统模型, 或者用优化的方法评估与电压稳定性相关的数据和参数。优化方法辨认分析与电压稳定性相关的鞍结点分岔和有限诱导分岔的模型，该优化模型可获得基于补充约束的求解点, 能产生SNB或LIB的横截情形, 以此证明与连续潮流法所获得的结果相同。该优化方法在进行最大载荷率研究时的计算效率高,功能强大。

3 结束语

总的来说, 电压稳定性仍然是电力系统的一个重要的问题,它对电力系统的安全和稳定有重要影响。研究各种情况下的电压稳定性问题,对工程实践进行检验和指导,解决各种突发问题有着重要意义。