电力系统电压稳定分析与研究毕业论文.doc
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电力系统电压稳定分析与研究毕业论文
目录
第一章引言 2
第二章电压稳定问题的基本容与研究方法 3
2.1电压稳定的基本概念 3
2.2辐射状系统 3
2.3电压稳定研究容 5
2.4电压稳定研究方法 6
第三章电压稳定定性分析 10
3.1供电点的电压稳定 10
3.2电网供电的电压稳定 13
第四章负荷特性 15
4.1与电压有关的负荷 15
4.2负荷动态补偿 17
4.3感应电动机 18
第五章无功补偿对电压稳定的影响 28
5.1无功功率与系统电压之间的关系 28
5.2无功补偿与电压稳定 29
5.3无功补偿装置的作用 30
第六章系统电压失稳机理 32
6.1电压稳定域 32
6.2电压崩溃机理 33
第七章防止电压崩溃的措施 35
7.1防止电压崩溃事故发生的规划方面的措施 35
7.2防止电压崩溃事故发生的运行方面的措施 36
7.3提高电压稳定措施的实施条件 37
第八章仿真 39
参考文献 42
第一章引言
近二十年来，电力系统向大机组、大电网、高电压和远距离输电发展，对于合理利用能源，提高经济效益和保护环境具有重要意义。
但是也给电力系统的安全运行带来了一些新的问题，其中之一是电压崩溃恶性事件，如1978年12月19日法国电网，1983年12月27日瑞典电网和1987年7月23日日本东京电网，都因为电压失稳导致大面积、长时间停电，造成巨大的经济损失和社会生活的紊乱。
尽管电压崩溃事故发生的几率很小，但是其严重后果引起了电力工程界的广泛关注。
电压稳定的研究一直可以追溯到四十年代H·M马尔科维奇提出的第一个电压稳定判据，但是直到七十年代末期，这一领域都没有多大进展。
1978年法国的灾难性电压崩溃事故把这个长期被忽视的课题变成了电力界关注的焦点，从那时以后进行了大量的研究工作。
因为有记录的电压崩溃事故离初步故障的时间都比较长，早期普遍认为电压稳定是一个静态问题，研究的重点集中在静态机理的探讨和基于潮流方程的极限运行状态的求取。
尔后碰到的问题使人们认识到电压稳定问题的复杂性和动态研究的必要性。
研究人员反过来重视了电压崩溃现象的物理本质的探讨，动态机理的分析和建模方面的研究。
由此可以把电压稳定的研究划分为三个阶段。
第一阶段，从H·M马尔科维奇提出的第一个判据到七十年代末期，是电压稳定性问题没有引起足够重视的阶段；第二阶段，从七十年代末期到八十年代中期，是注重静态研究的阶段；第三阶段，从八十年代中期到现在，是以动态机理探讨为基础的全面研究阶段。
到目前为止，电压稳定研究已经取得了很大的进展，但是与功角稳定相比，不仅电压稳定性问题理论体系还没有建立，甚至对于电压失稳机理也还存在不同的观点。
第二章电压稳定问题的基本容与研究方法
2.1电压稳定的基本概念
电压稳定性：
是指系统维持电压的能力。
当负荷导纳增大时，负荷功率亦随之增大，并且功率和电压都是能控的。
电压崩溃：
是指由于电压不稳定所导致的系统大面积、大幅度下降的过程。
电压安全性：
不仅只指一个系统稳定运行的能力，也是指在出现任何适当而可信的预想事故或有害的系统变更后，系统维持电压稳定的能力。
电压稳定程度：
系统（节点）承受负荷扰动的能力。
电压越限：
指系统仍然具有维持平衡点的能力，但是各种因素（如：
发电机无功越限、无功过补偿等），使电压水平越出合理的围。
电压失稳：
系统丧失维持平衡点的能力。
2.2辐射状系统
这里将对电压不稳定性进行非解析性的描述，以及对电压不稳定性和电压崩溃的激励有较为深入的理解。
使用辐射状系统可以对电压稳定问题给出最为清楚的描述。
这些描述不仅在本质上含有全部慢动态的现象，同时还能对现有的电压稳定的解析方法提供一个有效的说明。
图2.1具有某些在电压稳定问题中起重要的元件的辐射状系统
一个运行于接近其电压稳定极限的辐射状系统中，有功或无功负荷的少许增加，失去发电或并联补偿，送端电压下降或失去输电，都会造成电压不稳定。
图2.1显示了一个可能经历任一上述扰动的电力系统。
它包括了两个简化了的配电系统，其一以工业负荷为主，另一以居民负荷为主。
这两种负荷类型具有两种极端的负荷特性：
工业负荷是低功率因数的（有大量并联电容器补偿），且负荷功率不随电压发生明显的变化；而居民负荷的功率因数较高（有少量并联电容器补偿），并且负荷功率随电压的下降而下降。
当上述扰动之一是使受端电压下降时，有几种机制可能起作用。
首先，民用有功与无功负荷将随电压的下降而下降，感应电动机占主体的工业负荷将变化很小。
然而，在工业负荷区域的大量电容器将供出较少的无功功率，造成净无功负荷增加。
民用负荷的减少会减轻线路载荷，因而也减轻了无功损耗。
民用无功负荷的减少可能大于工业无功负荷的增加，因此，电压暂时稳定在某个较低的水平，或许在95%附近。
下一步就轮到了配电的有载调压变压器（记为OLTC）的动作，已恢复配电电压。
于是居民的有功和无功负荷将增大，而工业的无功负荷将减少。
所增加的居民负荷的影响通常大于所降低的工业负荷的影响，致使一次侧电压进一步下降。
一次系统中的线路充电和电容器均将减少所产生的无功功率，与此同时，由于一次网络中电流的增加，一次网络中的无功损耗也将增加。
典型情况下，OLTC将处于或接近极限位置，一次侧电压将处于90%附近，而配电电压低于额定电压。
在下一步将是恒温器和用户的动作，即他们对配电电压的降低做出反应。
当对电压敏感的受控负荷慢慢地向满功率回升时，一次侧和二次侧电压会进一步下降。
如果存在某些未经OLTC供电的工业负荷，那么它的一次侧电压将会降低到额定电压的90%。
若在该负荷的某处有个边缘电动机（指电压降低到85%~90%时将停转的电动机），也许在电压降低到比正常电压值低一些的某一点，它就可能停转。
如果它停转了，则所吸收的无功电流将增加，使加在邻近电动机和电容器上的电压下降。
当电容器所提供的无功功率下降并造成电压进一步下降时，另一些电动机的临界转矩会低于它的负荷转矩，结果他们也将停转。
这时会有更多的电动机以级联的方式停转，最终将出现更大围的电压崩溃。
电压的崩溃将使大部分电机掉闸，这时由于负荷的大量减少又会造成电压的回升。
如果电压不稳定的根源未予排除，当电动机恢复运行后，电压可能再次崩在上述电压崩溃的过程中，附近发电机上的自动电压调节器可能起作用。
发电机将增加无功出力，帮助维持电压。
然而，如果发电机的无功负荷超过发电机的容量，电厂的运行人员或励磁器或磁场保护将降低励磁而允许机端电压下降。
较远方的发电机将承担起电压控制的任务，但是其结果是负荷区的电压将下降。
上述所描述的电压不稳定性和电压崩溃的慢动态是典型的。
在一个更为严重的扰动下，崩溃可能几乎瞬间即出现或在仅经1~2分钟的慢动态之后出现。
在不太严重的“边缘不稳定”的情况下，崩溃过程可能用掉20分钟或更长时间。
在“边缘稳定”的情况下，慢动态可能把系统推到崩溃的边缘上。
除OLTC的动作外，负荷地区中电动机的容量以及接于一次电压下的电动机的多少也是电压不稳定的关键性参数。
虽然上述讨论是针对所谓的辐射状系统，然而，现今大多数系统都表现出了真实辐射状系统中所具有的特性。
任何一个系统，如果系统中大量负荷的供电是由远方电动机通过长距离、中负荷输电网提供的话，那么这个系统就具有上述系统的特性。
2.3电压稳定研究容
目前的研究工作按其目的不同可分为两大类：
电压崩溃现象机理探讨、电压稳定安全计算和预防措施研究。
电压崩溃机理探讨的目的是要弄清楚主导电压崩溃发生发展的本质因素、电压稳定问题和电力系统中其他问题的相互联系，以及电力系统中各种元件对电压稳定的影响。
早期的静态研究中的机理认识集中在曲线和曲线分析、潮流多解的稳定性分析和基于灵敏度系数的物理概念讨论。
动态因素受到重视以后，负荷的动态特性、有载调压变压器（OLTC）的负调压作用受到了普遍关注。
目前普遍认为无功功率的平衡、电动机的无功出力限制、OLTC的动态和负荷的动态特性与电压崩溃关系密切。
但是在目前阶段对电压崩溃机理认识还不一致，不同研究人员所采取的系统模型也有很大的差别，迫切需要全面深入的开展电压失稳机理的探讨。
负荷动态特性是探讨电压失稳机理的关键，建立适合于电压稳定研究的负荷模型已受到重视。
电压稳定安全指标计算包括两个方面：
寻找恰当的安全指标和尽量快速又有效够精准的计算方法。
已提出的安全指标主要有：
各类灵敏度指标、潮流雅克比矩阵奇异值指标、最小模特征值指标、负荷状态空间中潮流多解间的距离指标、临界电压指标和裕度指标△P、△Q和△V。
裕度指标的线性很好，但涉及临界点的求取，因为潮流雅克比矩阵给计算带来困难，目前已经在这方面做了许多工作；其他的指标只用到当时系统运行状态的信息，计算简单，但线性差，称之为状态指标比较贴切。
目前需要解决以下三个问题：
（1）快速准确的裕度指标计算方法；
（2）根据动态机理对各类指标的合理性、准确性进行检验，为运行部门选择指标提供依据；（3）在快速算法中计及影响电压稳定的主要动态元件的作用，比如电动机无功越限和负荷特性的影响等。
预防措施的研究，以日本和法国采取的事故对策最为出色。
前者强调增强事故状态下的电压控制能力，后者基于其对电压崩溃过程的时段的划分，侧重于事故发生前的紧急状态下的预防措施。
目前普遍认为，加强无功备用、提高紧急状态下的无功应变能力、防止无功功率的远距离传输、紧急切负荷、闭锁甚至反调OLTC是预防严重事故的有效措施。
2.4电压稳定研究方法
在电压崩溃的深度研究中，求解电压崩溃临界点即电压崩溃裕度是关键的一步。
电压崩溃裕度从数学角度来讲是潮流矩阵趋近奇异的距离，从物理角度来讲是系统中总的负荷允许增加的程度。
按研究中采取的模型来划分，电压稳定性研究方法可以分为三大类别：
基于物理概念的定性分析；基于潮流方程的静态研究；基于微分方程的动态研究。
2.4.1基于物理概念的定性分析
定性分析对于指导研究方向非常重要。
在以往的研究中将电压稳定划为静态问题，例如P-V曲线机理解释和OLTC的负调压作用都是在简化条件下得出的，再推广到复杂系统中时，往往不一定成立。
目前迫切需要全面检验现有的有关电压稳定问题的定性认识的正确性。
2.4.2基于潮流方程的静态研究
基于潮流方程或修改过的潮流方程是静态电压稳定性研究的中心，求出的临界潮流解即可被看做是电压稳定极限，这方面的研究已比较成熟，主要的研究方法有以下几种。
（1）最大功率法
这是一种最直观的分析电压稳定的方法。
当负荷的需求超过网络所能传输功率的极限时，系统就会出现异常现象，其中包括电压失稳行为。
最大功率法就是求取这个临界点，即电压稳定极限运行状态。
但是这里存在着由于临界点附近潮流雅克比矩阵奇异而无法用传统的牛顿法求解潮流方程的难点。
常用的最大功率判据有：
任意负荷节点的有功功率判据，无功功率判据以及所有负荷节点的复功率之和最大判据。
（2）潮流方程多值解法
潮流方程是种非线性代数方程组，在给定的节点注入量F，其解存在多值性。
如果系统有n个节点，其中一个选作平衡机，那么潮流方程解最多可能有2n-1个，并且解的个数随负荷水平的加重而成对减少。
当系统接近极限运行状态时，潮流雅克比矩阵接近奇异，潮流方程只有一对关于奇异点对称的解。
潮流方程多值解法存在的缺点是需要反复求解潮流方程来追踪计算注入量的多值解，因而计算量很大。
另外，还在一定程度上存在精度问题。
目前潮流方程多值解法并未得到足够的验证和实际应用。
（3）灵敏度法
灵敏度法利用系统中某些量的变化关系来分析电压稳定问题，因此，其优点是不仅能给出电压稳定的指标，而且能够方便的识别系统中各节点的强弱，给出相应采取的对策。
这类方法往往从简单系统中得出灵敏度判据，然后推广到多机复杂系统。
基于各种目的，灵敏度判据的类别有很多，常见的有、、、等。
这些判据推广到复杂系统中，实质上是转化为对某种形式的雅克比矩阵的数学性质的判断。
这里需要指出的是，在简单电力系统中，各类灵敏度判据相互等价，且能够准确的反映系统传输功率的能力，但推广到复杂系统后，则彼此不能保持一致，有时会出现判别错误。
（4）奇异值分解法
有的人认识到常规潮流雅克比矩阵的奇异度与电压稳定性之间的亲密关系，用潮流雅克比矩阵的最小奇异值作为衡量电压稳定的指标，但推导出当负荷和发电机节点的注入功率改变时变化量的近似线性表达式，同时提出了选择最优先的无功补偿节点的方法来提高电压稳定性优化计算法。
还有的利用潮流雅克比矩阵的稀疏特征，采取稀疏存贮技术并对节点编号进行优化，应用最优乘子法潮流程序迭代收敛时所对应的因子表，根据逆迭代原理快速算出及其对应的左、右奇异向量和的灵敏度，从而分析出系统电压失稳的原因，指出增加电压稳定裕量的系统调控方向。
由于奇异值分解法的计算量较大，所以针对电压稳定性的负荷节点同调识别可被用来降低雅克比矩阵的阶数，从而减少一定程度的计算量。
综上所述，这些方法的相同之处在于都不计及各类元件的动态特性，本质上都是把电力网络输送功率的极限状态作为电压静态稳定临界点。
不同之处在于各自采用不同的方法求解临界点，抓住系统在临界状态时的不同特征作为电压稳定判据。
这里需要强调的是在复杂的大系统中应酌情考虑应用这些静态研究方法，因为它们没有分析到电力系统的动态特性，常常会出现不正确的分析结果。
2.4.3基于微分方程的动态研究
电压失稳的发展演变过程中持续时间虽然很长，但本质上还是一个动态过程。
系统中所有的动态元件包括发动机及其控制系统、负荷的动态特性、OLTC及其无功补偿设备都对电压失稳有着重要影响。
从动态角度研究电压稳定问题的方法也很多，这里着重介绍以下两种方法。
（1）小扰动分析法
小扰动分析法就是把描述系统运动的非线性微分方程和代数方程在运行点处线性化，形成状态方程，并通过状态方程的特征矩阵的特征根分析来判断该运行点的稳定性。
小扰动法在电压稳定性研究中已得到广泛的重视，目前的小扰动分析法研究还不够深入，在系统模型方面还存在一定的问题，因而小扰动法的作用还限于用来检验电压稳定性机理解释的正确性，及各种动态元件所起到的影响。
由于现有的小扰动分析法采用的系统模型有很大差别，所以建立后可能简化的而又包含相关动态信息的系统模型是小扰动分析法研究的一个重要课题。
（2）分歧理论分析法
分歧理论是分析研究非线性动态系统所固有的稳定性状态及特性的崭新的数学工具。
国际电力界从80年代开始研究和应用该理论。
运用分歧理论能够很好的分析电压失稳的机理，且能够在一定程度上将功角稳定与电压稳定问题联系起来提供统一的数学分析基础。
目前存在的主要问题是要进行复杂的化简运算以便减少大量的计算量，因此尚需进行广泛深入的探索。
另外，研究电压稳定性问题的方法还有能量函数法、潮流方程的可行解域法、时域仿真法、非线性规划法等等。
它们的出现无疑为电压稳定性研究提供了新思路，但这些方法还很不成熟，尚处于艰难的探索阶段。
第三章电压稳定定性分析
我们将讨论电压稳定分析的一个基本方法，即以一个简单系统为例研究一个节点的电压与有功功率、无功功率的关系，从而扩展到电力系统的电压稳定问题。
3.1供电点的电压稳定
首先，我们要研究一个供电点的电压稳定问题。
用来表示负荷与运行电压关系的特性有两种：
第一种是得到广泛介绍的负荷电压特性，即某一固定负荷本身的有功功率或无功功率值随供电电压变化的特性。
另一种是系统受端电压功率特性，它表示由系统电源电势经输电阻抗向另一端供电时的系统运行电压特性，图（3.1）为其接线示意图。
图3.1简单系统
按单机供电方程可列出：
即（3.1a）
还有（3.1b）
并解得电压与受端负荷功率的关系：
（3.2）
上式中各量均以某一电压（KV）和某一容量（MVA）为基准的标幺值。
需要说明的是：
（1）单负荷由系统吸收无功功率时Q>0，而当负荷向系统输送无功时Q<0；
（2）P，Q均为对应于相应电压U值下的标幺值。
当=常数时，可得到一系列的曲线，如图（3.2）。
.专业.专注.
图3.2系统受端电压——无功特性
（1）一般当为定值时，曲线上只有右侧点才是稳定运行点，而在左侧的点不是稳定的运行点；
（2）曲线最高点是当时最高点的电压，即稳定运行的临界稳定电压，
（3.3）
即有功负荷越高，要求的最低稳态运行电压越高；
（3）当时，在曲线横轴的下方，也就是说，如果受端有功功率（P）过大，或系统输电电抗过大，或者系统供电电源电势过低（）时，为保持受端负荷的稳态运行，受端地区必须有足够的无功补偿，除补偿地区负荷的无功功率之外，还必须向系统送出一定的无功功率，以维持受端母线电压有足够高的运行电压水平，才能稳态的运行；而当时，受端系统可以由系统吸收或向系统送出一定的无功，具体电压水平而定。
无论在何种情况下，受端母线电压必须高于允许的最低值，以应付系统情况于受端负荷的波动，求得稳定的运行。
（4）当系统电源电动势下降，一般结果是其受端电压也将下降，从而引起负荷P，Q值的变化。
如果认为其中P对电压变化不明显，可取为定值时，则当下降，将增大，原来运行的曲线下降。
如果打算保持原来的受端母线电压，势必相应的增大受端的补偿无功功率；如果不随下降而相应的增大此无功补偿量，则受端母线电压将下降，并稳定在既满足负荷电压特性，又满足图3.2的受端电压功率特性的某一合适电压点上。
如果下降过多或P增加过多，而地区无功补偿水平不能相应的增加，则受端母线将下降到同时满足图3.2和负荷电压特性的另一新值。
当下降的新电压值滑过此种方式下（图3.2）中相应曲线的最高点，受端电压崩溃现象出现。
（5）如果由于故障使突然下降或突然增大，则运行曲线突然下移。
此时为了稳定运行，必须在受端立即投入紧急的无功功率补偿，以稳定受端电压。
另一种解除电压崩溃危险的方法是立即切除部分地区的有功负荷（包括了相应的无功Q）。
如此，不但由于P减少时曲线回移外，还由于负荷消耗的Q减少，进一步使运行点电压上升，避免了电压崩溃的发生。
式（3.2）的另一种曲线表示法可由=常数求得曲线，如图（3.3）。
图3.3系统受端电压——有功特性
（1）在=常数时的曲线上，同一个值有两个满足要求的值存在，但显然右侧点为稳定运行点，而左侧不是；
（2）极限的值为，
当，即时，
这是稳定运行的极限值，
此时（3.4）
例如当时，的最大值为0.5，当时的，在其它条件不变的情况下随着P增大，节点电压将下降，一直临界的值。
如果企图继续增加，电压崩溃现象会出现；
（3）就地Q值被补偿，曲线右移，极限的值及的值增大，系统趋于稳定；
（4）图3.3同样可用来研究传输电抗向送端系统送电的情况，此时的值为负，U为送端电压，为受端系统等价电动势。
总之，图3.1、3.2经常用来研究电压稳定性，而式（3.2）具有普遍意义，不论系统结构如何复杂，从系统中某一节点看向系统，在任一瞬间都可以把外部系统等价为一个电源电动势经传输阻抗节点供电的单机系统。
式（3.2）的唯一假定是认为对于任何传输阻抗，它只有的是电抗的成分，这一般可以认可。
3.2电网供电的电压稳定
式（3.4）为系统中一供电节点的稳态临界电压比值，，而保持该点不发生电压崩溃的基本要求是：
（3.5）
从式（3.5）中得到该供电节点的临界系统等价电动势：
（3.6）
将式（3.6）代入式（3.4）中，得到节点的木点电压稳定临界值：
（3.7）
用式（3.7）分析电网供电电压的稳定性问题：
（1）电网中某节点的供电电压临界值，是连接到该点的负荷视在功率的函数，又是连接到该点的系统等价阻抗的函数。
（2）在负荷集中的地区，如果因为无功功率补偿能力不足，或外部供电电压过低，使运行中枢纽节点电压不断下降，终止电压崩溃的最佳手段是甩负荷，其效果是降低了。
第四章负荷特性
负荷的动态响应是影响电力系统稳定的的重要因素，它能影响系统电压的动态变化，甚至会导致电压崩溃。
因为电力系统负荷时由许多不同的设备组合成的，因而建立负荷模型成为一个很困难的问题。
解决它的关键是确认在某个给定的时间负荷的组成及如何模拟负荷集合。
为了理解电压稳定的性质及它与负荷动态性的关系，我们首先来分析单个负载。
首先我们介绍与电压相关的负荷。
着重指数型和多项式类型，然后从功率补偿的角度介绍负荷的动态性，在此基础上分析一个重要的功率补偿元件——感应电动机，最后进行总结。
4.1与电压有关的负荷
4.1.1.负荷特性
负荷特性只当负荷所消耗的有功或无功功率是电压的函数或独立变量时有功功率和无功功率的表达式。
我们将作为独立变量的有功功率无功功率成负荷需用量，则有些列负荷特性的表达式：
P=P（Z,V）（4.1a）Q=Q（Z,V）（4.1b）
我们将着重分析实际消耗度和功率（P,Q）与负荷需用量之间的区别，这可以帮助我们理解电压不稳的基本原理，及增大需用量可能导致消耗功率的减少。
4.1.2指数型负荷
指数型负荷时一种广泛使用的负荷特性，表达式是如下：
（4.2a）
（4.2b）
Z是无量纲的需求变量，是基准电压，指数、决定于负荷的类型。
，是在时消耗的有功和无功功率，称作额定负荷功率，与消耗的功率P、Q形成比较。
三种特殊的情况应该注意：
==2时恒阻抗性负荷（标注为Z）
==1时恒电流性负荷（标注为I）
==0时恒功率性负荷（标注为P）
表4.1为一系列分数型负荷指数的例子。
负荷元件
白灯
1.54
—
空调
0.5
2.5
高炉风扇
0.08
1.6
充电器
2.59
4.06
电子荧光灯
0.95~1.03
0.31~0.46
日常荧光灯
2.07
3.21
表4.1
、决定了负荷功率对电压的灵敏度。
假定基准电压为，此时负荷的有功功率为，则有功对于电压的灵敏度为：
对无功功率亦有类似的表达式，整理两个式子，得到（在时求取灵敏度）
（4.3a）
（4.3b）
这样整定后的有功功率和无功功率的灵敏度等于相应地负荷指数，且整定后的灵敏度对任何基准电压都相同。
4.1.3多项式负荷
从表4.1中看出，负荷元件由不同的电压特性，对应的负荷表达式时又有相同或相近指数的元件合并得到。
若指数为整数，负荷特性变为电压V的多项式。
ZIP模型是一个特殊的例子，它由三部分组成：
恒
升级会员 