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