試論電力電壓穩(wěn)定及控制的重要性

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0 引言
　　
　　近幾年,隨著各種科技日益的更新及發(fā)展,電力系統(tǒng)已經(jīng)進入到了一個新時代。由于系統(tǒng)日益復雜化,使得電力系統(tǒng)中的電壓穩(wěn)定性問題越來越突出,成為了現(xiàn)代電力系統(tǒng)要解決的重要問題之一。而各地先后發(fā)生了多起由于電壓失穩(wěn)導致的大面積停電事故,造成了巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的社會影響,因此,如何解決電壓穩(wěn)定及控制技術,避免電壓崩潰事故的發(fā)生,具有重要的意義。
　　
　　1 電壓的穩(wěn)定的重要性
　　
　　在電力系統(tǒng)中電壓的穩(wěn)定性,是指從給定的初始運行條件出發(fā),遭受擾動后電力系統(tǒng)在所有母線上保持穩(wěn)定電壓的能力,它依賴于電力系統(tǒng)中保持或恢復負荷需求和負荷供給平衡的能力。可能發(fā)生的失穩(wěn),表現(xiàn)為一些母線上的電壓下降或升高。電壓的穩(wěn)定,是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標之一。電壓的失穩(wěn),將造成電力系統(tǒng)中負荷的喪失、傳輸線路的跳閘、系統(tǒng)的級聯(lián)停電,以及發(fā)電機異步等情況。由于電壓失穩(wěn)的情況復雜多變,在探討電壓穩(wěn)定性技術時,必須對電壓穩(wěn)定性能進行分類。最新的電壓穩(wěn)定性能分類,主要從2個角度進行劃分:
　　 1)從外界擾動性質出發(fā)的電壓穩(wěn)定性劃分從外界擾動的性質出發(fā),可分為:
　　(1)大擾動電壓穩(wěn)定。指系統(tǒng)在遭受大的擾動后,保持電壓穩(wěn)定的能力;
　　(2)小干擾電壓穩(wěn)定。指系統(tǒng)在遭受小的擾動如系統(tǒng)負荷增加后,保持電壓穩(wěn)定的能力。
　　2)從時間范圍的角度出發(fā),電壓的穩(wěn)定性可以分為:
　　(1)短期電壓穩(wěn)定。包含快速動作元件如感應電動機、電子控制負荷、HVDC變流器的動態(tài)過程;
　　(2)長期電壓穩(wěn)定。涉及慢動作設備如變壓器分接頭、溫控負荷、發(fā)電機勵磁電流限制器等。
　　
　　2 電壓穩(wěn)定性的分析
　　
　　2.1造成電壓不穩(wěn)的主要原因
　　從電壓穩(wěn)定性能的原理和分類中可以看出,造成電壓不穩(wěn)的主要原因表現(xiàn)在2個方面:
　　1)長線路遠距離輸電,且其使用強度日益接近其極限值,由于功率源和電壓源離負荷很遠,其補償電壓損耗和功率損耗的能力愈趨困難;
　　2)負荷側所帶負載太重,造成高壓線路上傳輸電流增大,電壓損耗和功率損耗(包括有功和無功功率)增加,發(fā)電機越限時不能補償電壓和功率的損失,致使負荷側電壓下降甚至崩潰。
　　當負荷水平較重和系統(tǒng)無功不足的情況下,當有擾動發(fā)生時,發(fā)電機過勵限制器和負荷有載調壓變壓器等,這些慢動態(tài)裝置的相互作用,會使系統(tǒng)動態(tài)電壓發(fā)生不穩(wěn)定。
　　2.2 分析電壓穩(wěn)定性能的技術
　　分析電壓穩(wěn)定性能的技術,主要從無功和負荷2個點著手:
　　1)無功不足的電壓失穩(wěn)分析。通常認為,有功與頻率有關,而無功與電壓有關。這種說法雖不嚴謹,但也有其一定道理。從無功和電壓的關系分析電壓穩(wěn)定性,可以如下表述:當節(jié)點的電壓幅值隨這個節(jié)點的無功支持的增加而增加時,則認為系統(tǒng)是電壓穩(wěn)定的;而當其中至少有一個節(jié)點的電壓幅值,隨這個節(jié)點的無功支持的增加反而降低時,認為系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。比如,當系統(tǒng)中所有節(jié)點的U-Q靈敏度都為正時,對應電壓穩(wěn)定狀態(tài);只要系統(tǒng)中有一個或多個節(jié)點的U-Q靈敏度為負時,對應于系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。系統(tǒng)中無功功率損耗很高,并且遠大于有功功率損耗。當系統(tǒng)中無功功率短缺時,會造成電壓水平的低下,當系統(tǒng)發(fā)生某些微小擾動時,有可能會使某些樞紐變電所母線電壓不穩(wěn),其母線電壓可能在頃刻之間就大幅度下降,不僅會造成電壓不穩(wěn)現(xiàn)象,更嚴重的還可能發(fā)展為電壓崩潰事故。
　　2)負荷突增時的電壓失穩(wěn)的分析?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)的電壓失穩(wěn),常常發(fā)生在系統(tǒng)負荷很重的情況下。當負荷接近極限時,如果再增加少量負荷,系統(tǒng)電壓可能就會突然急劇下降,嚴重時甚至不能控制,導致電壓失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。負荷特性很大程度上決定了電壓失穩(wěn)/電壓崩潰的歷程。
如果一個電力系統(tǒng)處于重載情況,假定負荷已接近于臨界狀態(tài),無功電源已達極限,無法再提供多余的無功支持時,系統(tǒng)發(fā)生很小的電壓降低,或負荷稍微增加一點,都會打破系統(tǒng)的平衡,導致系統(tǒng)的局部電壓失去穩(wěn)定,最終結果可能就是整個系統(tǒng)的電壓崩潰。
　　2.3 電壓失穩(wěn)的形式
　　1)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題。緩慢增加的負荷,導致了負荷端母線電壓也慢慢下降,當電壓下降到電力系統(tǒng)所能承受的最大負荷極限值,或接近這一極限值時,當繼續(xù)增加負荷、系統(tǒng)發(fā)生故障或系統(tǒng)運行的正常操作等擾動發(fā)生,都會使負荷母線電壓發(fā)生不可逆轉的突然下降,而且在電壓突然下降之前的整個過程中,并未發(fā)現(xiàn)發(fā)電機轉子角度和母線電壓相角有很大變化。
　　2)動態(tài)電壓穩(wěn)定問題。電力系統(tǒng)發(fā)生故障后,運行人員會采取一些控制糾正措施來保證系統(tǒng)的功角暫態(tài)穩(wěn)定和維持系統(tǒng)的頻率;但如果系統(tǒng)結構已經(jīng)變得很脆弱了,或者系統(tǒng)中電源支持負荷的能力變弱了,那么緩慢的負荷恢復過程,也可能會導致電壓的失穩(wěn)。由于電力系統(tǒng)在發(fā)生電壓失穩(wěn)之前,己經(jīng)處于一個動態(tài)過程中,因此,發(fā)電機及其控制器、負荷的動態(tài)行為,都會對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
　　3)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題。在電力系統(tǒng)發(fā)生大擾動(如系統(tǒng)故障等)時,發(fā)電機之間發(fā)生相對搖擺,同時系統(tǒng)中某些負荷母線的電壓,會發(fā)生不可逆轉的突然下降,而此時發(fā)電機之間的相對搖擺,可能還未達到功角失穩(wěn)的程度。
　　
　　3 電壓穩(wěn)定控制的措施
　　
　　電壓穩(wěn)定控制,是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的重要組成部分。由于在很多實際的電壓失穩(wěn)事例中,完全沒有功角不穩(wěn)定即將來臨的跡象,因此,針對電壓失穩(wěn)的情況的電壓控制,非常有進行探討的必要。電壓控制,是在電壓發(fā)生故障或者負荷連續(xù)快速增長的情況下,電力系統(tǒng)進入危險狀態(tài)、處于電壓失穩(wěn)或者電壓崩潰的過程中,通過采取適當?shù)拇胧?使電力系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài),或者暫時進入恢復狀態(tài)的控制。
　　3.1保證電壓穩(wěn)定的兩種控制措施
　　通常保證電壓穩(wěn)定性,一般可以采取兩種控制措施:預防控制和緊急控制。根據(jù)約束條件是否滿足,電力系統(tǒng)運行可分為正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急狀態(tài)、極端緊急狀態(tài)(電壓崩潰)和恢復狀態(tài)。
　　1)預防控制。在系統(tǒng)進入電壓警戒狀態(tài)時進行,主要通過在系統(tǒng)運行于穩(wěn)定邊界時,設定無功校正裝置的動作整定值,以及校正現(xiàn)場控制器的可控變量,將系統(tǒng)運行點拉回到穩(wěn)定區(qū)域。