電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的再認(rèn)識(shí)

近年來隨著電力系統(tǒng)從發(fā)電、輸電的一體化體制演變到開放和競爭的環(huán)境， 電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行的不確定性和不安全因素增加， 電壓不安全已經(jīng)成為限制電 力傳輸?shù)闹饕蛩刂弧?世界上許多國家相繼發(fā)生由電壓穩(wěn)定問題導(dǎo)致的大面積 停電事件，世界各國目前對電壓穩(wěn)定性的研究十分重視,IEEE 和 CIGRE 還成立 了專門工作組調(diào)查和研究電壓穩(wěn)定性問題，并進(jìn)行了大量的研究工作。

早期研究普遍認(rèn)為電壓穩(wěn)定問題是一個(gè)靜態(tài)問題， 或者認(rèn)為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)對電 壓穩(wěn)定的影響很慢，從而將電壓穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)換為平衡點(diǎn)的存在性問題研究集中在以潮流為工具的靜態(tài)方法上。 隨著研究的深入，人們正在逐漸認(rèn)識(shí)電壓穩(wěn)定性 的動(dòng)態(tài)本質(zhì)， 從而開始重點(diǎn)研究電壓崩潰的動(dòng)態(tài)機(jī)理和系統(tǒng)模型的需求，并提出 了一些有關(guān)電壓穩(wěn)定性的分析方法和防止電壓崩潰的對策。 對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及分岔理論的學(xué)習(xí)已有 8 個(gè)多月， 本學(xué)期的課程也上 了過半，下面我將就此問題談?wù)勎业恼J(rèn)識(shí)。

一、電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象及其解釋

對于電壓穩(wěn)定性，IEEE 和 CIGRE 工作組已經(jīng)給出了簡明的定義，然而對于 這類已有的概念，有必要對“電壓不穩(wěn)定”進(jìn)行定義。

電壓不穩(wěn)定性源自負(fù)荷動(dòng)態(tài)具有使耗電量恢復(fù)到超過傳輸系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng) 容量的趨勢。

下面逐字的解釋這個(gè)描述性的定義：

電壓：在許多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，以大的、不可控的電壓降落的形式所揭示 的現(xiàn)象。 不穩(wěn)定性：已經(jīng)超過最大傳輸功率的限制，負(fù)荷功率恢復(fù)機(jī)制變得不穩(wěn) 定，所消耗的功率減少而不是上升。這個(gè)機(jī)制是電壓不穩(wěn)定性的核心。

動(dòng)態(tài)：任何穩(wěn)定性問題都涉及到動(dòng)態(tài)。這些動(dòng)態(tài)行為可以通過微分方程 (連續(xù)動(dòng)態(tài))或者差分方程(離散動(dòng)態(tài))來建模。

負(fù)荷電壓是不穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)源，就這個(gè)原因而言，這個(gè)現(xiàn)象也成為負(fù)荷 不穩(wěn)定性。

傳輸系統(tǒng)， 對能量傳遞來說， 正如從電路理論所知， 有一個(gè)有限的容量。 這個(gè)限制(也受到發(fā)電系統(tǒng)的影響)標(biāo)志著電壓不穩(wěn)定性的開始。

發(fā)電：發(fā)電機(jī)并不是理想的電壓源。發(fā)電機(jī)的精確建模(包括控制器) 對于正確地評估電壓穩(wěn)定性是非常重要的。

二、電壓穩(wěn)定性研究方法

1、早期基于靜態(tài)的研究方法

早期人們簡單地將電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)問題看作系統(tǒng)過載引起， 從而將其視為 靜態(tài)問題。 利用代數(shù)方程研究電壓的穩(wěn)定性， 大體上可以歸納為最大傳輸功率法、潮流多值法、 潮流雅可比矩陣奇異法和靈敏度分析等， 其中延拓潮流 (CPFLOW) 在求取系統(tǒng) P-U 曲線中得到了廣泛的應(yīng)用。它使用延拓法跟蹤負(fù)荷和發(fā)電機(jī)功 率變化情況下電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)行為， 通過求解增廣潮流方程得到穿越雅可比矩陣 奇異點(diǎn)(“鼻尖”點(diǎn))的解曲線，并且不會(huì)碰到病態(tài)的數(shù)值困難。延拓潮流使用預(yù) 估-校正方案找出隨負(fù)荷參數(shù)變化的潮流解路徑。

總之， 靜態(tài)方法的優(yōu)點(diǎn)是將一個(gè)復(fù)雜的微分方程解的性態(tài)研究看成是簡單的 非線性代數(shù)方程實(shí)數(shù)解的存在性研究,其缺點(diǎn)是不能反映各元件的動(dòng)態(tài)特性，且 將電力系統(tǒng)的潮流極限作為小干擾電壓穩(wěn)定的極限點(diǎn)， 而這僅是電壓穩(wěn)定的必要 條件而非充分條件，因而其結(jié)果大多是樂觀的。

2、基于動(dòng)態(tài)的研究方法

經(jīng)歷了靜態(tài)研究方法之后， 電壓的動(dòng)態(tài)屬性受到了重視，電力系統(tǒng)是典型的 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)， 和功角穩(wěn)定性一樣， 系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性也屬于一類動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 問題。理論上，考慮了元件的動(dòng)態(tài)特性更能揭示電壓失穩(wěn)過程的本質(zhì)。值得注意 的是， 電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象并不總是孤立地發(fā)生。功角不穩(wěn)定和電壓不穩(wěn)定的發(fā)生常 常交織在一起，一般情況下其中的一種占據(jù)主導(dǎo)地位!但并不易區(qū)分。然而，人 為地將功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性區(qū)分開，對于充分了解系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，進(jìn)而 制定系統(tǒng)的運(yùn)行方式和穩(wěn)定控制策略是相當(dāng)重要的。動(dòng)態(tài)分析方法，主要是小干 擾分析和時(shí)域仿真法得到了廣泛的應(yīng)用，具體可分為小干擾電壓穩(wěn)定性分析、暫 態(tài)電壓穩(wěn)定性分析和長期電壓穩(wěn)定性分析三部分。

三、電壓穩(wěn)定控制措施研究

在線電壓穩(wěn)定控制的三個(gè)關(guān)鍵模塊是電壓穩(wěn)定指標(biāo)計(jì)算、 預(yù)想事故選擇以及 控制措施。物理意義明確、計(jì)算速度快、精度高的電壓穩(wěn)定指標(biāo)可以為運(yùn)行人員 提供系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕量， 明確系統(tǒng)電壓穩(wěn)定程度;而預(yù)想事故自動(dòng)選擇的目的是 根據(jù)所選擇的某一電壓穩(wěn)定指標(biāo)對大量的預(yù)想事故進(jìn)行過濾， 從而確定對系統(tǒng)電 壓穩(wěn)定性有嚴(yán)重影響的事故，達(dá)到減少計(jì)算量的目的#控制措施則針對所選擇的 嚴(yán)重事故進(jìn)行詳細(xì)分析并確定相應(yīng)的控制策略。

四、電壓穩(wěn)定性分析展望和研究動(dòng)向

1、電壓穩(wěn)定性分析模型

在電壓穩(wěn)定分析中， 關(guān)注的是各母線電壓的變化情況，故可對一些對電壓影 響較小的物理量的變化規(guī)律作某些近似假設(shè)， 從而在模型的復(fù)雜性和合理性之間 取得合理折衷。

目前， 電壓穩(wěn)定分析的很多方法尚未經(jīng)歷模型從復(fù)雜到簡單的提煉過程，基 于簡單模型的分析結(jié)果往往值得商榷。一種理性的思路是：首先研究單個(gè)復(fù)雜、 準(zhǔn)確的元件模型對電壓變化規(guī)律的影響，然后研究多個(gè)復(fù)雜、準(zhǔn)確的元件模型對 電壓變化規(guī)律的綜合影響，從中抓住主要矛盾，簡化模型，達(dá)到分析的簡單性和 復(fù)雜性的合理折衷。

2、電壓穩(wěn)定性分析方法

所有基于靜態(tài)的研究方法本質(zhì)上都是利用潮流及其改進(jìn)形式作為研究工具， 未涉及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)， 因而所得 “極限” 通常只是 “功率極限” 而非 “電壓穩(wěn)定極限” ， 其合理性需要接受基于動(dòng)態(tài)的研究方法的檢驗(yàn)。 但靜態(tài)方法在獲得系統(tǒng)極限運(yùn)行狀態(tài),指導(dǎo)調(diào)度方面起到重要作用，也是動(dòng)態(tài)分析方法的基礎(chǔ)!在一段時(shí)間內(nèi)將依 舊存在且廣泛應(yīng)用。其關(guān)鍵問題是如何把握靜態(tài)分析方法的應(yīng)用范圍和適用條 件，如何衡量誤差范圍。此外，系統(tǒng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定和功角靜態(tài)穩(wěn)定的鑒別方法仍 然是一個(gè)需要研究的課題。

小干擾電壓穩(wěn)定分析方法具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，開發(fā)計(jì)算速度快!對各種控 制系統(tǒng)有良好適應(yīng)性的特征分析方法是其關(guān)鍵所在。在分析過程中，應(yīng)該設(shè)法降 低系數(shù)矩陣的階數(shù)， 識(shí)別保留對電壓穩(wěn)定影響貢獻(xiàn)大的元件，正確確定需要加以 詳細(xì)描述的元件模型。

毫無疑問， 時(shí)域仿真法是檢驗(yàn)一切分析方法的準(zhǔn)繩，探討新的快速時(shí)域仿真 方法，如采用并行計(jì)算技術(shù)，加快計(jì)算速度，力求達(dá)到暫態(tài)電壓穩(wěn)定的實(shí)時(shí)仿真 是需要研究的課題。此外，對模型參數(shù)要進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)測定，力求用可信參數(shù)進(jìn) 行暫態(tài)電壓穩(wěn)定分析，并且對仿真的輸出結(jié)果進(jìn)行分析，以便給出穩(wěn)定裕度、穩(wěn) 定極限。 同時(shí)， 應(yīng)該探討時(shí)域仿真法和模式識(shí)別、 人工智能等理論相結(jié)合的方法。

3、電壓穩(wěn)定控制措施

為了達(dá)到實(shí)時(shí)電壓穩(wěn)定監(jiān)視的目的!急需開發(fā)一種有實(shí)際物理意義并且適合 在線應(yīng)用的電壓穩(wěn)定指標(biāo)。 這種指標(biāo)應(yīng)該基于動(dòng)態(tài)模型并且具有良好的線性。雖 然裕度指標(biāo)已經(jīng)在實(shí)際系統(tǒng)中得到初步應(yīng)用， 但裕度指標(biāo)的計(jì)算速度和過渡過程 還需要加以提高和精確模擬，否則將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。從目前研究看，盡管許 多電壓穩(wěn)定指標(biāo)已被提出， 但由于各種指標(biāo)都采用了不同程度的簡化，其準(zhǔn)確性 與合理性需要通過動(dòng)態(tài)方法進(jìn)行驗(yàn)證。此外，就筆者所了解，目前大多數(shù)指標(biāo)都 是確定性指標(biāo)， 隨著系統(tǒng)的不斷增大，有必要開發(fā)反映系統(tǒng)電壓穩(wěn)定程度的概率 性指標(biāo)。

為了更有效地對電力系統(tǒng)進(jìn)行控制， 要充分利用先進(jìn)的通信手段和控制理論 開發(fā)有效的電壓失穩(wěn) 預(yù)防性控制措施和緊急控制措施。要充分利用 GPS 測得的數(shù)據(jù)，對電壓穩(wěn) 定特別是長期電壓穩(wěn)定有可靠的預(yù)測， 重點(diǎn)是開發(fā)廣域的系統(tǒng)保護(hù)策略和閉環(huán)控 制以便使系統(tǒng)的運(yùn)行狀況更好。 在多機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)中，功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定互相影 響和關(guān)聯(lián)， 不能將本來就有關(guān)聯(lián)的問題人為的加以分割，高質(zhì)量的穩(wěn)定控制決策 需要能夠識(shí)別潛在的失穩(wěn)模式， 找出最安全的調(diào)度方向，并對預(yù)防措施和緊急控 制加以協(xié)調(diào)。 現(xiàn)有緊急控制多為離散性控制，其控制措施對穩(wěn)定的影響不一定與 控制量成正比，有時(shí)候還可能有負(fù)作用，特別是當(dāng)多重事故發(fā)生時(shí)，這些控制手 段之間的不配合本身就是導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解的原因之一。 如何將各種控制措施良好的 配合適用，如何減少控制策略中由于系統(tǒng)非線性、復(fù)雜性、離散性和結(jié)果難于實(shí) 際實(shí)施等方面的影響=如何建立控制手段優(yōu)先級等是應(yīng)進(jìn)一步研究的課題。

五、結(jié)語

目前， 電壓穩(wěn)定性分析的模型和方法多種多樣，研究人員從不同的角度研究 電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題。 從目前的電壓穩(wěn)定性的研究工作看，雖然取得了很大 的進(jìn)展， 但仍不能認(rèn)為其理論體系已經(jīng)成熟，還有許多遺留和將遇到的問題需要 解決。隨著大量的學(xué)者介入電壓穩(wěn)定性研究，電壓穩(wěn)定性問題的概念形成、數(shù)學(xué) 模型的建立、失穩(wěn)機(jī)理的正確解釋以及控制措施的提出是指日可待的。