電壓穩(wěn)定分析

1、電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定n緒言n基本分析方法n簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析n復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析n改善電壓穩(wěn)定性的技術(shù)和措施 1 緒言電力系統(tǒng)穩(wěn)定： 能長(zhǎng)期正常運(yùn)行的平衡狀態(tài)，且在遭受擾動(dòng)后能恢復(fù)到一個(gè)容許的平衡狀態(tài)，則稱該電力系統(tǒng)是穩(wěn)定的。分類： 功角穩(wěn)定 電壓穩(wěn)定 頻率穩(wěn)定世界上電壓穩(wěn)定大事故： 1972年7月27日， 中國(guó)湖北電網(wǎng) 1973年7月12日， 中國(guó)大連電網(wǎng) 1978年12月19日，法國(guó)電網(wǎng) 1983年12月27日，瑞典電網(wǎng) 1987年7月23日， 日本東京電網(wǎng) 1989年3月13日， 加拿大魁北克電網(wǎng) 1996年7月2日， 美國(guó)西部聯(lián)合電網(wǎng)（WSCC） 1 緒言 1 緒言電壓失穩(wěn)

2、的特點(diǎn)： 事故發(fā)生具有突然性和隱蔽性。運(yùn)行人員在電壓不穩(wěn)定事故發(fā)生初期很難察覺。 事故發(fā)展具有不可控性。電壓不穩(wěn)定一旦發(fā)生，若不能及時(shí)地采取緊急控制來阻止電壓的下降，最終可能會(huì)導(dǎo)致全系統(tǒng)大面積電壓崩潰。 事故發(fā)生時(shí)系統(tǒng)一般處于負(fù)荷過載狀態(tài)。 1 緒言一、電壓穩(wěn)定性（Voltage Stability） 是指在正常運(yùn)行情況下或者遭受干擾后，電力系統(tǒng)維持所有母線電壓在可以接受的穩(wěn)態(tài)值的能力。區(qū)別：v功角穩(wěn)定性：同步發(fā)電機(jī)間保持同步運(yùn)行的能力。v電壓穩(wěn)定性：維持所有母線電壓的能力。在系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性分析中，主要關(guān)注負(fù)荷點(diǎn)電壓的行為，因此電壓穩(wěn)定性有時(shí)也稱為負(fù)荷穩(wěn)定性。二、電壓崩潰（Voltage C

3、ollapse） 是指電力系統(tǒng)在遭受一系列故障后導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)大面積、大幅度的母線節(jié)點(diǎn)電壓持續(xù)性下降的過程。 1 緒言 1 緒言三、電壓安全性（Voltage Security） 它不僅指一個(gè)系統(tǒng)不發(fā)生電壓失穩(wěn)的能力，還包括在出現(xiàn)任何適當(dāng)而可信的預(yù)想事故或有害的狀態(tài)變更后，系統(tǒng)維持電壓穩(wěn)定的能力。區(qū)別：v電壓穩(wěn)定性：強(qiáng)調(diào)在正常運(yùn)行和某種故障條件下維持所有母線電壓在可以接受的水平的能力。v電壓安全性：強(qiáng)調(diào)在任意適當(dāng)而可信的預(yù)想事故或者狀態(tài)變更后都能確保系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的能力。v電壓安全性比電壓穩(wěn)定性要求更高。 1 緒言四、電壓不穩(wěn)定（Voltage Instability） 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)、負(fù)荷增大或者

4、系統(tǒng)變更后使得一些母線電壓急劇下降或者向下漂移，并且運(yùn)行人員和自動(dòng)裝置的控制已經(jīng)無法終止這種電壓衰落，從而使得系統(tǒng)的完整性遭到破壞，功率不能正常的傳送給用戶，則稱此時(shí)系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。注意：v電壓不穩(wěn)定最終可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果電壓崩潰。 1 緒言電壓穩(wěn)定性的分類：（1）小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定：負(fù)荷的小幅波動(dòng)等。（2）大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定：如短路，切大機(jī)組或大負(fù)荷等 （a）暫態(tài)電壓穩(wěn)定：十幾秒之內(nèi)。 （b）中期電壓穩(wěn)定：15分鐘之內(nèi)。 （c）長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定：5分鐘到數(shù)小時(shí)之內(nèi)。 1 緒言電壓穩(wěn)定性的研究?jī)?nèi)容：（1）電壓不穩(wěn)定的接近程度： 系統(tǒng)離電壓不穩(wěn)定的邊界有多遠(yuǎn)？（2）電壓不穩(wěn)定的機(jī)理： 電壓不穩(wěn)定是怎樣

5、發(fā)生和發(fā)展的？ 引起電壓不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素是什么？ 哪里是電壓薄弱區(qū)域？ 什么措施對(duì)改善電壓穩(wěn)定性比較有效？ 1 緒言對(duì)電壓穩(wěn)定性有重要影響的元件：（1）負(fù)荷（2）發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁控制裝置（3）靜止無功補(bǔ)償器（SVC）（4）保護(hù)和控制系統(tǒng)（5）OLTC、HVDC系統(tǒng)對(duì)這些元件需要建立詳細(xì)的模型。 2 基本分析方法電壓穩(wěn)定性的分析方法：（1）靜（穩(wěn)）態(tài)分析方法 基于潮流方程或擴(kuò)展潮流方程的分析方法。（2）動(dòng)態(tài)分析方法 基于微分代數(shù)方程組的研究方法 2 基本分析方法靜態(tài)分析方法的研究?jī)?nèi)容：（1）電壓穩(wěn)定性指標(biāo)靈敏度分析法，特征值（模式）分析法，奇異值分解法，連續(xù)潮流法，零特征根法，非線性規(guī)劃法，最近電

6、壓崩潰點(diǎn)法等。（2）電壓崩潰預(yù)防/緊急控制，電壓穩(wěn)定約束無功優(yōu)化 2 基本分析方法動(dòng)態(tài)分析方法的研究?jī)?nèi)容：（1）小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定分析： 線性化，求取特征值。（2）暫態(tài)電壓穩(wěn)定分析：時(shí)域仿真法、分叉理論、Lyapunov穩(wěn)定性理論（3）中長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定分析：時(shí)域仿真法，模擬OLTC及低壓減載等自動(dòng)裝置的動(dòng)作邏輯。 2 基本分析方法電壓穩(wěn)定與功角穩(wěn)定的聯(lián)系 單機(jī)單負(fù)荷或單機(jī)多負(fù)荷系統(tǒng)只存在電壓穩(wěn)定問題，單機(jī)無窮大系統(tǒng)只存在功角穩(wěn)定性問題，對(duì)于其他系統(tǒng)，則電壓穩(wěn)定性問題和功角穩(wěn)定性問題將同時(shí)存在。 通過特征值分析或數(shù)值仿真一般能給出失穩(wěn)的主要因素。 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析LLjQP .LV.sE

7、LZDZI研究下圖：DLsZZEI.則LssDLDLZEIZZZZk),cos(212其中：，故線路電流的幅值為：)1(11kIIZEkIsLs 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析sDLDDLEZZZZIV.則故負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓 的幅值為：LV)2(11LDsLsLDLZZkEVEZZkVsincos22.LsDLLsDLLLLZEkZQZEkZPIVjQP 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析令 ，則當(dāng) ， DLZZx 0dxdPL0dxdQL時(shí)可以求出：LPLQ 和 取最大值 、 ：maxLPmaxLQ，當(dāng)LDZZsin)cos(1(2cos)cos(1(22max2maxLsLLsLZEQZEP)3(

8、)cos(21)cos(122maxmaxxxxQQPPLLLL 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析則：)1(1kIIs)2(1LDsLZZkEV)3()cos(21)cos(122maxmaxxxxQQPPLLLL 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析 可以得到母線電壓、負(fù)荷功率、線路電流與負(fù)荷阻抗之間的關(guān)系：DLZZ/1.00max/LLPP1.0sII /sLEV /2x1x為非正常運(yùn)行點(diǎn)。為正常運(yùn)行點(diǎn)，注：21xx 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析不同功率因數(shù)條件下的P-V曲線max/LLPP1.001.0超前90. 0sLEV /0.5臨界點(diǎn)軌跡超前95. 00 . 1滯后95. 0滯后90.

9、0的界點(diǎn)軌跡之上才是理想只有系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)位于臨注： 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析線路傳輸不同有功功率條件下的Q-V曲線LV0LQ5 .0p75.0p0 .1p1v2v3v 在Q-V曲線上半分支運(yùn)行是電壓穩(wěn)定的，下半分支則是電壓不穩(wěn)定的。 線路傳輸?shù)挠泄β试酱?，其臨界電壓值越高，電壓不穩(wěn)定的危險(xiǎn)也越大。：臨界電壓點(diǎn)、321vvv 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析負(fù)荷靜特性對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響LV0LP恒阻抗負(fù)荷 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析負(fù)荷靜特性對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響LV0LP恒電流負(fù)荷 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析負(fù)荷靜特性對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響LV0LP恒功率負(fù)荷 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分

10、析負(fù)荷靜特性對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響LV0LPZIP負(fù)荷 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析負(fù)荷動(dòng)特性與攝動(dòng)分析LV0LP 2GVVPGTsp 2BVVQBTsq 3 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析總結(jié)1 電壓不穩(wěn)定發(fā)生的主要原因：（a）負(fù)荷所需的功率超過了線路所能傳輸?shù)淖畲蠊β?；（b）電源離負(fù)荷中心過遠(yuǎn)；（c）電源電壓過低；（d）無功補(bǔ)償不足。2 判斷電壓穩(wěn)定的方法：（a）畫出負(fù)荷節(jié)點(diǎn)在恒功率因數(shù)下的P-V曲線（b）畫出負(fù)荷節(jié)點(diǎn)在恒有功傳輸功率下的Q-V曲線4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析連續(xù)潮流基本方程0bxf)(nRx)(xfnRb為n維函數(shù)向量為實(shí)參變量，從物理的角度說，它實(shí)際上在一定程度上代表著系統(tǒng)

11、的負(fù)荷水平。 為負(fù)荷增長(zhǎng)方向連續(xù)潮流基本方程有n+1個(gè)變量，但只有n個(gè)方程，實(shí)際上是n+1維空間上的一條曲線。為求得定值解，必需增加一個(gè)方程。4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析逐點(diǎn)計(jì)算法0bxf)(p4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析弧長(zhǎng)連續(xù)法0bxf)(niiiSxx122020)()(nipiipxxS120202)()(4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析同倫連續(xù)法0bxf)(niipipiipiipxxxx1000)()(4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析局部參數(shù)連續(xù)法0bxf)(pkkxx 4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析連續(xù)潮流法說明圖將擴(kuò)展方程用g(x,)=0表示,則：連續(xù)潮流法存在的問題 ( )

12、( , ) xTxgg fbxf xbxg崩潰點(diǎn)處 fx 奇異正交變換？三角分解選主元？4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析連續(xù)潮流法的改進(jìn) ( ) ( ) ( )0 1 0 0 0 xaaxakxabaaaaxkaxkkxkbkkkkxbaxbkxbbbbbbfffbxfxbfffbxfxbfffbxfxb0kx4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析連續(xù)潮流法的改進(jìn) ( ) ( ) ( )xaaxabaaaaxbaxbbbbbbxkaxkbkkkffbxfxbffbxfxbffbfxb0kx4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析切線預(yù)測(cè)法4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析0bxfddx對(duì)連續(xù)潮流基本方程求全微分可得：

13、0bxfxbxfxxf，良態(tài)，令若1 ，有1否則kx，令 0 00 axaaxakxabakxkaxkkxkbkbxbaxbkxbbb xfffbxfffbxfffb切線預(yù)測(cè)法的改進(jìn) 0-1 00 axaaxakxabaxkaxkkxkbkbxbaxbkxbbb xfffbfffbxfffb4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析 xaaxabaaxakxkaxkbkbxkkxbaxbbbxbkffbxfffbxfffbf xaaxabaaxakxbaxbbbbxbkxkaxkbkxkkffbxfffbxfffbf發(fā)電機(jī)無功出力限制的考慮4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析 II I P V PoC 考慮無功

14、限制時(shí)的 PV 曲線之一 II I P V PoC 考慮無功限制時(shí)的 PV 曲線之二 =將臨界點(diǎn)的求取轉(zhuǎn)化為最大化負(fù)荷問題，而后采用非線性規(guī)劃的方法求解。非線性規(guī)劃法采用原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法求解電壓崩潰臨界點(diǎn)問題，算法的收斂速度快，收斂可靠性高。4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析0bxf)( .tsmax連續(xù)潮流法與非線性規(guī)劃法比較算法算法連續(xù)潮流法連續(xù)潮流法非線性規(guī)劃法非線性規(guī)劃法計(jì)算速度計(jì)算速度相對(duì)較慢相對(duì)較慢相對(duì)較快相對(duì)較快能否提供能否提供P-V曲線曲線能提供能提供不能不能收斂可靠性收斂可靠性極高極高較高較高能否處理負(fù)裕度情況能否處理負(fù)裕度情況 不能不能能能在線電壓穩(wěn)定監(jiān)視（N-x）：以非線性規(guī)劃法

15、為主、連續(xù)潮流法為輔4 復(fù)雜電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定分析 5 改善電壓穩(wěn)定性的技術(shù)和措施一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)措施： 采用串聯(lián)電容器：減小線路阻抗，降低線路無功網(wǎng)損； 應(yīng)用無功補(bǔ)償裝置：如采用并聯(lián)電容器或者靜止無功 補(bǔ)償器（SVC）以提供無功支持； 低電壓甩負(fù)荷； 低功率因數(shù)發(fā)電機(jī)； 控制有載調(diào)壓器（OLTC）分接頭； 控制網(wǎng)絡(luò)電壓和發(fā)電機(jī)無功輸出：如法國(guó)和意大利電力公司開發(fā)的“二次電壓控制”軟件，東京電力公司開發(fā)的“自適應(yīng)無功控制”軟件。 5 改善電壓穩(wěn)定性的技術(shù)和措施二、系統(tǒng)運(yùn)行措施： 確保一定的電壓穩(wěn)定裕度； 足夠的旋轉(zhuǎn)備用； 利用發(fā)電機(jī)的無功過負(fù)荷能力； 在較高電壓下運(yùn)行； 調(diào)度員的作用：正確識(shí)別，正

16、確及時(shí)地控制和補(bǔ)救措施。00min, , sfw S0GVB T Q0000000000000000, ,0 , ,0 NNGiLiijNj SGiLiijNj SGiGGiGiiiiNiiiPPPVB TiSQQQVB TiSQQQiSVVViSBBB CiiiTiSTTTiS0001,0 1,0 0NNkkkkkGiLiijNj SkkkkkGiLiijNj SkkkGiGGiGikkiiiAVRPS PPiSQS QQiSQQQiSVVViSSVB TVB T KkS多預(yù)想故障電壓穩(wěn)定約束無功優(yōu)化模型多預(yù)想故障電壓穩(wěn)定約束無功優(yōu)化模型 5 改善電壓穩(wěn)定性的技術(shù)和措施 由積極約束故障構(gòu)成的集合稱為積極約束故障集，記為 。顯然，對(duì)于任意的預(yù)想故障集 S ，若有 ，則采用 S 替代 ，對(duì)于問題的最優(yōu)解完全等價(jià)。 KSKKSSS KS多預(yù)想故障靜態(tài)電壓崩潰預(yù)防控制問題是一個(gè)大規(guī)模、非線性、混合整數(shù)規(guī)劃問題。根據(jù)最優(yōu)解處預(yù)想故障的電壓穩(wěn)定性約束是否實(shí)際起作用將預(yù)想故障區(qū)分為積極約束故障和非積極約束故障。關(guān)鍵故障集：對(duì)積極約束故障集的估計(jì)。