電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的再認識

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，并進行了大量的研究工作。

早期研究普遍認為電壓穩(wěn)定問題是一個靜態(tài)問題， 或者認為系統(tǒng)的動態(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，人們正在逐漸認識電壓穩(wěn)定性 的動態(tài)本質(zhì)， 從而開始重點研究電壓崩潰的動態(tài)機理和系統(tǒng)模型的需求，并提出 了一些有關電壓穩(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習已有 8 個多月， 本學期的課程也上 了過半，下面我將就此問題談談我的認識。

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”進行定義。

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

下面逐字的解釋這個描述性的定義：

電壓：在許多的網(wǎng)絡節(jié)點上，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，負荷功率恢復機制變得不穩(wěn) 定，所消耗的功率減少而不是上升。這個機制是電壓不穩(wěn)定性的核心。

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

負荷電壓是不穩(wěn)定性的驅(qū)動源，就這個原因而言，這個現(xiàn)象也成為負荷 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， 有一個有限的容量。 這個限制(也受到發(fā)電系統(tǒng)的影響)標志著電壓不穩(wěn)定性的開始。

發(fā)電：發(fā)電機并不是理想的電壓源。發(fā)電機的精確建模(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用。它使用延拓法跟蹤負荷和發(fā)電機功 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(“鼻尖”點)的解曲線，并且不會碰到病態(tài)的數(shù)值困難。延拓潮流使用預 估-校正方案找出隨負荷參數(shù)變化的潮流解路徑。

總之， 靜態(tài)方法的優(yōu)點是將一個復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)方程實數(shù)解的存在性研究,其缺點是不能反映各元件的動態(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， 而這僅是電壓穩(wěn)定的必要 條件而非充分條件，因而其結果大多是樂觀的。

2、基于動態(tài)的研究方法

經(jīng)歷了靜態(tài)研究方法之后， 電壓的動態(tài)屬性受到了重視，電力系統(tǒng)是典型的 動態(tài)系統(tǒng)， 和功角穩(wěn)定性一樣， 系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性也屬于一類動態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 問題。理論上，考慮了元件的動態(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，進而 制定系統(tǒng)的運行方式和穩(wěn)定控制策略是相當重要的。動態(tài)分析方法，主要是小干 擾分析和時域仿真法得到了廣泛的應用，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)定控制的三個關鍵模塊是電壓穩(wěn)定指標計算、 預想事故選擇以及 控制措施。物理意義明確、計算速度快、精度高的電壓穩(wěn)定指標可以為運行人員 提供系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕量， 明確系統(tǒng)電壓穩(wěn)定程度;而預想事故自動選擇的目的是 根據(jù)所選擇的某一電壓穩(wěn)定指標對大量的預想事故進行過濾， 從而確定對系統(tǒng)電 壓穩(wěn)定性有嚴重影響的事故，達到減少計算量的目的#控制措施則針對所選擇的 嚴重事故進行詳細分析并確定相應的控制策略。

四、電壓穩(wěn)定性分析展望和研究動向

1、電壓穩(wěn)定性分析模型

在電壓穩(wěn)定分析中， 關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， 從而在模型的復雜性和合理性之間 取得合理折衷。

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

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形式作為研究工具， 未涉及系統(tǒng)動態(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態(tài)的研究方法的檢驗。 但靜態(tài)方法在獲得系統(tǒng)極限運行狀態(tài),指導調(diào)度方面起到重要作用，也是動態(tài)分析方法的基礎!在一段時間內(nèi)將依 舊存在且廣泛應用。其關鍵問題是如何把握靜態(tài)分析方法的應用范圍和適用條 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 然是一個需要研究的課題。

小干擾電壓穩(wěn)定分析方法具有嚴格的理論基礎，開發(fā)計算速度快!對各種控 制系統(tǒng)有良好適應性的特征分析方法是其關鍵所在。在分析過程中，應該設法降 低系數(shù)矩陣的階數(shù)， 識別保留對電壓穩(wěn)定影響貢獻大的元件，正確確定需要加以 詳細描述的元件模型。

毫無疑問， 時域仿真法是檢驗一切分析方法的準繩，探討新的快速時域仿真 方法，如采用并行計算技術，加快計算速度，力求達到暫態(tài)電壓穩(wěn)定的實時仿真 是需要研究的課題。此外，對模型參數(shù)要進行實際系統(tǒng)測定，力求用可信參數(shù)進 行暫態(tài)電壓穩(wěn)定分析，并且對仿真的輸出結果進行分析，以便給出穩(wěn)定裕度、穩(wěn) 定極限。 同時， 應該探討時域仿真法和模式識別、 人工智能等理論相結合的方法。

3、電壓穩(wěn)定控制措施

為了達到實時電壓穩(wěn)定監(jiān)視的目的!急需開發(fā)一種有實際物理意義并且適合 在線應用的電壓穩(wěn)定指標。 這種指標應該基于動態(tài)模型并且具有良好的線性。雖 然裕度指標已經(jīng)在實際系統(tǒng)中得到初步應用， 但裕度指標的計算速度和過渡過程 還需要加以提高和精確模擬，否則將會導致錯誤的結果。從目前研究看，盡管許 多電壓穩(wěn)定指標已被提出， 但由于各種指標都采用了不同程度的簡化，其準確性 與合理性需要通過動態(tài)方法進行驗證。此外，就筆者所了解，目前大多數(shù)指標都 是確定性指標， 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。

為了更有效地對電力系統(tǒng)進行控制， 要充分利用先進的通信手段和控制理論 開發(fā)有效的電壓失穩(wěn) 預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)定有可靠的預測， 重點是開發(fā)廣域的系統(tǒng)保護策略和閉環(huán)控 制以便使系統(tǒng)的運行狀況更好。 在多機復雜系統(tǒng)中，功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定互相影 響和關聯(lián)， 不能將本來就有關聯(lián)的問題人為的加以分割，高質(zhì)量的穩(wěn)定控制決策 需要能夠識別潛在的失穩(wěn)模式， 找出最安全的調(diào)度方向，并對預防措施和緊急控 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，有時候還可能有負作用，特別是當多重事故發(fā)生時，這些控制手 段之間的不配合本身就是導致系統(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、復雜性、離散性和結果難于實 際實施等方面的影響=如何建立控制手段優(yōu)先級等是應進一步研究的課題。

五、結語

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 的進展， 但仍不能認為其理論體系已經(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 模型的建立、失穩(wěn)機理的正確解釋以及控制措施的提出是指日可待的。