試論電力電壓穩(wěn)定及控制的重要性

彭洪志

廣西浩天實(shí)業(yè)有限公司南寧電纜工程建設(shè)分公司，廣西 南寧 530031

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(jìn)入到了一個(gè)新時(shí)代。由于系統(tǒng)日益復(fù)雜化，使得電力系統(tǒng)中的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題越來(lái)越突出，成為了現(xiàn)代電力系統(tǒng)要解決的重要問(wèn)題之一。而各地先后發(fā)生了多起由于電壓失穩(wěn)導(dǎo)致的大面積停電事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響，因此，如何解決電壓穩(wěn)定及控制技術(shù)，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(yùn)行條件出發(fā)，遭受擾動(dòng)后電力系統(tǒng)在所有母線(xiàn)上保持穩(wěn)定電壓的能力，它依賴(lài)于電力系統(tǒng)中保持或恢復(fù)負(fù)荷需求和負(fù)荷供給平衡的能力?？赡馨l(fā)生的失穩(wěn)，表現(xiàn)為一些母線(xiàn)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(biāo)之一。電壓的失穩(wěn)，將造成電力系統(tǒng)中負(fù)荷的喪失、傳輸線(xiàn)路的跳閘、系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)停電，以及發(fā)電機(jī)異步等情況。由于電壓失穩(wěn)的情況復(fù)雜多變，在探討電壓穩(wěn)定性技術(shù)時(shí)，必須對(duì)電壓穩(wěn)定性能進(jìn)行分類(lèi)。最新的電壓穩(wěn)定性能分類(lèi)，主要從2個(gè)角度進(jìn)行劃分：

1）從外界擾動(dòng)性質(zhì)出發(fā)的電壓穩(wěn)定性劃分從外界擾動(dòng)的性質(zhì)出發(fā)，可分為：

（1）大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定。指系統(tǒng)在遭受大的擾動(dòng)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(dòng)如系統(tǒng)負(fù)荷增加后，保持電壓穩(wěn)定的能力。

2）從時(shí)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(dòng)作元件如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電子控制負(fù)荷、HVDC變流器的動(dòng)態(tài)過(guò)程；

（2）長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定。涉及慢動(dòng)作設(shè)備如變壓器分接頭、溫控負(fù)荷、發(fā)電機(jī)勵(lì)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(lèi)中可以看出，造成電壓不穩(wěn)的主要原因表現(xiàn)在2個(gè)方面：

1）長(zhǎng)線(xiàn)路遠(yuǎn)距離輸電，且其使用強(qiáng)度日益接近其極限值，由于功率源和電壓源離負(fù)荷很遠(yuǎn)，其補(bǔ)償電壓損耗和功率損耗的能力愈趨困難；

2）負(fù)荷側(cè)所帶負(fù)載太重，造成高壓線(xiàn)路上傳輸電流增大，電壓損耗和功率損耗（包括有功和無(wú)功功率）增加，發(fā)電機(jī)越限時(shí)不能補(bǔ)償電壓和功率的損失，致使負(fù)荷側(cè)電壓下降甚至崩潰。

當(dāng)負(fù)荷水平較重和系統(tǒng)無(wú)功不足的情況下，當(dāng)有擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)限制器和負(fù)荷有載調(diào)壓變壓器等，這些慢動(dòng)態(tài)裝置的相互作用，會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)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(shù)

分析電壓穩(wěn)定性能的技術(shù)，主要從無(wú)功和負(fù)荷2個(gè)點(diǎn)著手：

1）無(wú)功不足的電壓失穩(wěn)分析。通常認(rèn)為，有功與頻率有關(guān)，而無(wú)功與電壓有關(guān)。這種說(shuō)法雖不嚴(yán)謹(jǐn)，但也有其一定道理。從無(wú)功和電壓的關(guān)系分析電壓穩(wěn)定性，可以如下表述：當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值隨這個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功支持的增加而增加時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)是電壓穩(wěn)定的；而當(dāng)其中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值，隨這個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功支持的增加反而降低時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。比如，當(dāng)系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的U-Q靈敏度都為正時(shí)，對(duì)應(yīng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)；只要系統(tǒng)中有一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)的U-Q靈敏度為負(fù)時(shí)，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。系統(tǒng)中無(wú)功功率損耗很高，并且遠(yuǎn)大于有功功率損耗。當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)功功率短缺時(shí)，會(huì)造成電壓水平的低下，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些微小擾動(dòng)時(shí)，有可能會(huì)使某些樞紐變電所母線(xiàn)電壓不穩(wěn)，其母線(xiàn)電壓可能在頃刻之間就大幅度下降，不僅會(huì)造成電壓不穩(wěn)現(xiàn)象，更嚴(yán)重的還可能發(fā)展為電壓崩潰事故。

2）負(fù)荷突增時(shí)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(fù)荷很重的情況下。當(dāng)負(fù)荷接近極限時(shí)，如果再增加少量負(fù)荷，系統(tǒng)電壓可能就會(huì)突然急劇下降，嚴(yán)重時(shí)甚至不能控制，導(dǎo)致電壓失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。負(fù)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(gè)電力系統(tǒng)處于重載情況，假定負(fù)荷已接近于臨界狀態(tài)，無(wú)功電源已達(dá)極限，無(wú)法再提供多余的無(wú)功支持時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生很小的電壓降低，或負(fù)荷稍微增加一點(diǎn)，都會(huì)打破系統(tǒng)的平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)的局部電壓失去穩(wěn)定，最終結(jié)果可能就是整個(gè)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(wèn)題。緩慢增加的負(fù)荷，導(dǎo)致了負(fù)荷端母線(xiàn)電壓也慢慢下降，當(dāng)電壓下降到電力系統(tǒng)所能承受的最大負(fù)荷極限值，或接近這一極限值時(shí)，當(dāng)繼續(xù)增加負(fù)荷、系統(tǒng)發(fā)生故障或系統(tǒng)運(yùn)行的正常操作等擾動(dòng)發(fā)生，都會(huì)使負(fù)荷母線(xiàn)電壓發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的突然下降，而且在電壓突然下降之前的整個(gè)過(guò)程中，并未發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度和母線(xiàn)電壓相角有很大變化。

2）動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題。電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，運(yùn)行人員會(huì)采取一些控制糾正措施來(lái)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(jié)構(gòu)已經(jīng)變得很脆弱了，或者系統(tǒng)中電源支持負(fù)荷的能力變?nèi)趿?，那么緩慢的?fù)荷恢復(fù)過(guò)程，也可能會(huì)導(dǎo)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(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，因此，發(fā)電機(jī)及其控制器、負(fù)荷的動(dòng)態(tài)行為，都會(huì)對(duì)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(wèn)題。在電力系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)（如系統(tǒng)故障等）時(shí)，發(fā)電機(jī)之間發(fā)生相對(duì)搖擺，同時(shí)系統(tǒng)中某些負(fù)荷母線(xiàn)的電壓，會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的突然下降，而此時(shí)發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)搖擺，可能還未達(dá)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(shí)際的電壓失穩(wěn)事例中，完全沒(méi)有功角不穩(wěn)定即將來(lái)臨的跡象，因此，針對(duì)電壓失穩(wěn)的情況的電壓控制，非常有進(jìn)行探討的必要。電壓控制，是在電壓發(fā)生故障或者負(fù)荷連續(xù)快速增長(zhǎng)的情況下，電力系統(tǒng)進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)、處于電壓失穩(wěn)或者電壓崩潰的過(guò)程中，通過(guò)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，使電力系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，或者暫時(shí)進(jìn)入恢復(fù)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(yù)防控制和緊急控制。根據(jù)約束條件是否滿(mǎn)足，電力系統(tǒng)運(yùn)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(fù)狀態(tài)。

1）預(yù)防控制。在系統(tǒng)進(jìn)入電壓警戒狀態(tài)時(shí)進(jìn)行，主要通過(guò)在系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)定邊界時(shí)，設(shè)定無(wú)功校正裝置的動(dòng)作整定值，以及校正現(xiàn)場(chǎng)控制器的可控變量，將系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)拉回到穩(wěn)定區(qū)域。

2）緊急控制。是在緊急狀況下，系統(tǒng)已經(jīng)處于電壓失穩(wěn)的過(guò)程中，采取的用以防止電壓崩潰的措施?；趯?duì)電力系統(tǒng)中電壓失穩(wěn)的危害分析，電壓崩潰所造成的后果最為嚴(yán)重，所以，對(duì)其的防治措施的探討也最有意義。電壓緊急控制，是保證電壓穩(wěn)定防止電壓崩潰的主要手段。在以前，電力系統(tǒng)中常用的電壓穩(wěn)定控制措施，是無(wú)功補(bǔ)償法，但是由于電壓無(wú)功問(wèn)題本身所具有的局域性質(zhì)，以及在緊急控制中對(duì)于算法實(shí)時(shí)性的要求，電壓緊急控制不宜采用全網(wǎng)集中優(yōu)化控制的方法。

3.2 分布式的控制方法

分布式的控制方法，即將全系統(tǒng)的優(yōu)化控制，分解為不同的控制子區(qū)域的控制問(wèn)題，可以應(yīng)用“分解－協(xié)調(diào)”的方法，推廣控制理論中的最優(yōu)控制、穩(wěn)定性分析、模型化技術(shù)進(jìn)行控制的分析和設(shè)計(jì)，消除和緩解維數(shù)災(zāi)，也更加符合電壓無(wú)功問(wèn)題的本質(zhì)特點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，在緊急情況時(shí)，將電力系統(tǒng)分為若干個(gè)控制區(qū)域。在每一個(gè)控制區(qū)域設(shè)有電壓緊急控制器，獨(dú)立監(jiān)測(cè)本區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)本區(qū)域的突發(fā)事件做出緊急處理，快速計(jì)算出本區(qū)域的電壓危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，并將其作為控制目標(biāo)，從而保證本區(qū)域的電壓水平。基于這種思想的分布式電壓緊急控制的分層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)包括的各種電壓無(wú)功控制手段，以及裝設(shè)于配電變電站的低壓切負(fù)荷裝置，其中既有發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制、調(diào)相機(jī)和FACTS設(shè)備等連續(xù)調(diào)節(jié)手段，也有LTC分接頭和切負(fù)荷等，受離散事件動(dòng)態(tài)控制的緊急措施。協(xié)調(diào)級(jí)分布式電壓緊急控制的核心環(huán)節(jié)，以本地區(qū)電壓安全穩(wěn)定為目標(biāo)，在電壓控制的不同階段，針對(duì)性地協(xié)調(diào)控制分散在各處的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)電壓無(wú)功控制器，高效合理地控制無(wú)功功率的流動(dòng)；并接收上一級(jí)的指令，在必要時(shí)和其他的控制區(qū)域進(jìn)行協(xié)作。組織級(jí)作為電壓緊急控制的最高級(jí)，其作用是進(jìn)行全電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析，以及全局經(jīng)濟(jì)優(yōu)化控制等功能。在電壓緊急情況時(shí)，在必要的情況下，協(xié)調(diào)不同的控制區(qū)域，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 電壓緊急控制策略

具體的電壓緊急控制策略，有切負(fù)荷和無(wú)功控制。前者是最直接有效的緊急控制手段，但這種方法的負(fù)面影響較大；后者在緊急控制中，起到不可忽視的作用，合理運(yùn)用可以最小化切負(fù)荷這種硬方法帶來(lái)的負(fù)荷損失。分布式無(wú)功緊急電壓控制的基本目標(biāo)，是通過(guò)及時(shí)地利用區(qū)域內(nèi)所用可能的無(wú)功結(jié)出力維持電壓穩(wěn)定性?？刂浦行脑陔妷菏Х€(wěn)發(fā)生時(shí)，實(shí)時(shí)確定電壓控制分區(qū)，并將普通的二級(jí)電壓控制策略，切換到緊急控制策略。緊急控制通過(guò)快速的協(xié)調(diào)的逐步強(qiáng)制設(shè)定發(fā)電機(jī)以及STATCOM的出力來(lái)完成。參與控制的手段除了快速的FACTS元件和發(fā)電機(jī)外，還包括響應(yīng)速度稍慢的無(wú)功源（主要為并聯(lián)電容器）。如果經(jīng)過(guò)上節(jié)的控制，危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)vc依然越限，則控制慢速設(shè)備，如果vc已回到正常范圍內(nèi)，按照無(wú)功等效的原則，投入慢速響應(yīng)設(shè)備，逐步釋放快速響應(yīng)設(shè)備的無(wú)功出力，以保證足夠的緊急無(wú)功儲(chǔ)備。緊急無(wú)功控制策略可用如圖2所示的流程來(lái)表示。

圖1 分布式電壓緊急控制層次結(jié)構(gòu)圖

圖2 電壓無(wú)功緊急控制流程圖

4 結(jié)論

隨著電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的問(wèn)題受到更多關(guān)注，但由于電力需求不斷增長(zhǎng)及電網(wǎng)的互連，受到經(jīng)濟(jì)及各種環(huán)境的制約，電力系統(tǒng)的運(yùn)行越來(lái)越接近其極限狀態(tài)，電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出，探討電壓穩(wěn)定性能，并在電壓失穩(wěn)事故發(fā)生后所采取的控制措施技術(shù)，顯得越來(lái)越重要，目前迫切需要的是在最短時(shí)間內(nèi)，采取一切可能的手段保證電壓穩(wěn)定性，防止電壓崩潰。

[1]李永明.電力系統(tǒng)中電壓穩(wěn)定及控制技術(shù)的探討.裝備制造技術(shù).