利用PV曲線研究電壓穩(wěn)定

摘 要：近三十年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，新增工業(yè)大負(fù)荷、交直流輸電技術(shù)的應(yīng)用、新能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)在給我們生活帶來方便的同時(shí)，也引發(fā)了許多系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，尤其是對電壓穩(wěn)定有造成很不利的影響。隨著電壓穩(wěn)定問題的日益突出，電壓穩(wěn)定問題已經(jīng)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)研究最關(guān)注的問題之一。文章通過建立一個(gè)簡單的單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)，人為改變系統(tǒng)各種參數(shù)，如發(fā)電機(jī)參數(shù)、變壓器參數(shù)等，使系統(tǒng)處于PV曲線的下半部分，分別觀察恒阻抗負(fù)荷和恒功率負(fù)荷模型的運(yùn)行狀態(tài)，從而確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電壓穩(wěn)定；電壓崩潰；PV曲線

引言

電力是當(dāng)今世界最重要的能源之一，屬于二次能源，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，電力安全對國家經(jīng)濟(jì)、社會安全有深遠(yuǎn)的影響。所以能提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)的電力資源就成為各國的關(guān)注的焦點(diǎn)，大量學(xué)者在研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題由三大類組合而成：功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定。其中電壓穩(wěn)定問題是被關(guān)注的較晚的一個(gè)分支，各國開始研究的也較晚。而該問題已經(jīng)嚴(yán)重影響現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展速度，成為制約發(fā)展的主要因素之一。這也引發(fā)了人們對電壓穩(wěn)定問題研究的關(guān)注，因此，研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題成為當(dāng)務(wù)之急。

1 電壓穩(wěn)定定義

現(xiàn)今，電力界的兩大國際組織——電氣和電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers）和國際大電網(wǎng)會議（International Council on Large Electric systems）就分別給出了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的定義。在電力系統(tǒng)中，指出電壓穩(wěn)定，是指給定的運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)經(jīng)歷擾動(dòng)后，電力系統(tǒng)維持電壓的能力。而電壓崩潰是指由于系統(tǒng)電壓處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致的系統(tǒng)內(nèi)大面積、大幅度的電壓下降的過程[1]。兩大組織均認(rèn)定電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定是一個(gè)整體性問題，客觀上只有兩種狀態(tài)：穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)就是指系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，能在短時(shí)間內(nèi)維持電壓穩(wěn)定在某一水平，反之不穩(wěn)定。

2 電壓穩(wěn)定機(jī)理

2.1 簡單純電阻電路電壓穩(wěn)定

由表1數(shù)據(jù)繪制出電壓、電流、功率跟隨純電阻負(fù)荷RL變化的曲線如圖2。

由此可知，當(dāng)負(fù)荷從0增加的時(shí)候，功率增加很快，在最大值附近，功率增加變慢，在達(dá)到最大值后，功率開始逐漸降低。故當(dāng)RL=RS時(shí)，在數(shù)學(xué)意義上，系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)達(dá)到電壓-功率曲線的頂點(diǎn)。從電路狀態(tài)來說，純電阻負(fù)荷功率PL達(dá)到最大值，其曲線如圖3所示。

綜上所述，在簡單直流純電阻電路中，由于電源的內(nèi)阻客觀存在，當(dāng)負(fù)荷希望通過增加電流的方式獲得更大功率時(shí)，負(fù)荷兩端電壓就要下降。當(dāng)電壓下降對負(fù)荷功率的影響超過電流增加時(shí)，負(fù)荷就不能獲得更多功率了[2]。

2.2 簡單交流電路的電壓穩(wěn)定性

在現(xiàn)代高壓交流電力系統(tǒng)中，大部分元件為電抗，電壓調(diào)節(jié)和無功功率之間有著密切的關(guān)系。以簡單交流電路為例，假設(shè)負(fù)荷為恒阻抗，如圖4。

假設(shè)RL、XL可在一定范圍內(nèi)變化：

（1）在RL=RS，XL=-XS的情況下，負(fù)荷所消耗的有功功率達(dá)到最大值，最大有功功率PLmax=E2/4RS；此時(shí)的電壓稱為臨界電壓，其值ULcr=E/2RS。這時(shí)，從電壓源端看進(jìn)去為純電阻負(fù)荷，因此不會產(chǎn)生任何無功功率。

（2）在RL=-RS，XL=XS的情況下，負(fù)荷所消耗的無功功率達(dá)到最大值，最大無功功率QLmax=E2/4XS；此時(shí)的電壓稱為臨界電壓，其值ULcr=E/2XS。

在交流電力系統(tǒng)中，由于無功功率問題比較復(fù)雜，使得系統(tǒng)分析的難度加大。電力系統(tǒng)的主要功能是向各節(jié)點(diǎn)傳輸有功功率，而無功功率又是實(shí)際電力系統(tǒng)里十分重要的組成部分。受端系統(tǒng)無功功率的變化，會影響到系統(tǒng)有功功率的傳輸，也會引起系統(tǒng)電壓的波動(dòng)，甚至引發(fā)電壓崩潰。但無功功率問題不是影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的唯一因素。

綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)無論是直流還是交流系統(tǒng)，其電壓穩(wěn)定性問題的本質(zhì)是指，負(fù)荷所吸收的功率隨電流的增加而增加的時(shí)候，系統(tǒng)則處于電壓穩(wěn)定狀態(tài)；負(fù)荷所吸收的功率隨電流的增加而減少的時(shí)候，系統(tǒng)將處于電壓不穩(wěn)定狀態(tài)[3]。

3 PV曲線驗(yàn)證

3.1 求取PV曲線

電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定通常發(fā)生在系統(tǒng)臨近極限傳輸功率的運(yùn)行階段，在臨界狀態(tài)下，即使負(fù)荷稍微增加一點(diǎn)，系統(tǒng)電壓將會劇烈下降，造成系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，甚至電壓崩潰。PV曲線是一種基本的靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析工具，它是基于電壓穩(wěn)定機(jī)理。其中P可表示傳輸斷面、區(qū)域聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率，也可以代表某個(gè)區(qū)域的總負(fù)荷；U代表關(guān)鍵母線電壓。這兩個(gè)參數(shù)可以體現(xiàn)各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)維持電壓穩(wěn)定性能力的強(qiáng)弱，給出系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度。

以單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)為例，設(shè)發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢=E∠0°，線路阻抗為RS+jXS，負(fù)荷端電壓=U∠θ。示意圖如圖5：

PV曲線的頂點(diǎn)（|Z|=|ZS|）就是電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)，對應(yīng)著電力系統(tǒng)的負(fù)荷極限狀態(tài)。IEEE最初簡單的定義PV曲線的上半部分是系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)，下半部分是系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)，后又經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)不能簡單的給出這一定義。

3.2 建立單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)

以簡單單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)為例，對PV曲線進(jìn)行研究。進(jìn)行根據(jù)需要，設(shè)立一個(gè)單機(jī)單負(fù)荷模型，需要首先選取發(fā)電機(jī)、變壓器、線路，設(shè)定合適參數(shù)使系統(tǒng)運(yùn)行在PV曲線的下半部分。

3.2.1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

根據(jù)模型要求，擬選用一個(gè)額定功率1000MVA、額定電壓13800V的同步發(fā)電機(jī)，其詳細(xì)參數(shù)如表2：

3.2.2 變壓器參數(shù)

根據(jù)實(shí)際需要，擬選用一個(gè)額定功率1000MVA、額定變比13800/500000的變壓器，低壓側(cè)接線方式D1、高壓側(cè)接線方式Y(jié)g。

3.2.3 線路參數(shù)

按一般情況考量，假設(shè)線路長350KM，具體參數(shù)如表3。

4 simulink仿真

Simulink是MATLAB中的眾多組件之一，基于框圖設(shè)計(jì)，可以建立動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行仿真運(yùn)行，獲得運(yùn)行參數(shù)，并加以綜合分析。簡單的電力系統(tǒng)仿真常應(yīng)用simulink，可快速得出仿真結(jié)果。

在剛才建立的單機(jī)單負(fù)荷的模型中，保持發(fā)電機(jī)參數(shù)、變壓器參數(shù)、線路參數(shù)不變，只更換負(fù)荷模型，進(jìn)行仿真，觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。負(fù)荷模型通常分為恒阻抗模型和恒功率模型。

4.1 恒阻抗模型

根據(jù)研究需要，設(shè)立一個(gè)恒阻抗模型，即負(fù)荷的阻抗恒定不變，設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為10S，開始進(jìn)行仿真，得到運(yùn)行結(jié)果如圖7：

根據(jù)仿真結(jié)果，可得出結(jié)論，即在負(fù)荷為恒阻抗負(fù)荷時(shí)，電壓處于較低水平，系統(tǒng)仍有穩(wěn)定的功率傳輸，系統(tǒng)也能保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。換句話說，負(fù)荷為恒阻抗負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行在PV曲線下半部分，依然能保持穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 恒功率負(fù)荷

根據(jù)研究需要，設(shè)立一個(gè)恒功率模型，即負(fù)荷的功率恒定不變，同樣設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為10S，開始進(jìn)行仿真，得到運(yùn)行結(jié)果如圖8：

根據(jù)仿真結(jié)果，可得出結(jié)論，負(fù)荷為恒功率模型時(shí)，電壓處于較低水平，系統(tǒng)沒有功率傳輸，系統(tǒng)不能運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)。即負(fù)荷為恒功率負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在PV曲線下半部分時(shí)，系統(tǒng)將不能穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)將失穩(wěn)。

5 結(jié)束語

通過建立單機(jī)單負(fù)荷模型，對于恒阻抗模型和恒功率模型進(jìn)行仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PV曲線是一種有效判斷系統(tǒng)穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)的方法。系統(tǒng)運(yùn)行在PV曲線上半部分時(shí)，系統(tǒng)為穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。而運(yùn)行在下半部分時(shí)，恒阻抗模型的系統(tǒng)將可以繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，而恒功率模型的系統(tǒng)則不能穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)將失穩(wěn)。所以，對恒功率負(fù)荷的系統(tǒng)防止電壓失穩(wěn)方法的研究就更加重要。但是值得注意的是，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)自身的特性，與負(fù)荷特性無關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉寶，李寶國.淺談電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性[J].太原科技，2009（4）：35-36.

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[3]湯涌.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析[M].北京：科學(xué)出版社，2011：26-28.