电力系统电压稳定和功角稳定的统一分析原理

2014-03-28

中国新技术新产品 2014年21期

（国网四川省电力公司德阳供电公司，四川德阳 618000）

丁睿

（国网四川省电力公司德阳供电公司，四川德阳 618000）

电压稳定与功角稳定的统一问题一直是电力系统中的关键问题，这两种情况均属于一种极端状态，分析电压稳定和功角稳定的关联问题，必须分别对二者进行分析，同时对二者之间的关系统一进行分析，这是掌控电力系统稳定性的关键。为此，本文分别阐述了电压稳定及功角稳定的关联问题，并对二者的统一分析原理进行了简述，以供参考。

电力系统；电压稳定；功角稳定；统一分析

随着社会水平与经济水平的提高，生活用电量与工业用电量猛增，这就对电力系统安全性与稳定性提出了更高的要求。世界上许多国家都由于停电发生电压稳定问题。由于在电力系统中，仅有两种状态，即不稳定性和稳定性2种，如果一个系统是由一个PQ节点与一个平衡点构成，则只存在电压稳定问题；若一个系统是由一个PV节点与一个平衡点构成，则此系统只存在电压稳定问题。

1 电压稳定和功角稳定的关联问题

1.1 功角稳定问题。在互联系统中，如果同步发电机受到干扰，但仍拥有同步运行的能力，即为功角稳定状态。造成功角失稳的原因主要有两方面因素，一是同步转矩不足，二是阻尼转矩不足。前者会导致非周期性的失稳，而后者则会导致振荡性的失稳。

当电力系统受到外界干扰后，其潮流及发电机两者的输出功率即会发生相应的变动，在发电机方面，即会表现出其转轴发生不平衡转矩的现象，一旦此情况出现，即会改变转子转速，进而使转子间的相对角度发生相应的一系列变化，变化反作用于各发电机的输出功率，进而影响各发电机功率、转速及转子间的相对角度，造成发电机电流、输出功率及电压出现大幅度波动，最终导致系统瓦解。

1.2 电压稳定。电压稳定性包括2个方面，一是发生电力系统初始状态下，二是在受到干扰后，仍然可以将母线电压维持在稳定值得能力。当出现干扰时，如系统状态变化或负荷增加引起的电压下降或增高，表明其直接进入电压不稳状态，通常导致这种现象的主要因素为电力系统丧失了满足无功功率需求的能力。

对系统功角稳定的分析，应集中在被干扰后，发电机转子运动规律与功角稳定性问题相比，电压稳定没有类似的核心方程，重点在于负荷点的电压情况，而且相关人员对电压稳定本质方面的相关研究目前比较缺乏全面的认识，相关研究的理论及对策仍待补充和实践，所以，对于电压崩溃机理的问题当前仍需进一步研究。

1.3 功角稳定与电压稳定关系。电压稳定与功角稳定间有着密切关系的，根据研究得出，暂态电压稳定和暂态功角稳定有一定联系，变化过程较慢的电压稳定和小干扰功角稳定有关。根据IEEE报告分析两种极端情况：（1）远方的一台同步发电机由输入线路接入了无穷大系统；（2）一台同步发电机或无穷大系统由输电线接入有异步负荷。图1表示了这两种极端情况。

通常在负荷区域某点出现崩溃问题时，一般都是由于电压失稳所引起的，在距离负荷区域较远的系统某点出现崩溃问题时，通常是由电压发电机失去同步引起的功角失稳问题。在电力系统中，负荷区域与负荷特性是引发电压稳定性问题的主要因素，将长距离的输电线路引入大系统中，虽然已经尽可能地确保发电机保持同步运行，但亦常发生发电压崩溃事故，多数研究者认其为这是负荷稳定，是电压稳定的本能，可见，电机稳定是功角稳定的本质。

2 电压稳定的分析方法

在电力系统中，使用潮流平衡点的存在来分析电压是否稳定，这是分析静态电压稳定的主要方法，无功功率Q的传输与电压幅值U关系紧密，无功功率传输通常是从高压节点向低压节点流动，因此引起电压不稳定的主要原因就是点原距离负荷中心较远，线路传输功率较大，系统无功率电源不足等。可用差分方式、微分方程以及代数方程组来对电压稳定进行描述，将励磁系统、发电机以及各种负荷等元件的动态特征进行综合考虑。

3 电压稳定和功角稳定之间的关系

利用能量函数法的理论，将稳定平衡点设置在势能阱的最低处，不稳定的平衡点设置在势能阱的壁上，UEP和阱壁上的最小势能点可相互适应，临界稳定时，电力系统在I类UEP附近选出势能阱。

在能量函数的理论下，电力系统中的电压稳定与功角稳定都可以看作是UEP模式，用不同的UEP模式区分两者。若电力系统中同时存在电压失稳模式与功角失稳模式时，可以利用UEP分析两者的关系，得出系统在大扰动中会以什么方式失稳，这也取决于系统故障中变化的系统状态，若电压失稳模式的UEP是主导UEP，那么则为暂态电压失稳；当功角失稳模式的UEP是主导UEP时，则为功角失稳；如在不同功率的变化方式与功率分布时，两种极端情形是可以同时出现的，也可以单独出现，并且二者还可以相互转化。

图1 表示稳定问题极端情况的简单系统

4 电压稳定与功角稳定的统一分析

4.1 电压稳定判据与静态功角稳定判据的关系。由于以往对电压失稳的解释大都建立在负荷恒定阻抗模型的基础上，因此无法对其进行合理诠释，而不合理的解释则直接导致静态功角稳定判据和电压稳定的判据存在差异，只能清楚表明静态功角稳定和电压稳定有一定联系。PV节点有功功率失去平衡与PQ节点电压失去稳定的密切关系，于此同时，其可诠释些许电压失稳的机理问题，但需牢记，应注意时间动态特性的电压稳定性，所以，这还有待相关人员进行深入研究。

4.2 无功补偿约束下电压稳定分析。在PV节点无功功率越限前，PV节点一直保持静态功角稳定状态。若PV节点的无功功率刚好超过限度，则PV节点立即会发生转变，及成为PQ节点，而相应的电压稳定状态亦会被破坏，这种状态亦称为约束诱导分岔点，其为电力系统电压不稳定解，或电压稳定临界点始终位于节点P-V曲线的下半支。