電力系統電壓穩定性的再認識

近年來隨著電力系統從發電、輸電的一體化體制演變到開放和競爭的環境， 電力系統規劃和運行的不確定性和不安全因素增加， 電壓不安全已經成為限制電 力傳輸的主要因素之一。 世界上許多國家相繼發生由電壓穩定問題導致的大面積 停電事件，世界各國目前對電壓穩定性的研究十分重視,IEEE 和 CIGRE 還成立 了專門工作組調查和研究電壓穩定性問題，并進行了大量的研究工作。

早期研究普遍認為電壓穩定問題是一個靜態問題， 或者認為系統的動態對電 壓穩定的影響很慢，從而將電壓穩定問題轉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方法上。 隨著研究的深入，人們正在逐漸認識電壓穩定性 的動態本質， 從而開始重點研究電壓崩潰的動態機理和系統模型的需求，并提出 了一些有關電壓穩定性的分析方法和防止電壓崩潰的對策。 對電力系統電壓穩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、電壓不穩定現象及其解釋

對于電壓穩定性，IEEE 和 CIGRE 工作組已經給出了簡明的定義，然而對于 這類已有的概念，有必要對“電壓不穩定”進行定義。

電壓不穩定性源自負荷動態具有使耗電量恢復到超過傳輸系統和發電系統 容量的趨勢。

下面逐字的解釋這個描述性的定義：

電壓：在許多的網絡節點上，以大的、不可控的電壓降落的形式所揭示 的現象。 不穩定性：已經超過最大傳輸功率的限制，負荷功率恢復機制變得不穩 定，所消耗的功率減少而不是上升。這個機制是電壓不穩定性的核心。

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

負荷電壓是不穩定性的驅動源，就這個原因而言，這個現象也成為負荷 不穩定性。

傳輸系統， 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(也受到發電系統的影響)標志著電壓不穩定性的開始。

發電：發電機并不是理想的電壓源。發電機的精確建模(包括控制器) 對于正確地評估電壓穩定性是非常重要的。

二、電壓穩定性研究方法

1、早期基于靜態的研究方法

早期人們簡單地將電力系統電壓失穩問題看作系統過載引起， 從而將其視為 靜態問題。 利用代數方程研究電壓的穩定性， 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 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電機功 率變化情況下電力系統的穩態行為， 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，并且不會碰到病態的數值困難。延拓潮流使用預 估-校正方案找出隨負荷參數變化的潮流解路徑。

總之， 靜態方法的優點是將一個復雜的微分方程解的性態研究看成是簡單的 非線性代數方程實數解的存在性研究,其缺點是不能反映各元件的動態特性，且 將電力系統的潮流極限作為小干擾電壓穩定的極限點， 而這僅是電壓穩定的必要 條件而非充分條件，因而其結果大多是樂觀的。

2、基于動態的研究方法

經歷了靜態研究方法之后， 電壓的動態屬性受到了重視，電力系統是典型的 動態系統， 和功角穩定性一樣， 系統的電壓穩定性也屬于一類動態系統的穩定性 問題。理論上，考慮了元件的動態特性更能揭示電壓失穩過程的本質。值得注意 的是， 電壓不穩定現象并不總是孤立地發生。功角不穩定和電壓不穩定的發生常 常交織在一起，一般情況下其中的一種占據主導地位!但并不易區分。然而，人 為地將功角穩定性和電壓穩定性區分開，對于充分了解系統不穩定的原因，進而 制定系統的運行方式和穩定控制策略是相當重要的。動態分析方法，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定性分析、暫 態電壓穩定性分析和長期電壓穩定性分析三部分。

三、電壓穩定控制措施研究

在線電壓穩定控制的三個關鍵模塊是電壓穩定指標計算、 預想事故選擇以及 控制措施。物理意義明確、計算速度快、精度高的電壓穩定指標可以為運行人員 提供系統電壓穩定裕量， 明確系統電壓穩定程度;而預想事故自動選擇的目的是 根據所選擇的某一電壓穩定指標對大量的預想事故進行過濾， 從而確定對系統電 壓穩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、電壓穩定性分析展望和研究動向

1、電壓穩定性分析模型

在電壓穩定分析中， 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， 電壓穩定分析的很多方法尚未經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、電壓穩定性分析方法

所有基于靜態的研究方法本質上都是利用潮流及其改進形式作為研究工具， 未涉及系統動態， 因而所得 “極限” 通常只是 “功率極限” 而非 “電壓穩定極限” ， 其合理性需要接受基于動態的研究方法的檢驗。 但靜態方法在獲得系統極限運行狀態,指導調度方面起到重要作用，也是動態分析方法的基礎!在一段時間內將依 舊存在且廣泛應用。其關鍵問題是如何把握靜態分析方法的應用范圍和適用條 件，如何衡量誤差范圍。此外，系統電壓靜態穩定和功角靜態穩定的鑒別方法仍 然是一個需要研究的課題。

小干擾電壓穩定分析方法具有嚴格的理論基礎，開發計算速度快!對各種控 制系統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 低系數矩陣的階數， 識別保留對電壓穩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，力求達到暫態電壓穩定的實時仿真 是需要研究的課題。此外，對模型參數要進行實際系統測定，力求用可信參數進 行暫態電壓穩定分析，并且對仿真的輸出結果進行分析，以便給出穩定裕度、穩 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、電壓穩定控制措施

為了達到實時電壓穩定監視的目的!急需開發一種有實際物理意義并且適合 在線應用的電壓穩定指標。 這種指標應該基于動態模型并且具有良好的線性。雖 然裕度指標已經在實際系統中得到初步應用， 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方法進行驗證。此外，就筆者所了解，目前大多數指標都 是確定性指標， 隨著系統的不斷增大，有必要開發反映系統電壓穩定程度的概率 性指標。

為了更有效地對電力系統進行控制， 要充分利用先進的通信手段和控制理論 開發有效的電壓失穩 預防性控制措施和緊急控制措施。要充分利用 GPS 測得的數據，對電壓穩 定特別是長期電壓穩定有可靠的預測， 重點是開發廣域的系統保護策略和閉環控 制以便使系統的運行狀況更好。 在多機復雜系統中，功角穩定和電壓穩定互相影 響和關聯， 不能將本來就有關聯的問題人為的加以分割，高質量的穩定控制決策 需要能夠識別潛在的失穩模式， 找出最安全的調度方向，并對預防措施和緊急控 制加以協調。 現有緊急控制多為離散性控制，其控制措施對穩定的影響不一定與 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生時，這些控制手 段之間的不配合本身就是導致系統瓦解的原因之一。 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先級等是應進一步研究的課題。

五、結語

目前， 電壓穩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 電力系統的電壓穩定問題。 從目前的電壓穩定性的研究工作看，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定性研究，電壓穩定性問題的概念形成、數學 模型的建立、失穩機理的正確解釋以及控制措施的提出是指日可待的。