电压稳定性指标

关键词： 容量 电压 传输 问题

电压稳定性指标（精选七篇）

电压稳定性指标 篇1

当前的电力系统越来越向着大系统、大容量、远距离的方向发展,为了提高经济效益,往往会提高电力系统的传输容量,这样,电力系统会越来越接近其传输容量极限运行,极易产生电压稳定问题。研究表明,电压稳定问题主要是由于电力系统的无功不足引起的,因此有必要将电压稳定问题和无功优化结合起来研究。至今,已有一些文献发表[1~6]。文献[3]以电压稳定作为目标之一进行优化,但对于多目标之间的关系没有仔细讨论;文献[4]以潮流收敛时的雅可比矩阵的最小特征值作为电压稳定的指标,进行优化;文献[5]以电压稳定L指标作为电压稳定的度量加入到无功优化之中;文献[6]则提出了一种新的模型,将电压稳定裕度作为一个约束,通过虚拟一个临界点能够保证系统运行在某个裕度的附近。当前的研究热点之一是如何表征电压稳定问题并加入到无功优化模型中。

本文通过对快速电压稳定指标(Fast Voltage Stability Index)研究,论证了用其表征电压稳定性的可行性和有效性,并将FVSI作为目标函数之一加入到传统的无功规划之中,通过引入调节代价的概念,实现两个目标的有效结合,以实现提高系统的电压稳定性和降低网损的双重目标。最后通过连续潮流法对优化后的系统进行了校验,表明该指标作为电压稳定的表征是合理的。用IEEE 14和30系统的计算结果验证所提算法。

1 电压稳定指标FVSI

至今,随着对电压稳定问题研究的深入,人们提出了很多表征电压稳定性的电压指标,如Z指标,L指标,雅可比矩阵最小奇异值,FVSI指标,LQP指标等等[1,7,8,9]。本文详细介绍FVSI指标并对其表征电压稳定的有效性进行理论说明。如图1所示是一条线路的简单模型。1V∠0,2V∠δ分别是两端的电压,P2+j Q2表示支路功率,R+j X表示支路阻抗。

则在末端节点2的电压2V可以写成式(1):

要保证电压2V有解,则需要保证该二次方程的根判别式∆≥0,即:

通过式(2)可以得到:

由于在长线路中,δ非常小,所以δ≈0,Rsinδ≈0,Xcosδ≈X,因此可以得到快速电压稳定指标:

其中:Z是指支路阻抗,Qj指末端的支路无功潮流,Vi指支路首端电压幅值,X指支路电抗[1]。

FVSI表示支路电压的可解性,即支路潮流解的存在性,其值必小于1。但其大小却可以表示该支路的电压稳定性,如图2,对于一个简单的二次函数y=ax2+bx+c,图像如图2所示,则对于某个特定的y0,其解则其对称轴x=-b/2a,而∆的大小则表征了两解距离对称轴的远近程度,当时此时只有一个解,对应于电力系统电压稳定的QV曲线的鼻型尖点,即电压崩溃点。所以∆越大,则说明两解距离越远,对应于电力系统的电压运行点距离崩溃点越远。即本文推导的FVSI指标越小,则电压解距离崩溃点越远。

又根据基本的电力系统知识S=UI*可知:

是支路阻抗的角度。又因为δ≈0,

将式(6)带入到式(4)中得:

即是推到的FVSI指标的解析式。同样地,当支路为变压器支路时,其FVSI指标的表达式也是相似的。

2 计及电压稳定约束的无功优化数学模型

无功优化在数学上表现为典型的非线性规划问题,其数学模型可描述为

式中:f(⋅)为系统的目标函数;式(9)为节点功率平衡方程;式(10)代表节点电压上下限、控制变量的上下限和支路潮流等不等式约束;u=[QGT,QCT,TBT]T为控制变量列向量,GQ为发电机的无功出力列向量,CQ为无功补偿设备的无功出力列向量,BT为可调变压器的变比列向量;h,h分别为相应变量上下限;设节点n为平衡节点,x=[PGn,V1,V2,…,Vn,θ1,θ2,…,θn-1]T,由平衡机的有功出力、节点电压和除平衡节点外的其它节点电压相角构成。

本文中,网损是用平衡机的有功出力来表示,当系统的负荷和发电机的有功出力已定时,系统的网损最小就等价于平衡机的有功出力最小。采用标幺值表示时,平衡机的有功出力是一个无量纲的量。将FVSI指标作为电压稳定性的表征加入到无功优化目标中,使所有的FVSI指标和最小作为目标函数,即系统的电压稳定性越强。FVSI是一个无量纲的量,因此可以直接与平衡机有功出力相加。为了调节系统的网损和电压稳定性两个目标的关系,本文通过引入调节代价TD表示两目标的比重程度。即调节代价TD表示为了增大系统的电压稳定性,系统运行时对网损的影响程度。所以目标函数可以表示为:

式中:PGn为平衡机的有功出力;TD是为调节代价;k为第k条支路;num_line为支路数。FVSIij为支路的电压指标,i为支路的首端,j为支路的末端。

采用原对偶内点法求解上述模型,详见文献[15]。

3 电压稳定裕度指标

本文选择在临界点(电压崩溃点)运行状态下负荷有功功率与正常运行状态下负荷有功功率之差值作为静态电压稳定裕度的定义[6]。图3给出了某负荷节点电压与负荷有功功率的变化关系λ—V曲线,A点为正常工作点,B点为电压崩溃点。将系统正常工作点A与临界点B之间的距离定义为电压稳定裕度αVSM。通常,利用连续潮流法求静态电压稳定裕度时,所有负荷参数λ都是同一个变量,因此电压稳定裕度可以写成:

其中:l0P为基本负荷,*λ为临界点的负荷参数。

4 算例分析

将本文所提出的方法分别应用于IEEE 14和30节点系统。两个系统的参数均采用标幺值表示,基准功率都为100 MVA,内点法的收敛精度为补偿间隙gap<10-6且最大潮流偏差<10-3,加速因子β=10。所用的优化计算程序用Visual C++编写。所用计算机为Pentium IV 1.80 G,内存256 M。数据如表1所示。

4.1 IEEE 14节点系统结果

在IEEE14节点系统中,在3、6、8号节点设置无功补偿装置,变压器为3台,发电机1、2号节点。从表2可以看出,经常规无功优化后,系统网损为1.136 014,FVSI指标和为0.950 792,电压稳定裕度为1.008 17。而采用本文方法优化后,通过代价调节,当TD=0.001时,系统网损为0.136 057,支路FVSI之和为0.888 469,电压稳定裕度为1.014 11。当增大TD时,就是增大系统的电压稳定性,支路FVSI之和减少,电压稳定裕度增大,但网损变化不大。因此,可以根据系统对电压稳定性的要求的不同,适当调节TD使目标更合理、有效。从表中也可以看出,对于IEEE 14节点系统,增大系统稳定裕度的幅度有限,原因是该系统规模较小,且负荷不重,其裕度本身很大,较难有较大提高。

优化前后的各个支路的电压指标比较,B是常规无功优化后的电压指标的对数值,C是本文方法(TD=0.001)优化后的指标对数值,表明本文方法能有效地改善各个支路的电压稳定性。

4.2 IEEE 30节点系统结果

IEEE 30节点系统在12、15、18、19、21、24、26、28、30号节点设置无功补偿装置,变压器有4台,发电机节点为1、2、5、8、11、13号节点。从表3可以看出,经常规无功优化后,系统网损为0.023 069 3,支路FVSI之和为2.707 366,电压稳定裕度为0.893 031。当采用本文方法时(TD=0.000 25)时,系统网损为0.023 072 7,支路FVSI之和为2.663 176,电压稳定裕度为0.933 157。可见本文方法能够提高系统的电压稳定裕度,并降低支路FVSI之和,改善系统的电压稳定性,但是以增大网损为代价的。图5是用常规优化方法和本文方法计算得到的FVSI指标对比。其中,B表示常规无功优化后电压指标对数值,C代表本文方法后的电压指标对数值。

5 结论

本文探讨了电压稳定性指标FVSI指标的原理和有效性。并将该指标作为电压稳定性的代表加入到传统的无功优化中,引入调节代价来系统网损和电压稳定性两个不同的目标,能有效地提高系统的电压稳定性,同时取得较小的网损。适当地调节调节代价能够协调系统的网损和电压稳定性的关系。IEEE 14和30节点系统的试验表明本文方法的有效性。

摘要：对表征电压稳定性的FVSI指标原理进行了探讨,提出了一种新的电压稳定约束无功优化计算方法,通过引入调节代价,将电压稳定指标和网损两个目标函数有效结合,能够合理协调两者关系,既提高电压稳定性又降低网损。IEEE14和30节点系统的计算验证了该方法的有效性和可行性。

电压稳定性指标 篇2

在建设智能电网变为电网发展大趋势的今天,随着向量测量单元(PMU)在电网中的广泛普及,基于PMU和现代高速的信息传输通道,利用PMU的量测信息来对电网运行状态进行连续监测和分析的WAMS将发挥更加巨大的作用[1,2,3,4],在此过程中需要合理选取量测数据对系统进行在线电压稳定性的连续监测,从而能够有效构建智能电网的电压失稳预警单元[5,6],能够对系统当前运行状态的电压稳定性进行实时监测和预警分析。因此,确定出一个能够有效表征电力系统当前运行状态距离崩溃点远近程度或稳定裕度大小的电压稳定判断指标尤为重要,将有助于调度运行人员根据当前指标做出正确合理的决策,采取相应的对策以有效预防电压失稳/崩溃。当前,在线电压稳定分析的指标主要有:FVSIij[7],Lmn[8],LQP[9],LVSI[10],Lij[11]等。这些稳定指标临界值都为1,FVSIij,Lmn,LQP都采用简单的支路阻抗模型,LVSI计算过程中采用了Π型等值支路模型,Lij是利用了功率方程两圆心之间的距离来定义电压稳定性,未使用Π型模型,但量测功率经过折算,因此指标LVSI和Lij的精度稍高一些;文献[12]提出基于当地量测数据通过曲线拟合方法实现戴维南等值参数的同步跟踪,进而采用阻抗比值来判断电压稳定性,但在实际应用中存在参数漂移的问题;文献[13]构建了一种基于支路阻抗模型的稳定指标,是一种适用于判断辐射型配电网的电压稳定性指标;文献[14]在分析前需要不断进行潮流计算,利用其结果进行等值求解计算,应用于在线实时分析中存在困难;文献[15]是一种需要利用等值系统参数进行电压稳定性评估的方法,需要不断利用PMU量测量进行等值计算,而且有可能发生数据溢出。

本文基于支路参数及PMU支路量测量的基础上,利用了支路参数与支路功率及支路两端电压之间的电气关系,经过适当推导、构建了关于支路两端电压比值的二次方程,提出分析电压稳定性的新指标(LPQI),用LPQI最大的支路作为稳定性最薄弱支路,以此来反映当前状态系统的电压稳定性,其实质是一种根据各支路指标值以建立系统综合的电压稳定评估指标。经过IEEE9、IEEE30节点系统施以验证,算例结果表明能够有效判断当前运行状况薄弱的支路以及可以衡量当前状态距离临界状态的远近程度,且指标获取只需利用PMU量测量及线路参数进行简单计算,在指标计算过程中综合考虑了支路两侧的各个量测量及支路对地电容对分析结果的影响,能够应用于在线电压稳定性分析,是一种由全局信息整合为局部信息,再从局部信息反映至全局状态的一种新方法。

1 基于稳定评估的支路模型分析

目前,在静态电压稳定分析中,一般采用经等值计算得到的无穷大系统通过阻抗支路或者纯电抗支路与负荷相互连接的电压稳定分析模型,而支路的模型采用阻抗或者纯电感忽略了对地支路电容对无功功率分布的作用,计算的精确性往往不太乐观,所以难以适合于研究大电网系统的静态电压稳定性问题[10,15]。

随着PMU在电力系统广泛应用,对于如何选择线路的量测数据构建合适的电压稳定指标进行在线电压稳定性分析尤为重要,基于PMU量测的功率值都是包含了对地支路电容的影响的量测数据。所以,仅以支路阻抗或者纯电抗的模型将不能客观表征无功特性,进而不能客观分析电压稳定问题,忽略支路的充电功率结果不够精确。因此,本文采用Π型支路等值模型,如图1所示,功率流向如图所示,端点i侧的支路功率为Pi+j Qi,端点j侧的支路功率为Pj+j Qj,Ui∠δi、Uj∠δj分别为支路两端电压相量,Z∠θ=r+jx为支路阻抗。

2 基于支路参数与PMU量测的LPQI构建

为了能够客观真实地反映监测线路流动的功率值、属性与电压稳定程度之间存在的因果关系,必须全面考虑该线路流动的有功功率和无功功率对线路两端电压值大小的耦合关系,进而拓展到对系统其他部分以及整个系统的影响。由第1节中所介绍的支路模型,利用支路功率和支路电压之间的物理关联,假设功率从端点i流向端点j为正,令δ=δi-δj,可以构建如式(1)~(4)四个基本的支路关联方程

式(1)~(4)表达了线路参数、线路上流动的功率和线路两端电压之间的关联关系,由式(1)和(3)分别整理可得

令Ui/Uj=t,-Qi/Pj=p,由式(5)得

欲使得关于t的二次方程式(6)有解,则其判别式满足

所以得

同理,根据式(2)和式(4)并令Ui/Uj=t,-Pi/Qj=q可以得到

当系统运行于正常状态时,式(6)和式(9)有两个高低压解,对应的式(8)和式(11)的值小于1,随着系统负荷增加,运行状态趋向于电压稳定的临界状态,其对应的式(8)和式(11)趋向于极限值1,当接近1时,方程的解出现单一解,表示系统已达到了运行的极限值,继续增加负荷可能会导致电压失稳,所以可以构建以下新的在线电压稳定评估指标

其中:N为分析系统的总支路数,LPQI值最大的支路表示当前运行状态下电压稳定性最弱的支路。

3 算例仿真分析

本文采用IEEE9节点系统和IEEE30节点系统作为仿真算例,并选择部分支路的LPQI计算结果与FVSIij[7],Lmn[8],LQP[9]的计算结果进行对比分析,从而来验证本文中提出的在线电压稳定评估指标的有效性,计算结果均用标幺值表示。

3.1 IEEE9节点系统算例

(1)仿真方式1

以恒定功率因数(0.9),5节点的初始功率为基础,有功功率的步长取为0.1,无功功率按照功率因数相应增长,其他负荷节点的功率保持恒定。计算过程显示,支路L6-4与L5-4的LPQI值逐渐趋向于1且增加较快,母线5电压下降速度最快,当支路L6-4的LPQI值为0.993 5时,系统出现电压崩溃为止,此时,母线5的电压降为0.673 1。利用相应数据绘制PV曲线与指标曲线,具体过程描述如图2。

采用同样的增长方式和初始状态,利用判断电压稳定指标FVSIij[7],Lmn[8],LQP[9]的计算方式进行计算。摘取部分代表性支路与本文的LPQI指标的计算结果进行对比分析,结果如表1。

(2)仿真方式2

以恒功率因数(0.9)增加全网负荷直至最薄弱支路L9-6的LPQI值为0.999 7时,系统出现电压崩溃,对应电压下降速度最快的母线5电压值为0.842 5。选择母线5电压值和几条代表性支路的LQPI的指标绘制PV曲线及相关指标曲线如图3。

在相同的全局负荷增长过程中,计算电压稳定指标FVSIij[7],Lmn[8],LQP[9],摘取部分临界状态的计算结果与LQPI指标值进行对比分析,结果如表2。

3.2 IEEE30节点系统算例

(1)仿真方式1

以恒定功率因数(0.9)、30节点的初始功率为基础,有功功率的步长取为0.02,无功功率以恒功率因数相应增长,其他负荷节点的功率保持不变,直至系统将出现电压崩溃为止。在增加负荷的过程中,母线30的电压下降最快,利用母线30电压及相关数据绘制PV曲线和指标曲线如图4。

采用同样的增长方式和初始状态,利用文献[7-9]中的计算方法分别计算电压稳定指标FVSIij[7],Lmn[8],LQP[9]。摘取部分具有代表性的支路与本文的LPQI指标的计算结果进行对比分析,结果如表3。

(2)仿真方式2

以恒功率因数(0.9)增加全系统负荷直至将出现电压崩溃为止,不断计算增长过程中支路的LQPI值。由于在增加负荷的过程中,母线30的电压降落速度最快,因此,选择其电压和部分具有代表性支路的LQPI的指标值绘制PV曲线和指标曲线,具体计算过程描述如图5。

采用相同的负荷增长方式和基于相同的初始状态,依次计算电压稳定指标FVSIij[7],Lmn[8],LQP[9]的值,摘取部分代表性支路与本文的LPQI指标的计算结果进行对比分析,结果如表4。

3.3 算例小结

(1)通过IEEE9和IEEE30节点系统算例表明,无论是单个节点负荷按恒功率因数增加或者是全网负荷以恒功率因数增加,随着负荷的增加,不断计算LPQI值,当接近电压崩溃时,最薄弱支路的LPQI值将接近于1,通过LPQI值与1的接近程度,能够有效地表征当前运行状态的电压稳定性以及当前运行状态与临界状态之间的远近程度。并且摘取系统部分支路的临界值和FVSIij[7],Lmn[8],LQP[9]三种指标的临界值作以对比分析,表明了本方法的有效性和可行性。

(2)在图3~图5中,本文选择的具有代表性的几条支路存在LPQI指标曲线交叉现象,表明此时有支路的有功功率发生了转移,但系统趋于电压崩溃过程中,最薄弱支路的LPQI最终都向1趋近,在其前后的运行状态仍可比较LPQI值来选择最薄弱支路,从而衡量静态电压稳定性。

4 结论

(1)本文提出了新的在线电压稳定评估指标LPQI,利用支路量测信息经简单计算来评估系统整体的电压稳定性程度,在接近电压稳定临界点处LPQI的值为1,通过实例验证能够良好地评估电压稳定程度,计算简单,实用方便,且计算结果精度较现有的FVSIij[7],Lmn[8],LQP[9]指标略高,为在线实时电压稳定分析提供了一个新的平台。

(2)在构建稳定评估指标的过程中,有效利用了支路两端的量测信息,推导过程中,采用了Π型支路模型来构建了关于支路两端的电压值的二次方程并结合了两端的有功功率和无功功率,考虑了支路电容的影响,较为全面地考虑了电压和两端功率及支路参数之间的电气关系。

(3)对于故障或者系统发生震荡的过程中,如何评估电压稳定性,目前的FVSIij,Lmn,LQP,LVSI,Lij等评估指标都未做详细地分析,是一个非常具有实际意义的问题,有待进行深入研究。

摘要：基于PMU的支路量测,利用支路参数、功率及两端电压向量间的电气关系,构建了一种新的电压稳定评估指标(LPQI)。LPQI变化范围为0～1,计算每条传输线路的LPQI,将LPQI值最大的支路定义为系统电压稳定性最弱支路,其值的大小用以评估当前运行状态下系统的电压稳定程度。经过IEEE9、IEEE30节点系统进行实例验证,计算结果表明LPQI指标能够有效确定当前运行状况下最为薄弱支路,进而可以衡量当前状态距离临界状态的远近程度,LPQI指标的获取计及了支路对地电容对评估静态电压稳定性的影响而且只需进行简单计算。

电压稳定性指标 篇3

电压稳定是电网安全稳定运行的重要条件之一。随着电网规模的扩大和电力市场化改革的深入，远距离重负荷输电将使电压稳定问题日益突出。近年来，国内外发生了多起电压崩溃引起的电网瓦解事故[1,2,3]，在破坏正常社会经济政治秩序的同时也造成极大损失。因此，电压稳定问题已受到越来越多的关注。

目前，可用于静态电压稳定分析的方法较多，如潮流多解法、连续潮流法、非线性规划法、灵敏度分析法[4,5,6,7,8,9,10,11]等。各分析方法衍生出不同的电压稳定评估指标，某些商用软件如DSA-VSAT也已经被开发应用。文献[12]总结了目前常用的5种静态电压稳定指标，即基于P-U曲线的电压变化指标、负荷裕度指标、电压/有功功率灵敏度指标和基于Q-U曲线电压/无功功率、无功功率裕度指标。其中，灵敏度指标能反映系统当前运行状态特性并判断系统薄弱节点，从而进行重点监视;裕度指标能描述随负荷功率的增长，系统当前运行点到电压崩溃点的距离，从而根据系统储备程度评估运行电压的稳定程度。

上述指标均从一个角度(有功功率或无功功率)进行评估分析，而各指标本质上是相互关联的，因此文献[12]应用DSA-VSAT的结果，基于电压变化指标和无功功率裕度指标提出了多准则综合电压评价指标。但2种指标量纲不同、数量级有差异，造成分析结果较为依赖权重系数的选取，同时文中也未给出可靠的权重系数选择依据。本文选取电压/有功功率灵敏度指标和电压/无功功率灵敏度指标作为综合指标，提出新的多准则综合电压稳定评估指标。该方法能够同时计及有功功率和无功功率对电压稳定的影响，且选取的综合指标量纲相同，不需要标准化处理，能够克服因量纲不同和数值数量级不同而造成结果偏差。同时也提出了一种计及功率增长方式的权重系数选择方法，利用该方法评估系统电压稳定性能来判断节点电压失稳的原因，为采取合理的控制措施提供依据。

1 灵敏度指标的计算

1.1 数学模型

灵敏度分析方法以潮流方程为基础，利用系统中某些量的变化关系，即它们之间的微分关系来研究系统的电压稳定性。由于该方法物理概念明确、计算简单、易于实现，因此广泛应用于电压稳定评估[5]、薄弱节点判定[9]和无功补偿点选择[10]等方面。

电力系统的节点功率平衡方程：

其中，x是状态变量，包括负荷节点的电压、相角和发电机节点的相角;u是控制变量，包括发电机节点的有功功率和电压、平衡节点的电压和相角;α是扰动变量，包括负荷节点的有功功率和无功功率等。

将式(1)泰勒展开，并忽略高阶项得：

其中，fx、fu、fα分别是功率平衡方程对状态变量、控制变量和扰动变量的偏微分矩阵。

由式(2)可得：

式(3)可简写为：

其中，Sxu是状态变量对控制变量的灵敏度矩阵;Sxα是状态变量对扰动变量的灵敏度矩阵。

由式(4)可知，控制变量或扰动变量的变化会引起状态变量的变化，灵敏度矩阵的对角线元素则反映了同一节点控制变量或扰动变量与状态变量之间的相关性。

1.2 电压稳定评估的灵敏度法

常规潮流模型下，系统节点功率平衡方程可写为：

其中，ΔPi是节点i的有功不平衡功率;ΔQi是节点i的无功不平衡功率;Pis和Qis分别是节点i注入的有功功率、无功功率;Gij和Bij分别是节点导纳矩阵第i行第j列元素的电导和电纳;Ui是节点i电压幅值;θij=θi-θj是节点i和节点j之间的电压相角差。

由式(5)泰勒展开，并忽略高阶项得：

其中，ΔP是节点有功功率变化量;ΔQ是节点无功功率变化量;Δθ是节点电压相角变化量;ΔU是节点电压幅值变化量;是常规潮流模型的雅可比矩阵。

为计算负荷无功功率对节点电压的影响，通常假设负荷有功功率不变[11]，即ΔP=0，可求得负荷无功功率的变化对电压的影响为：

其中，是电压/无功功率灵敏度矩阵。当负荷节点无功功率需求增加(或减小)时，该节点电压下降(或升高)，则系统是电压稳定的;否则，电压不稳定。

为计算负荷有功功率对节点电压的影响，通常假设无功功率不变，即ΔQ=0，负荷有功功率的变化对电压的影响为：

其中，是电压/有功功率灵敏度矩阵。当负荷节点有功功率增加(或减小)时，该节点电压下降(或升高)，则系统电压稳定;否则，电压不稳定。

通过上述分析可知，电压/有功功率灵敏度指标和电压/无功功率灵敏度指标的模值越小，说明有功功率或无功功率变化引起的电压变化越小;反之，灵敏度指标模值越大，电压变化越大。显然，过大的模值不利于电压稳定。

无论是电压/有功功率灵敏度指标还是电压/无功功率灵敏度指标都建立在一种功率变化而另一种功率不变的基础上，这不符合实际运行工况。实际上，负荷的有功功率和无功功率按某种关系增长，即功率的增长方式[13]。

1.3 电压/有功功率灵敏度指标与负荷裕度指标的比较分析

对同一节点而言，电压/有功功率灵敏度模值越大的运行点越接近临界点，负荷裕度越小，如图1所示。

由图1可知，运行点P1的灵敏度模值小于P2，由灵敏度指标判定运行点P1电压稳定程度高于P2;同时，在相同极限传输功率下，运行点P1对应的负荷裕度大于P2，由负荷裕度判据判定灵敏度指标判定运行点P1电压稳定程度高于P2。因此，对同一节点的电压/有功功率灵敏度指标等价于负荷裕度指标。

当评估不同节点间的电压稳定性时，因为节点间的电压稳定鲁棒性不同，会导致截然相反的评估结果，如图2所示。用电压/有功功率灵敏度指标评估时，节点a的电压稳定程度优于节点b;用负荷裕度指标评估时，节点b的电压稳定程度优于节点a。2种指标的评估结果相反。

虽然节点b能够承担较重的负荷，但运行点处微小的有功功率增量都会引起较大的电压下降，对节点处用电设备不利，尤其是感应电动机。电压下降会导致感应电动机吸收的无功功率增加，形成电压下降正反馈，可能引起节点电压失稳，进而扩展到相邻的电动机，引起区域电压失稳，最终导致电压崩溃。因此，电压/有功功率灵敏度指标在电压稳定评估中很有意义。

2 基于理想点法的多准则综合灵敏度电压稳定评估指标

电压/有功功率灵敏度指标和电压/无功功率灵敏度指标分别从有功功率和无功功率2个角度评估了电压稳定性，都属于“极小型”指标，而且量纲相同，不存在某个指标数量级过大而影响分析结果的问题，不需要标准化处理。为此，本文选取了电压/有功功率灵敏度指标和电压/无功功率灵敏度指标，并用理想点法将其综合为多准则综合灵敏度指标。

2.1 理想点法[12,14]

理想点法是综合评价方法的一种，能够客观、公正、合理地评价被评价对象。在理想点法中，假设m个评价指标，每个指标的最优值被定义为理想点X*=(x1*,x2*，…，xm*)，第i个被评价对象对每个指标的实际值为Xi=(xi1,xi2，…，xim)。用Xi与理想点X*之间的加权距离来评估第i个被评价对象在所有被评价对象中的是否最优。通常情况下采用欧氏距离，即：

其中，yi是第i个被评价对象的欧氏距离;ωj是第j个评价指标的权重系数;xij是第i个被评价对象的第j个评价指标的计算值;xj*是第j个评价指标的理想点。

显然，电压/有功功率灵敏度指标和电压/无功功率灵敏度指标都是“极小型”指标，基于电压/有功功率灵敏度指标和电压/无功功率灵敏度指标的欧氏距离越小，电压稳定程度越高。

2.2 多准则综合灵敏度电压稳定评估指标

根据灵敏度算法和理想点法，综合电压/有功功率灵敏度指标和电压/无功功率灵敏度指标得到新的多准则综合灵敏度电压稳定评估指标为：

其中，yi是节点i的多准则综合灵敏度电压稳定评估值;ω1是电压/有功功率灵敏度指标的权重系数;ω2是电压/无功功率灵敏度指标的权重系数;ω1+ω2=1。

新的多准则综合灵敏度电压稳定评估指标选择了电压/有功功率灵敏度指标和电压/无功功率灵敏度指标进行综合，能同时计及运行点处有功功率、无功功率对电压稳定的影响。而且这种指标选取办法使权重系数有了明确的物理意义，为克服权重系数难以选择、单靠经验猜测提供了可能。

2.3 权重系数的选择

设负荷的有功功率、无功功率按一定比例增长[13]，增长方式为：

其中，ΔPi和ΔQi分别是负荷的有功功率增长量和无功功率增长量;为方便叙述，引入负荷增长的功率因数角φi，以描述负荷增长的比例关系。

令系统的负荷增量为：

其中，m1是有功功率增长系数;m2是无功功率增长系数。

将式(12)代入式(11)得：

将式(13)代入到式(9)，得：

再计及权重系数约束，可得：

式(15)给出了一种多准则综合灵敏度电压稳定评估指标下权重系数的选择方法。该方法从实际工况出发，以负荷的增长方式为依据，节点负荷类型不同，其权重系数不同，符合运行实际，有一定的理论依据，克服了权重系数难以选择的问题。

3 仿真分析

以某实际电网为例，比较了几种常用的评估指标，再应用本文提出的多准则综合电压稳定指标进行计算，验证了其合理性和有效性。

该实际电网总出力4 070+j982.6 MV·A，总负荷1 694+j661 MV·A，电压等级涵盖了1～500 kV，共有母线87条，其中500 kV母线5条，220 kV母线24条。由于节点众多，本文仅对该区220 kV以上节点进行了电压稳定评估。

3.1 几种常用指标的比较

文献[12]总结了常用的电压稳定评估指标及方法，本文以实际电网正常工况为例分别进行计算，结果如图3—6所示。

图3和图4分别为电压/有功功率、电压/无功功率灵敏度指标的评估结果，这2种指标为“极小值”型指标，其模值越小，稳定程度越高，越大越不稳定。图5和图6为裕度指标的评估结果，由裕度指标的物理意义可知，模值越大越稳定。

比较图3—6可得如下结论。

a.不同的评估指标评估结果存在差异，其原因是：单纯以有功功率评估电压时，会忽略节点的无功功率支持;而单纯以无功功率评估电压时，又无法计及节点处的有功功率传输能力。现有的常用评估指标，仅单一从有功功率或无功功率角度考虑，不够全面，需要一种能同时计及有功功率、无功功率的电压稳定评估指标。

b.节点24、25负荷虽有较好的裕度指标，但其运行点处受到扰动时，电压变化幅度较大，与1.3节中负荷裕度指标和灵敏度指标分析相一致。

c.电压/有功功率指标和电压/无功功率灵敏度指标数量级相同，但与负荷裕度指标或无功功率裕度指标的数量级差距很大。如果选用其他指标进行综合，将出现“大数吃掉小数”、结果偏向“大数”一方的情况[15]，与文献[12]所得结论一致。

3.2 多准则综合灵敏度电压稳定评估指标

图7为不同功率增长比例时，多准则综合灵敏度电压稳定评估指标对该实际电网进行评估的结果。

从图7中可以得出如下结论。

a.节点7、8、9、10、26、27为系统的电压稳定节点，节点28和节点29是该电网电压最薄弱节点，多准则综合灵敏度指标与其他指标的判断结果一致。在地理接线图上也可以看出，节点28和节点29位于主网末端，远离电源点，负荷较重且无功功率不足，易发生电压失稳，应重点监控。

b.随着负荷增长的功率因数逐渐下降(从0.97降到0.1)，负荷无功功率对电压稳定的影响逐渐增大。节点25逐渐成为新的电压弱节点。相反，功率因数越高，越应该关注其负荷有功功率的增长情况，如节点19和节点20。此时，投入无功补偿装置对电压稳定的作用不大。相比其他单一方法，该方法能够给出节点不稳定的原因是来自有功功率还是无功功率，从而及时采取正确控制措施。

4 结论

a.新的多准则综合灵敏度电压稳定评估指标在当前运行点的基础上，能同时计及有功功率和无功功率对电压的影响，弥补现有评估指标的不足。

b.选取灵敏度指标作为综合项，不需要标准化处理，克服了量纲和数量级差异带来的评估差异。

c.给出了一种多准则综合灵敏度电压稳定评估指标下权重系数的选择方法。相比其他单一方法，该方法能够计及功率增长方向对电压稳定的影响，给出节点不稳定的原因是来自有功功率还是无功功率，从而为及时采取正确的控制措施提供依据。

摘要：针对目前静态电压稳定评估方法多从单一角度、用一种变量与电压的关系进行评估的局限性,提出一种新的多准则综合灵敏度电压稳定评估指标。该指标基于理想点法,结合电压/有功功率灵敏度和电压/无功功率灵敏度指标,从而达到联系有功功率和无功功率的目的。该指标无需标准化处理,可克服因量纲不同和数值数量级差异造成的结果偏差。为解决理想点法难以选择权重系数的问题,提出一种能够计及负荷增长方向的权重系数选择方法。通过实际电网算例验证了所提指标的合理性和有效性。

电压稳定性指标 篇4

1 风力发电机模型简介

目前电力系统中的风力发电机组主要有:固定旋转机组、最优滑差控制机组、双馈风电变速机组和永磁直驱变速机组。其中双馈式风力发电机组应用比较广泛, 双馈式风力发电机系统结构如图1所示。

双馈电机的基本原理是在感应电机的转子回路中加入一个可控电压源, 通过改变其电压幅值和相角实现对风机速度和功率因数的控制。变速风电机组中的双馈感应发电机 (DFIG) 除了定子绕组直接与电网相连以外, 转子绕组通过背靠背式功率变流器系统也与电网实现了连接, 电机定、转子绕组均可与电网进行能量交换。转子变流器的存在如同在电机转子电路上增加了一个可控的外部电压相量, 通过对该外部电压相量的控制可以使双馈电机实现变速运行。DFIG具有无功功率调节功能, 可以提高风电机组功率因数和控制双馈感应发电机机端电压。

2 二级电压控制简介

二级电压控制原理:将整个电力系统划分若干控制区域, 在每个控制区域中选择先导节点, 根据先导节点的电压偏差, 按照预定的控制方式有效调整区域内控制发电机AVR设定值, 使先导节点的电压基本保持不变, 进而维持整个区域的电压水平, 并使无功分布在一个良好的状态, 如图2所示。

改进的二级电压控制 (CSVC) 为协调二级电压控制, 基本原理仍然是使区域内主导节点的电压基本保持不变, 但控制信号的作用包含多个主导节点, 且考虑发电机对所有主导节点的作用, 控制信号通过求解一个最小化的多变量二次函数取得。根据不同的需要, 可设定不同的目标函数[5], 本文研究的优化目标函数由以下三项构成。

1) 使主导节点的电压偏差最小。

2) 使无功控制设备之间的相对无功发电量尽可能相同, 以保持系统尽可能多的无功储备。

3) 使关键节点 (本区域的边界点) 的电压离初始值偏差最小, 以减少对相邻区域的影响。

其具体模型如下式表示:

式中:V1, …, Vm为发电机端电压, m为其台数;C1, …, Cn为无功补偿器分接头位置, n为其台数;T1, …, Tk表示有载调压变压器分接头位置, k为其台数;αp, αG, αc分别为先导节点、电压控制节点和关键节点的集合, 关键节点为本区域的边界点;Vi, ref, Vi分别为节点i的电压参考值和实际电压值;λa, λb为权重系数;Qi, Qi, max分别为注入节点i, j的实际无功和无功最大限制;qref为相对无功发电量参考值, , 分别为节点i的有功和无功等式约束。

3 PSAT模型搭建

基于MATLAB数学语言编写的电力系统分析软件包PSAT是一种用于分析和设计中小型电力系统的软件, 其源代码完全公开, 支持用户自定义模型[6,7]。

PSAT仿真软件有两种建模方法:一种是在Simulink上搭建网络模型, 计算时自动生成*.m文件;另一种是直接在*.m上输入数据。本文采用第一种建模方法, 搭建的仿真模型如图3所示。

模拟仿真系统目的是研究二级电压控制在含有风机的系统中对系统暂态电压稳定的影响。具体研究思路是搭建IEEE14节点系统模型, 其中双馈感应电机从1节点接入系统。在母线2-4之间设置短路扰动, 根据扰动发生后主导节点电压变化情况及发电机无功功率分配情况, 分析二级电压控制对系统电压稳定及发电机无功功率分配的影响。

4 算例分析

基于PSAT软件, 采用IEEE14节点算例, 通过二级电压控制模块, 实现二级电压控制的原理与方法。基准功率SB=100 MW。仿真过程分为三种方案进行, 将1号发电机用双馈感应式风力发电机替代。

方案一:不安装二级电压控制器。

方案二:安装SVC二级电压控制器。

方案三:安装CSVC二级电压控制器。

三种方案所采用的模型参数完全一致。由于系统规模相对较小且联系紧密, 故不对其进行分区。选取节点4为主导节点, 母线2、3上所连发电机为控制发电机;二级电压控制器参数为KI=0.02 s, KP=1 s, T发电机无功出力限制为0.9~1.1 p.u.。方案三协调二级电压控制模型采用文献[5]所提出的遗传算法进行求解。

采用故障方式为t=1 s时, 线路2~4之间发生短路故障。仿真结果如图4—图9所示。

从仿真实验结果可以看出, 当线路出现故障时, 未安装二级电压控制器的电压下降幅度较大。安装了二级电压控制器以后, 主导节点电压经30 s时间能够恢复到初始值附近, 其它各节点电压也有不同程度的恢复。而通过对两个无功源出力曲线进行对比可以看出, 协调无功源的控制器明显增大了发电机1的无功出力, 减小了发电机3的无功出力, 使两机的无功裕度相对增加。因此, 二级电压控制可以根据主导节点的电压偏差, 按照预定的控制方式, 协调有效地调整区域内各控制发电机AVR的参考电压值, 从而使主导节点电压基本不变。同时, 利用剩余的控制自由度使无功源的出力更加均衡。

5 结论

本文研究的二级电压控制模型定义了关键节点, 考虑了二级电压控制区域间的影响。模型所选的控制器不仅包含了发电机等连续调节设备, 还包含了有载调压变压器等离散调节设备, 控制更接近于实际电力系统。将模型中的一台发电机改为双馈感应风力发电机, 采用PSAT进行二级电压控制系统建模和稳定性仿真, 结果表明, 双馈风电机组具有快速、平滑的无功控制能力, 在二级电压控制的作用下可使发电机无功出力水平更加均衡, 优化节点的电压分布, 大幅改善系统电压-无功水平。

摘要：为研究自动电压控制 (Automatic Voltage Control, AVC) 对电网电压质量和运行经济性的作用效果, 采用了将双馈风电机组作为无功源的风电场自动电压控制设计方法, 分析二级电压控制对风电场电压稳定性的影响。以IEEE14节点为例, 采用基于遗传算法的协调二级电压控制模型, 并通过基于MATLAB的电力系统软件包PSAT进行动态仿真验证。结果表明, 二级电压控制可以大幅度改善风电场的电压-无功水平。

关键词：二级电压控制,风电场,PSAT,暂态电压稳定

参考文献

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浅谈电压稳定性机理 篇5

1 电压稳定性破坏的原因

电压崩溃的起因。电力系统稳定问题的物理本质是系统中功率平衡问题, 电力系统运行的前提是必须存在一个平衡点。电力系统的稳定问题, 直观的讲也就是负荷母线上的节点功率平衡问题。当节点提供的无功功率与负荷消耗的无功功率之间能够达成此种平衡, 且平衡点具有抑制扰动而维持负荷母线电压的能力, 电力系统即是电压稳定的, 反之倘若系统无法维持这种平衡, 就会引起系统电压的不断下降, 并最终导致电压崩溃。当有扰动发生的时候, 会造成节点功率的不平衡, 任何一个节点的功率不平衡将导致节点电压的相位和幅值发生改变。各节点电压和相位运动的结果若是能稳定在一个系统可以接受的新的状态, 则系统是稳定的, 若节点的电压和相角在扰动过后无法控制的发生不断的改变, 则系统进入失稳状态。电力系统的电压稳定和系统的无功功率平衡有关, 电压崩溃的根本原因是由于无功缺额造成的, 扰动发生后, 系统电压无法控制的持续下降, 电力系统进入电压失稳状态。无论是来自动态元件的扰动还是来自网络部分的扰动, 所破坏的平衡均归结为动态元件的物理平衡。电力系统的动力学行为仅受其动态元件的动力学行为及其相互关系的制约。

2 电压稳定性的分类

将电压稳定性问题适当分类, 对电压稳定性的分析, 造成不稳定基本因素的识别, 以及提出改善稳定运行的方法等都是有利的。

2.1 按扰动的规模来讲电压稳定问题可以分为小扰动电压稳定性, 大扰动电压稳定性。

一是小扰动电压稳定性是在如系统负荷逐渐增长, 送到负荷节点的功率的微小变化之下系统控制电压的能力。小扰动下系统能够稳定运行意味着系统本身能够不断调整以适应变化的情况, 系统控制系统有能力在小扰动后令人满意地运行, 保证系统发出的无功等于消耗的无功, 在出现最大负荷时能成功地供电。这种形式的稳定性由负荷特性、连续作用的控制及给定瞬间的离散控制作用所确定。系统对小扰动的响应特性取决于初始运行条件、输电系统强度以及所用的发电机的励磁控制等因素。依靠负荷和电源自身固有的调节能力, 使扰动前后的电压值相同或者相近。二是大扰动电压稳定性是关于在发生诸如系统故障后, 系统控制电压的能力。这些扰动包括输电线上短路、失去一台大发电机或负荷, 或者失去两个子系统间的输电线。系统对大扰动的响应涉及大量的设备。此外, 用来保护单个元件的装置对系统变量变化的响应也影响系统的特性。

2.2 按照失稳事故的时间场景电压稳定问题可以分为:

一是暂态电压稳定性, 稳定破坏的时间框架从0~大约10秒, 这也是暂态功角稳定性的时间框架。在这类电压不稳定中, 电压失稳和功角失稳之间的区别并不总是清晰的, 也许两种现象同时存在。这类电压崩溃是由诸如感应电动机和直流换流设备等不良的快速反应负荷元件造成的。对于严重的电压下降感应电动机可能失速, 吸收无功功率急剧增加, 进而将引起其临近的其它感应电动机失速。除非尽快切除该类负荷, 否则会导致电压崩溃。二是中期电压稳定性, 稳定破坏的时间框架通常为30秒到50秒, 典型者为2到3分。发生此类电压失稳事故时电力系统一般处于高负荷水平, 且从远方电源送入大量功率, 当重载条件下运行的系统受到突然的大扰动后, 由于电压敏感性负荷的作用, 系统能够暂时保持稳定。但扰动后网络无功损耗大量增加, 引起负荷区域电压下降, 当自动调节分接头的变压器和配电电压调节器动作, 而恢复末端变压器负荷侧电压, 从而恢复负荷功率时, 网络传输电流进一步增大加剧输电网络中电压的下降。同时送端发电机可能因过励磁限制而只发送有功, 甚至由于发电机长时间过电流而被切除。这样含电源在内的输电网络已经不可能提供足够的无功功率, 以支持负荷消耗与网络无功损耗的需要, 就会最终导致电压崩溃对于这类电压崩溃事故, 运行人员来不及干预, 自动调节分接头的变压器及配电电压调节器, 发电机过励限制等因素在此过程中起重要作用。应当指出的是, 在这一过程中自动调节分接头的变压器的作用是抑制或加剧电压崩溃的进程, 与负荷特性分接头位置及系统无功储备有关。三是长期电压不稳定性, 这种场景的电压崩溃发展过程经历一个相当长的时间, 其过程可大致描述如下:负荷过速增长, 导致主要负荷母线电压单调下降。几分钟内由于自动调节分接头的变压器及调度干预等作用, 电压的下降得到遏止后, 一方面自动调节分接头的变压器使网上负荷得到恢复, 另一方面负荷继续快速增加, 电源的增加或当地无功补偿增加, 跟不上负荷增长速度的需要, 电压下降进一步恶化, 最终导致部分地区电压崩溃, 系统瓦解, 造成大面积停电。在长期电压不稳定事故中, 往往没有直接的扰动。其原因是本来已经薄弱的严重过载的结构, 不合理的网络中的负荷恢复和快速增长造成的。

3 小扰动电压稳定性的机理分析

电力系统在给定的稳态运行点遭受任意小的扰动后, 如果负荷节点的电压与扰动前的电压值相同或者相近, 则称系统在给定运行点为小干扰电压稳定, 此时系统扰动后的状态位于系统扰动后的吸引域内。从负荷节点可将系统分为两部分, 一部分可以看为电源系统, 则另一部分看为负荷。小扰动电压稳定性的前提是扰动后的系统电源的无功—电压静态特性和负荷的无功—电压静态特性必须有交点, 并且在该点具有维持电压不变或有微小变化的能力。

4 大扰动电压稳定性的机理分析

提高居民小区电压稳定性 篇6

1 提高居民小区电压稳定性的规划

拥有完善的电力系统是保障电压稳定的重要基础。在实际生活中, 会遇到许多影响电压稳定的问题, 因此需合理规划, 才能提高居民小区电压的稳定性。具体规划内容为: (1) 如果小区供电采取远距离向负荷中心送电的方式, 则需要采用有效的措施减少途中的干扰。比如可以通过建设电力系统网架结构, 在发电机和负荷当中增加一些新的输电线路。对于新建的线路, 可以使用高波阻抗功率值的线路, 以有效减少电压的损耗, 提升电压稳定性。 (2) 对于长距离重负荷的输电线路, 可以在线路中间安装串联电容器。通过串联电容器, 可以明显缩短线路的电气长度, 提高电压的稳定性。同时, 需要确定串联电容器的数量, 使电压维持在某个特定的点, 最终使居民小区的电压处于稳定的状态。 (3) 功率平衡才能有效维持电压的平稳, 因此需要重视受端系统, 维护电压的安全性和稳定性。必要时, 可以在负荷区域设置可快速启动的燃气发电机组, 有效提高电压的稳定程度。 (4) 对于传输巨大功率的输电系统, 要减少电力的损耗, 维持电压的稳定性。对此, 可以通过安装足够的无功补偿装置, 降低无功功率对电压的消耗, 使电压维持在较高的水平。 (5) 在电力系统当中, 可以适当增加一些并联电容器和并联电抗器, 这样就能在发生故障时快速断开控制装置, 有效维护电路的安全。同时, 如果在远距离大容量负荷线路的受端接入大容量并联电容器, 需要注意是否出现了电压不稳定的情况。 (6) 通过简单的并联补偿电容器, 可以使电压维持在某一点, 有效避免出现电压不稳定问题, 尤其是在距离大容量负荷线路的受端安装并联补偿电容器, 可以有效控制电压, 使受端系统的电压处于比较稳定状态。另外, 在规划无功电源的时候, 可以选择并联电容器, 达到无功补偿的目的, 并且增加快速响应的无功备用容量, 提高小区的电压稳定性。

2 提高居民小区电压稳定性的方法

2.1 使电力系统得以顺利运行

只有电力系统正常运行, 才能使电压稳定, 因此, 在实际工作中, 工作人员需要及时投切电压和无功功率, 调整设备。首先, 在遇到电力系统重载的情况时, 运行人员需要保持输电电压在允许的高水平, 并使负荷母线电压大于临界电压值。假如现在居民小区的使用无功补偿装置无法满足上述要求, 就需要通过限制传输功率, 启动发电机组, 增加电压的支持。其次, 通过减少特定发电机的有功出力, 可以得到更多的无功功率, 对改善电力系统的电压稳定性具有重要的作用。所以在电力系统受到干扰的时候, 可以采用减小有功出力的方法, 提高小区电压稳定性。最后, 低压减载是维持电压稳定性的重要措施。在小区电压过低的时候, 可以切除部分负荷, 使小区的主要地区得以正常供电。

2.2 安装电压安全监控系统

计算机技术的不断发展可以为电压设置安全监控系统, 从而帮助调度员更好地维持电压的稳定性。所安装的电压安全监控系统需要具备以下作用: (1) 可以告知查询人员目前的电压情况; (2) 在电压不稳定的时候提醒调度人员, 并且显示电压不稳定的薄弱区域; (3) 当必须切负荷的时候, 可以准确告诉调度人员在哪些节点, 需要切除多少负荷。通过电压安全监控系统的设置, 不仅可以使居民小区的电压保持在比较稳定的状态, 也可以达到防患于未然的目的。另外, 调度员在电压安全监控系统的指导下, 可以快速找出引起电压失稳的原因, 及时采取措施解决问题, 维护居民小区电压的稳定性。

2.3 建立正确计算负荷的模型

在电力系统当中, 负荷组成具有复杂性, 可以通过制作负荷模型, 了解电压不稳的原因。但是在日常生活中, 负荷模型与实际情况具有一定的差距, 使得制作模式得出结果的准确性受到影响, 因此, 需要准确把握电力系统当中负荷特性的情况, 制订有效的电压系统的运行规划。首先, 需要依据实地测量获得的综合负荷数据进行有针对性的总体测辩建模, 正确归类建模信息。其次, 需要确定负荷模型的参数, 了解导致电压发生波动的影响因素。最后, 需要充分利用负荷模型, 了解电压不稳定的原因, 制订有针对性的解决方案, 促进小区电压稳定性的提升。

3 总结

目前, 由于房地产的兴盛, 居民小区越来越多。小区电压的稳定程度直接关系到居民的居住质量, 因此, 需要提高对居民小区电压稳定性的重视程度。但是目前小区电压还存在断电比较突然、故障多发等问题, 严重影响了小区居民的正常生活。因此, 需要采取措施, 提高小区电压的稳定性。比如可以通过使电力系统得以顺利运行、安装电压安全监控系统、建立正确计算负荷模型等方法, 解决目前小区当中电压不稳的问题, 提高人们对居住环境的满意度。

摘要：从大量的居民小区电压崩溃事故来看, 电压不稳容易使单一故障演变成多重故障, 最终导致电力系统全面崩溃。假如没有有效的解决措施, 就可能导致小区的停电事故。要想解决这个问题, 就需要进行完善的系统规划建设。从电源、负荷和网架结构等方面分析了影响电压稳定性的因素, 从而制定出提高居民小区电压稳定性的方案。

关键词：电力系统,电压稳定性,监控系统,输电系统

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风电场系统电压稳定性研究 篇7

2014年苏州首座风力发电站投入运行,对合理改善能源结构、缓解区域用电紧张提供了有力支撑,也为苏州新能源发展注入了新的活力。风能作为一种可再生能源,被各国广泛认可并用来发电。随着风力发电的迅速发展,风电场并网容量的不断增长,对常规电力系统造成的影响也日益突出。风电并网存在的电压稳定性问题值得深入研究,是电力系统电压稳定性课题的又一个新内容。

1 风电场系统模型

含风电场3节点系统由一条无穷大母线、一个风电场和一条负荷母线组成,如图1所示。

若为恒速恒频异步发电机,已经有很成熟的模型,在此不做详细介绍。取风电场参数,代入恒速恒频异步发电机方程,得出系统常微分状态方程组(ODEs)为:

2 电压稳定分岔分析

运用数值分岔分析工具箱MATCONT对式(1)所示的常微分状态方程组(ODEs)进行电压稳定性分岔分析。

在风电系统中,一般可取注入机械功率Pm和无功负荷Q1为分岔参数进行分岔分析,求取系统的平衡点Q1-V曲线,如图2所示。

由图2可知,系统随着Q1的逐渐增大,在LP点出现鞍结分岔。仿真曲线表明,随着无功负荷的持续增加,风电场的无功补偿不足,引起电压下降。当系统的无功负荷过重,系统的无功缺失严重时,电压持续下降,最终系统电压会失稳或发生崩溃。

以鞍结分岔点(LP点)为初始点,在t=0.2s时刻,Q1分别突然增加0.001p.u.、0.002p.u.、0.003p.u.时的时域仿真图如图3所示。

由图3可知,当Q1产生一个小扰动时,负荷侧母线电压V将迅速发生单调崩溃,而且扰动的程度越大,系统发生电压崩溃的时间越短。

3 分岔控制

电压稳定性分岔控制主要是通过各种分岔控制手段来延缓或消除分岔现象。在含恒速恒频异步发电机风电系统中,负荷侧母线安装一个静止无功补偿器(SVC),运用MATCONT对系统进行单参数分岔分析,如图4所示。

由图4可知,LP1滞后于LP0点,显然对系统进行SVC补偿后,能有效延迟鞍结分岔的发生。

在系统的负荷侧母线安装一个静止无功发生器(STATCOM),运用MATCONT对系统进行单参数分岔分析,如图5所示。

由图5可知,对系统进行STATCOM补偿后,其鞍结分岔点LP2滞后于用SVC补偿后系统的鞍结分岔点LP1;取相同增益时,用STATCOM补偿的系统Q1极限值较大,更有效地延迟了系统的鞍结分岔。由此可得,STATCOM作为无功补偿设备较SVC性能更为优越。

4 结束语

风电场系统是一个非线性动态系统,将分岔理论引入电压稳定性问题的研究,对解释电压失稳和崩溃的机理、制定预防和控制措施有着重要的意义。本文运用数值分岔分析软件MATCONT对风电场系统电压稳定性进行分岔分析。研究结果表明:对于风电场系统,当系统无功负荷Q1过重、无功缺失严重时,电压持续下降,系统将发生鞍结分岔,最终系统电压会失稳或发生崩溃。在鞍结分岔点,当Q1产生一个小扰动时,负荷侧母线电压V将迅速发生单调崩溃,而且扰动的程度越大,系统发生电压崩溃的时间越短。对系统进行SVC补偿后,能有效延迟鞍结分岔的发生。与用SVC补偿的系统进行比较可得,STATCOM作为无功补偿设备较SVC性能更为优越,更能有效延迟系统的鞍结分岔。

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