电力系统电压稳定与无功控制的研究42

发布时间：2016-10-27 17:53

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1.绪论；1.1论文的研究背景及意义；电力系统电压稳定与无功控制的研究是电力系统规划和；近年来，随着电力工业的发展，电力系统规模日益扩大；从国内外一些大的电力系统事故的分析来看，发生电压；(1)系统的运行结构调整频繁，运行工况不断变化；；在我国电压不稳定和电压崩溃出现的条件同样存在，首；地使用；另一方面，以往的工业实践都是采用确定性方法进行电；1.2电力系统

1.绪论

1.1论文的研究背景及意义

电力系统电压稳定与无功控制的研究是电力系统规划和运行分析中的重要课题。电力系统实施无功电压控制是提高系统的电压稳定性和经济性，保证系统的供电质量，防止系统发生电压崩溃的必要措施。长期以来，无论是经典的还是现代的电力系统稳定性理论及其分析方法，其关注的重点均为系统的角度稳定性，尤其是集中在系统受到大的扰动或故障冲击后其暂态行为特征方面。对这一问题的机理，人们已有了较清楚的认识，并发展出一套完备的分析方法和控制措施。

近年来，随着电力工业的发展，电力系统规模日益扩大，逐步进入高电压、大机组、大电网时代，同时伴随电力改革和电力市场的实践，长线路、重负荷及无功储备不足的特征逐渐突出，系统的电压安全裕度倾向于越来越小，使电力系统常常运行在稳定的边界；而目前系统运行操作人员并不能准确掌握系统的电压安全状态。所以事故发生时，缺乏足够的安全信息来采取相应的措施，导致了事故的扩大。

从国内外一些大的电力系统事故的分析来看，发生电压崩溃的一个主要原因就是无法预计负荷增长或事故发生后可能导致的电压不稳定/崩溃的程度和范围，难以拟定预防和校正的具体措施。此外，电力系统还具有许多固有特性，如：

(1)系统的运行结构调整频繁，运行工况不断变化；(2)负荷波动，谐波干扰以及随机扰动难以估计；(3)规模庞大，维数高，控制分散性强，完整的运行信息难以获取；(4)存在饱和、死区、限幅等强非线性因素；(5)时变性强，对控制速度要求很高。这些特性使建立电力系统的精确模型变得极为困难，而且即使建立了较精确的数学模型，其结构也过于复杂，难以实现快速有效的实时控制。因此，实时在线评估电力系统电压安全、预测电压崩溃是十分重要的。

在我国电压不稳定和电压崩溃出现的条件同样存在，首先我国电网更薄弱，并联电容器的使用更甚，再加之城市中家用电器设备的巨增，我国更有可能出现电压不稳定问题。目前国内电压稳定问题“暴露的不突出”，原因之一可能是由于大多数有裁调压变压器分接头(OLTC)末投人自动以及电力部门采用甩负荷的措施，而后一措施应该是防止电压不稳定问题的最后一道防线，不应过早地或过分

地使用。将来电力市场化之后，甩负荷的使用将受到更大的限制。因此在我国应加紧电压稳定问题的研究。

另一方面，以往的工业实践都是采用确定性方法进行电压稳定性和无功控制进行评估，这是在电力系统传统垄断结构下常用的方法。它是按照“最严重事故决策标准”来获得某一特定状态下的系统安全状态，分析的结果过于保守，付出了较大的经济代价。随着电网互联的发展，控制的日益复杂，以及电力市场环境下能量交易量和不确定性的增加，概率性估计方法和准则可能成为必需。而神经网络模型正是通过学习、培训建立概率性模型，更能适应现今电力系统的需要，因此具有广阔的研究前景和应用价值。

1.2 电力系统电压稳定与无功控制国内外研究现状

早在上世纪 40 年代,苏联学者马尔柯维奇就提出电力系统电压稳定问题，但由于当时电力系统的电压等级、机组容量、网络规模及互联水平的限制，这个问题在当时并不突出。然而随着电力工业的快速发展，大容量电厂和大规模电力系统的出现，电压问题已经不仅仅是一个供电质量问题，还关系到大系统安全运行和经济运行。随着电力系统向大电网、高电压和远距离输电发展，上世纪70 年代以来世界上一些大电网（例如美国、日本、法国、瑞典、比利时等）连续发生以电网崩溃为特征的电网瓦解事故，导致大面积长时间停电，给社会造成巨大的经济损失和社会生活紊乱，60 年代以来，电压失稳事件在一些国家的电网中多次发生（见表1.1）。

表 1.1 60 年代以来与电压崩溃相关的国际大停电事故

前的研究工作按照其目的的同可以分为三大类：电压失稳现象机理探讨、电压稳定安全计算和预防/控制措施研究。

(1)电压失稳机理探讨：其目的是要弄清楚主导电压失稳发生的本质因素，以及电压稳定问题和电力系统中其它问题的相互关系，电力系统中众多元件对电压稳定性的影响，在电压崩溃中所起的作用，从而建立起分析电压稳定问题的恰当系统模型。在这方面主要的研究手段有定性的物理讨论、电压崩溃现象的剖析、小干扰分析方法和时域仿真计算。早期的静态研究中机理认识集中体现在P-V曲线和Q-V曲线分析、潮流多解的稳定性分析和基于灵敏度系数的物理概念讨论。动态因素受到重视以后，负荷的动态特性，OLTC的负调压作用受到了普遍关注。目前普遍认为无功功率的平衡、发动机的无功出力限制、OLTC的动态和负荷的动态特性与电压崩溃关系密切。但是对电压崩溃的机理认识还很不一致，不同研究人员所采用的系统模型也有很大差别，这种现状表明迫切需要全面深入地分析电压稳定问题，分析它与电力系统中其它问题的相互关系，弄清各种因素的作用，抓住问题的本质，为不同情况下的电压稳定研究建模提供必要的指导原则。

(2)电压稳定安全计算：主要包括两个方面，即寻找恰当的稳定指标和快速且有足够精度的计算方法。电压稳定指标（多为静态指标）总体上分成两类：裕度指标和状态指标。目前已提出的主要有：各类灵敏度指标、最小模特征值指标、电压稳定性接近指标、局部指标、负荷裕度指标等。现在又提出了很多新的指标，如文献[3]的快速电压稳定指标FVSI，通过常规潮流程序计算每条线路的静态稳定指标，并按指标排列。从而确定特定运行点到崩溃点的距离，来判断系统的安全性。这个指标实现容易、计算简单、概念清晰，且预测结果较精确，可作为警告指标来预防电压崩溃；文献[4]在线电压稳定指标Lvsi, 反映的是系统在当前运行状态下，某一支路电压稳定的程度；文献[5]基于网损灵敏度理论的二阶指标ILSI，可以很好指示电压稳定水平，并具有良好的线性度，也可用于在线评估；文献[6]提出将整个系统等值为一个简单的两节点系统，在此基础上计及感应电

动机负荷，得到负荷母线在线小干扰电压稳定指标。

两类指标都能给出系统当前运行点离电压崩溃点距离的某种量度。状态指标只取用当前运行状态的信息，计算比较简单，但存在非线性；而裕度指标能较好地反映电压稳定水平，但其计算涉及过渡过程的模拟和临界点的求取问题，计算量较大。从目前研究看，尽管许多电压稳定指标已被提出，，但由于各种指标都采用了不同程度的简化，其准确性与合理性需要进一步验证和改进。

这方面目前需要解决的主要有以下三个问题：①快速、准确的指标计算方法；②根据动态机理对各类指标的合理性、准确性进行检验，为运行部门选择指标提供依据；③在快速算法中计及影响电压稳定的主要动态元件的作用，比如发电机无功越限和负荷特性的影响等。

(3)预防/控制措施的研究：以日本和法国采取的事故对策最为出色。前者强调增强事故状态下的电压控制能力，后者以其对电压崩溃过程的时段的划分，侧重于事故发生前的紧急状态下的预防措施。目前普遍认为，加强无功备用、提高无功应变能力、防止无功功率的远距离传输、紧急切负荷、闭锁甚至反调OLTC是预防严重事故的有效措施。

电压稳定研究作为电力系统领域的一个重要的实际课题，在近三十年来取得了许多重要的成果，一些电网工程人员研制了电压稳定分析和监测应用软件。但目前理论研究和应用实践表明，对电压稳定问题的认识深度和已取得的成果还远远不能与功角稳定问题研究所取得的理论认识深度及应用成果相比拟，还不能通过对电压稳定全面的分析、预防、监测、控制确保电力系统的安全可靠运行。因此目前仍然存在的问题和今后可能的研究方向主要有：

(1)电压崩溃的机理研究；

(2)对各种元件的动态特性还缺乏全面的分析和统一的认识，负荷建模仍然是电压稳定研究的最大难题；

(3)影响电压稳定的主要随机因素的统计特性的获取，以及这些随机因素统计特性比较复杂时，如何进行电压稳定概率分析；

(4) 根据各种不同的电压稳定裕度指标，开发相应的监测应用软件，使电压稳定的研究成果真正地为电力系统服务。

就我国而言，现代化建设正处于蓬勃发展，我国将迎来电网建设的高潮。根

据我国电网的发展势态以及对电力负荷增长需求，电力系统的规模将越来越大，将要发展系统中的互联，无论在容量上、网络的复杂程度上，或者地区的跨度上都在迅速地增加。展望今后电力系统的发展，各方面的原因将使系统稳定性问题变得愈加突出。借鉴国外电压崩溃事故，研究电网电压稳定性，防止电压崩溃事故的发生，具有特别重要的意义。

1.3本文的主要内容及思路

主要内容：

(1) 电力系统的电压无功控制

(2) 在临界状态附近的无功电压控制分区

(3) 电力系统无功源配置的研究

(4) 撰写论文。

本论文重点研究内容：无功电压控制分区和无功源优化配置，本人先对对电力系统电压稳定和电压无功控制的研究进行了系统的阐述，并将通过大量地、广泛地阅读专业期刊、杂志、相关学术著作，对电力系统电压稳定与无功控制进行深入研究

2 电力系统的无功

在电网对用户输电的过程中，电网要提供给负载的电功率有两种：有功功率和无功功率。有功功率（p）是指保持设备运转所需要的电功率，也就是将电能转化为其它形式的能量（机械能、光能、热能等）的电功率；而无功功率（Q）是指电气设备中电感、电容等原件工作时建立磁场所需要的电功率。

2.1无功功率的基本概念

无功功率比较抽象，它主要用于电气设备内电场与磁场的能量转换，在电气设备中建立和维护磁场的功率。它不表现对外做功，由电能转化为磁能，又由磁能转换为电能，周而复始，并无能量损耗。特别指出，无功功率并不是无用功，只是它不直接转化为机械能、热能等为外界提供能量，作用却十分重要。

电机运行需要旋转磁场，就是靠无功功率来建立和维持的，有了旋转的磁场，才能使转子转动，从而带动机械的运行。变压器也需要无功功率，才能使一次线圈产生磁场，二次线圈感应出电压，凡是有电磁线圈的电气设备运行都需要建立

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