试论电力电压稳定及控制的重要性

0 引言
　　
　　近几年,随着各种科技日益的更新及发展,电力系统已经进入到了一个新时代。由于系统日益复杂化,使得电力系统中的电压稳定性问题越来越突出,成为了现代电力系统要解决的重要问题之一。而各地先后发生了多起由于电压失稳导致的大面积停电事故,造成了巨大的经济损失和严重的社会影响,因此,如何解决电压稳定及控制技术,避免电压崩溃事故的发生,具有重要的意义。
　　
　　1 电压的稳定的重要性
　　
　　在电力系统中电压的稳定性,是指从给定的初始运行条件出发,遭受扰动后电力系统在所有母线上保持稳定电压的能力,它依赖于电力系统中保持或恢复负荷需求和负荷供给平衡的能力。可能发生的失稳,表现为一些母线上的电压下降或升高。电压的稳定,是保证电力系统稳定性的重要指标之一。电压的失稳,将造成电力系统中负荷的丧失、传输线路的跳闸、系统的级联停电,以及发电机异步等情况。由于电压失稳的情况复杂多变,在探讨电压稳定性技术时,必须对电压稳定性能进行分类。最新的电压稳定性能分类,主要从2个角度进行划分:
　　 1)从外界扰动性质出发的电压稳定性划分从外界扰动的性质出发,可分为:
　　(1)大扰动电压稳定。指系统在遭受大的扰动后,保持电压稳定的能力;
　　(2)小干扰电压稳定。指系统在遭受小的扰动如系统负荷增加后,保持电压稳定的能力。
　　2)从时间范围的角度出发,电压的稳定性可以分为:
　　(1)短期电压稳定。包含快速动作元件如感应电动机、电子控制负荷、HVDC变流器的动态过程;
　　(2)长期电压稳定。涉及慢动作设备如变压器分接头、温控负荷、发电机励磁电流限制器等。
　　
　　2 电压稳定性的分析
　　
　　2.1造成电压不稳的主要原因
　　从电压稳定性能的原理和分类中可以看出,造成电压不稳的主要原因表现在2个方面:
　　1)长线路远距离输电,且其使用强度日益接近其极限值,由于功率源和电压源离负荷很远,其补偿电压损耗和功率损耗的能力愈趋困难;
　　2)负荷侧所带负载太重,造成高压线路上传输电流增大,电压损耗和功率损耗(包括有功和无功功率)增加,发电机越限时不能补偿电压和功率的损失,致使负荷侧电压下降甚至崩溃。
　　当负荷水平较重和系统无功不足的情况下,当有扰动发生时,发电机过励限制器和负荷有载调压变压器等,这些慢动态装置的相互作用,会使系统动态电压发生不稳定。
　　2.2 分析电压稳定性能的技术
　　分析电压稳定性能的技术,主要从无功和负荷2个点着手:
　　1)无功不足的电压失稳分析。通常认为,有功与频率有关,而无功与电压有关。这种说法虽不严谨,但也有其一定道理。从无功和电压的关系分析电压稳定性,可以如下表述:当节点的电压幅值随这个节点的无功支持的增加而增加时,则认为系统是电压稳定的;而当其中至少有一个节点的电压幅值,随这个节点的无功支持的增加反而降低时,认为系统是电压不稳定的。比如,当系统中所有节点的U-Q灵敏度都为正时,对应电压稳定状态;只要系统中有一个或多个节点的U-Q灵敏度为负时,对应于系统电压失稳。系统中无功功率损耗很高,并且远大于有功功率损耗。当系统中无功功率短缺时,会造成电压水平的低下,当系统发生某些微小扰动时,有可能会使某些枢纽变电所母线电压不稳,其母线电压可能在顷刻之间就大幅度下降,不仅会造成电压不稳现象,更严重的还可能发展为电压崩溃事故。
　　2)负荷突增时的电压失稳的分析。互联电力系统的电压失稳,常常发生在系统负荷很重的情况下。当负荷接近极限时,如果再增加少量负荷,系统电压可能就会突然急剧下降,严重时甚至不能控制,导致电压失稳现象的发生。负荷特性很大程度上决定了电压失稳/电压崩溃的历程。
如果一个电力系统处于重载情况,假定负荷已接近于临界状态,无功电源已达极限,无法再提供多余的无功支持时,系统发生很小的电压降低,或负荷稍微增加一点,都会打破系统的平衡,导致系统的局部电压失去稳定,最终结果可能就是整个系统的电压崩溃。
　　2.3 电压失稳的形式
　　1)静态电压稳定问题。缓慢增加的负荷,导致了负荷端母线电压也慢慢下降,当电压下降到电力系统所能承受的最大负荷极限值,或接近这一极限值时,当继续增加负荷、系统发生故障或系统运行的正常操作等扰动发生,都会使负荷母线电压发生不可逆转的突然下降,而且在电压突然下降之前的整个过程中,并未发现发电机转子角度和母线电压相角有很大变化。
　　2)动态电压稳定问题。电力系统发生故障后,运行人员会采取一些控制纠正措施来保证系统的功角暂态稳定和维持系统的频率;但如果系统结构已经变得很脆弱了,或者系统中电源支持负荷的能力变弱了,那么缓慢的负荷恢复过程,也可能会导致电压的失稳。由于电力系统在发生电压失稳之前,己经处于一个动态过程中,因此,发电机及其控制器、负荷的动态行为,都会对系统的电压稳定性产生影响。
　　3)暂态电压稳定问题。在电力系统发生大扰动(如系统故障等)时,发电机之间发生相对摇摆,同时系统中某些负荷母线的电压,会发生不可逆转的突然下降,而此时发电机之间的相对摇摆,可能还未达到功角失稳的程度。
　　
　　3 电压稳定控制的措施
　　
　　电压稳定控制,是电力系统稳定控制的重要组成部分。由于在很多实际的电压失稳事例中,完全没有功角不稳定即将来临的迹象,因此,针对电压失稳的情况的电压控制,非常有进行探讨的必要。电压控制,是在电压发生故障或者负荷连续快速增长的情况下,电力系统进入危险状态、处于电压失稳或者电压崩溃的过程中,通过采取适当的措施,使电力系统恢复到正常状态,或者暂时进入恢复状态的控制。
　　3.1保证电压稳定的两种控制措施
　　通常保证电压稳定性,一般可以采取两种控制措施:预防控制和紧急控制。根据约束条件是否满足,电力系统运行可分为正常状态、警戒状态、紧急状态、极端紧急状态(电压崩溃)和恢复状态。
　　1)预防控制。在系统进入电压警戒状态时进行,主要通过在系统运行于稳定边界时,设定无功校正装置的动作整定值,以及校正现场控制器的可控变量,将系统运行点拉回到稳定区域。
　　2)紧急控制。是在紧急状况下,系统已经处于电压失稳的过程中,采取的用以防止电压崩溃的措施。基于对电力系统中电压失稳的危害分析,电压崩溃所造成的后果最为严重,所以,对其的防治措施的探讨也最有意义。电压紧急控制,是保证电压稳定防止电压崩溃的主要手段。在以前,电力系统中常用的电压稳定控制措施,是无功补偿法,但是由于电压无功问题本身所具有的局域性质,以及在紧急控制中对于算法实时性的要求,电压紧急控制不宜采用全网集中优化控制的方法。
　　3.2分布式的控制方法
　　分布式的控制方法,即将全系统的优化控制,分解为不同的控制子区域的控制问题,可以应用“分解-协调”的方法,推广控制理论中的最优控制、稳定性分析、模型化技术进行控制的分析和设计,消除和缓解维数灾,也更加符合电压无功问题的本质特点。根据系统的状态,在紧急情况时,将电力系统分为若干个控制区域。在每一个控制区域设有电压紧急控制器,独立监测本区域的运行状态,对本区域的突发事件做出紧急处理,快速计算出本区域的电压危险节点,并将其作为控制目标,从而保证本区域的电压水平。基于这种思想的分布式电压紧急控制的分层结构,如图1所示。图中现场级包括的各种电压无功控制手段,以及装设于配电变电站的低压切负荷装置,其中既有发电机励磁控制、调相机和FACTS设备等连续调节手段,也有LTC分接头和切负荷等,受离散事件动态控制的紧急措施。协调级分布式电压紧急控制的核心环节,以本地区电压安全稳定为目标,在电压控制的不同阶段,针对性地协调控制分散在各处的现场级电压无功控制器,高效合理地控制无功功率的流动;并接收上一级的指令,在必要时和其他的控制区域进行协作。组织级作为电压紧急控制的最高级,其作用是进行全电网的安全稳定分析,以及全局经济优化控制等功能。在电压紧急情况时,在必要的情况下,协调不同的控制区域,以保证系统的稳定运行。
　　3.3 电压紧急控制策略
　　具体的电压紧急控制策略,有切负荷和无功控制。前者是最直接有效的紧急控制手段,但这种方法的负面影响较大;后者在紧急控制中,起到不可忽视的作用,合理运用可以最小化切负荷这种硬方法带来的负荷损失。分布式无功紧急电压控制的基本目标,是通过及时地利用区域内所用可能的无功出力维持电压稳定性。控制中心在电压失稳发生时,实时确定电压控制分区,并将普通的二级电压控制策略,切换到紧急控制策略。紧急控制通过快速的协调的逐步强制设定发电机以及STATCOM的出力来完成。参与控制的手段除了快速的FACTS元件和发电机外,还包括响应速度稍慢的无功源(主要为并联电容器)。如果经过上节的控制,危险节点vc依然越限,则控制慢速设备,如果vc已回到正常范围内,按照无功等效的原则,投入慢速响应设备,逐步释放快速响应设备的无功出力,以保证足够的紧急无功储备。紧急无功控制策略可用如图2所示的流程来表示。
　　
　　
　　4 结论
　　
　　随着电力系统电压稳定性的问题受到更多关注,但由于电力需求不断增长及电网的互连,受到经济及各种环境的制约,电力系统的运行越来越接近其极限状态,电力系统的电压稳定性问题日益突出,探讨电压稳定性能,并在电压失稳事故发生后所采取的控制措施技术,显得越来越重要,目前迫切需要的是在最短时间内,采取一切可能的手段保证电压稳定性,防止电压崩溃。
　　
　　参考文献