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负荷不对称下电力系统稳定性分析

电能作为一种动力能源形式,因为其低污染,方便运输等诸多的优点,自从它被人 类发现的那一刻起,便很快被人们广泛利用并成为人类依赖以生存的支柱性的能源之 一。随着社会和科学技术的不断发展进步,电能的重要性愈加显得突出,目前可以毫不 夸张得说人类近乎是一刻也不能离开电能。在电能被人类越来越依赖的同时,人们对电 能的而要求也在不断提高,不仅要求能够安全、可靠、不间断的供给,还要求供电频率、 电压幅值等电能质量的指标方面也要提高。

而若要电能的安全、可靠、高质量和不间断 的供给,就必须有一个质量过硬,可靠性程度很高的传输电能的电力网络系统,于是确 保电力网络系统运行的安全、可靠、高质量是一个电力工作者的重要任务。 电力系统中,最重要也是最复杂的任务之一是保持系统运行的稳定,因为给社会和 国民经济带来巨大损失系统瓦解或大面积停电等灾难性事故,往往是系统稳定破坏导致 的。由于电压不稳定或电压崩溃等事故,多次导致国外电力系统大量损失负荷,大面积 停电,电网近于崩溃(t1。例如法国电网1978年12月事故,瑞典电网1983年12月事故, 日本东京电网1987年7月事故和加拿大电网1989年3月的事故等。

尤其是美加‘8.14' 大停电事故,整个停电过程长达近三十小时,该事故发生在美国东北部和加拿大的联合 电网,时间是2003年8月14日。据文献记载〔3],此次事故受害面积特别大,殃及美国 的8个州及加拿大的两个省,5000万户受到停电影响,造成很多个发电厂被迫退出电网 停止运行、直接经济损失高达三百亿美元。事故使交通中断、停水停电、医院商场被盗, 极大的影响了人民正常生活秩序,这是人类历史上最大规模的停电灾难。事故事后分析 表明,该次大停电明显不同于传统电压崩溃概念中的场景,而是呈现出一种全新的电压 崩溃形式:即无功短缺本身并没有引起电压持续下降进而造成电压崩溃,虽然在事故发 生前,电压不稳定的迹象在有些节点有所显现,但是受扰动地区的整个电网电压水平还 是在出现线路断开情况之前一直维持在正常可接受范围内。事故原因初步判定为:由于 潮流大规模转移造成的电压崩溃。

这一次次的事故让世界电力行业警钟长鸣,电压稳定问题得到了电力界广泛关注, 电压崩溃性事故仍然是世界范围内威胁电网安全稳定运行的最大隐患之一,所以一定要 加强电压崩溃机理与预防措施的研究。 目前大范围的电压崩溃事故在我国境内还没有发生过,这在一定程度上得益于我国 境内电网周密的继电保护措施,但并不意味着我国就没有发生电压崩溃事故的可能性, 电压失稳引起的局部停电事故在我国曾有发生,例如湖北电网1972年7月的事故,大 连电网1973年7月的事故。 我国正处于经济快速发展时期,电力网络系统也紧跟国际趋势步入大电网、超高压、 大机组、远距离的时代,但现在电力建设水平和经济发展水平不一致,落后的电网建设 为满足现在的经济发展水平,需要电网经常运行在接近其极限输送能力的状态,存在着 发生电压稳定事故的威胁,并且这种电压威胁的概率还在不断增加。

因此,在目前形势 下,总结我国以往电压失稳的经验和教训,并借鉴国际恶性电压崩溃事的经验总结,进 一步加深对电压稳定问题的研究以避免电压崩溃事故的发生,具有特别重要的意义。本 文是在此指导思想的基础上,首先着眼于负荷的特性这一影响电力系统电压稳定的因素 进行研究,把研究重点集中在不对称负荷上,挑选牵引负荷这种电力系统中典型的大功 率、不对称负荷进行具体、深入的研究,以期对现行的电网有一定的实际指导意义。

 

考虑牵引站不对称特性的电力系统电压稳定所涉及的内容主要有:电压稳定、电气 化铁路牵引负荷、变压器等都需要深入理解,并且在程序的实现上还需要综合考虑计算 速度,精确度和计算结果误差、可行性等以选择一种适合的计算算法,最后还要选择适 合自己的编程软件进行程序的编写。 首先是电压稳定性问题的定义。虽然电压稳定性和功角稳定性同属于电力系统稳定 的范畴,但是和功角稳定性问题不同,电压稳定性始终没有一个完美的定义,目前广泛 被接受的一般是IEEE和国际大电网会议的定义,但是他们关于该问题的定义也是在不 断的更新和充实中的。例如,虽然他们在1993年已经对电压稳定性问题给出过定义, 但是由于电压稳定性问题在此后又有很多新发现和认识,1993年的定义已经不太合适继 续使用,于是2003年这两个组织又联合起来对电压稳定性做出重新定义。

近几十年来电压稳定问题也引起了世界电力行业的普遍关注,成为全球性的研究热 点课题之一,研究范围不断拓宽,各种研究成果大量发表,一些成熟的研究成果和技术 己经应用到实际系统中。但是电压稳定问题的研究成果与工程实际应用还有相当的距 离,主要表现在两个方面:1.至今还没有最终的关于电压稳定性的定义,对电压稳定性 机理的认识也是众说纷纭,尚未达成广泛一致性;2.至今还没有一套被工程界和学术界 都一致接受和普遍采用的电压稳定性分析的元件模型和数学方法嘲。 静态电压稳定分析方法方面经过多年的研究,已经相当成熟。灵敏度分析法与其它 方法相比,其物理概念简单明确,在简单系统中有最早的应用,并且取得了很好的效果, 但却不适合推广应用到复杂系统。随着人们对电压稳定问题的研究,简单的灵敏度法已 不再是主流方法,仅电压稳定的功率裕度指标对系统变量的灵敏度还比较有价值。

目前 灵敏度分析法主要用于确定系统稳定薄弱点、评估控制手段的有效性等方面哺1。 潮流多解法的出现为电力系统的极限运行状态的计算提供了一条途径,并且间接地 克服了解潮流方程时矩阵在临界点奇异而带来的收敛困难问题,但是该方法也没有严格 的理论基础,并且一直没有很好的解决低电压解求取困难这一问题,所以近年来,潮流 多解法在电压稳定研究中的应用已经较少。 系统从运行点到静态电压稳定临界点的过渡方式与最大功率法的计算结果相联紧 密,但由于运行点到静稳临界点的过渡方式不能事先确定,因而用最大功率法判断系统 的静态电压稳定性会存在一定的误差。

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