电力系统静态电压稳定性快速评估方法研究

随着我国“西电东送，南北互供”电力系统联网格局的逐步形成，联合电网呈现出了更为复杂的动态行为，电压稳定破坏对社会和国民经济所产生的负面影响也将更为巨大。电压稳定事故发生的共同特点是其突发性和隐蔽性，运行人员在事故形成期间难以察觉，不能及时采取有效的控制措施，一旦发生电压崩溃就很难挽回。现有的电压稳定性评估方法尚不能满足在线分析的需要，因此，根据我国电力系统的实际情况，研究电压稳定性的分析方法，结合先进的测量、通信和计算技术，实现对电力系统电压稳定水平的快速、准确评估，对于防止电压失稳和提高输送电系统的安全可靠性都具有十分重要的意义。本文基于功率传输路径，计及发电机无功储备、负荷特性和有载调压变压器(OLTC)对电压稳定性的影响，深入研究了静态电压稳定性的快速评估方法；利用广域测量信息，构建了基于功率传输路径的在线电压稳定性评估的基本框架，发展了大规模电力系统的电压稳定性评估方法；综合评价了山东电网西电东送通道和东部负荷中心的电压稳定性，并对应用静止无功补偿器(SVC)提高山东电网电压稳定性的各种方案进行了比较；基于改进功率追踪方法，研究了确定系统关键功率源点的新方法。论文的主要研究内容和创新性成果如下： 基于功率传输路径，提出了一种静态电压稳定性的快速评估方法。整个电力系统可以看作由若干条功率传输路径组成，由于电压失稳本质上是一种局部现象，因此系统的电压稳定程度可以由最易于电压失稳的功率传输路径的电压稳定性来表征。该方法从简单系统的电压稳定性出发，在功率传输路径定义的基础上，结合等值导出系统的电压稳定性指标。针对复杂系统，为了减小工作量，应用局部电压稳定性指标确定薄弱负荷节点，借助电气距离信息，从无功、有功传输路径两方面确定路径参与节点和关键功率源点，得到系统功率传输的薄弱路径集，并通过等值判别最弱功率传输路径。该路径的电压稳定性指标与关键发电机的无功储备指标相结合，用于评估整个系统的电压稳定程度，确定电压稳定的薄弱区域以及引起不稳定的关键因素。负荷特性对系统的电压稳定性有着重要的影响，通过对局部电压稳定性指标和等值方法的改进，在功率传输路径分析方法中考虑了负荷特性的影响，提出了计及负荷特性的电压稳定性指标。新英格兰10机39节点试例系统的仿真结果表明：与面向系统的戴维南等值不同，该方法以功率传输路径为对象，只需要薄弱功率传输路径上的信息，而非全部系统参数；发电机达到无功限制会造成最弱路径的稳定性下降或(和)最弱路径发生转移，两者均会极大地影响系统的电压稳定程度，在稳定性评估过程中结合运用电压稳定性指标和无功储备指标，可以获得满意结果；当采用综合负荷模型时，系统的电压稳定极限与功率传输极限并不重合，借助于计及负荷特性的电压稳定性指标，可以对系统的电压稳定程度作出正确的评估。 针对OLTC在长期动态过程中引起的电压失稳问题，从简单系统出发，详细地分析了OLTC调整对系统电压稳定性的影响。研究表明，计及感应电动机励磁电抗的影响，在OLTC变比的正常调节范围内，负荷的最大功率存在着单调增加、先增加后减小和单调减小三种可能的变化趋势。随着OLTC变比的调整，系统正负调压效应的临界点和电压稳定状态改变的临界点均会发生迁移。在负荷最大功率的不同变化趋势下，通过分析两临界点的相对位置，解释了OLTC负调压效应引起电压失稳的机理，指出了负调压效应对电压稳定性产生不同影响的根本原因。OLTC紧急控制作用的机理分析表明，根据负荷最大功率的不同变化趋势，OLTC应采取不同的紧急控制原则，其控制作用的有效与否取决于变比调整后系统提供的电磁功率是否能满足负荷机械功率的需求。对于恒功率特性负荷，当考虑了负荷最大功率的不同变化趋势后，OLTC的连续调压效应将更加复杂，不仅具有连续的正、负调压效应，还存在着混合调压效应。借助于功率传输路径的等值思想，将简单系统的研究成果扩展到复杂系统，对复杂系统中负荷最大功率的变化趋势进行预测，通过选择关键功率传输路径，实现了复杂系统中OLTC调整对电压稳定性影响的快速分析。 根据在线电压稳定性监测的需要，利用广域测量信息，对功率传输路径分析方法中的三个主要计算环节进行了简化，构建了基于功率传输路径的在线电压稳定性评估的基本框架，发展了大规模电力系统的电压稳定性评估方法。针对山东电网，利用局部电压稳定性指标确定了系统电压稳定的薄弱区域，在负荷增长过程中，考察了西电东送通道和区域无功平衡关键路径的电压稳定性和系统无功储备的变化情况。仿真结果表明，烟威和青岛地区是山东电网电压稳定的薄弱区域，两地区负荷较重，但电源数量不足，需要从西部调入大量功率，地区电网的自身平衡能力和无功电压支撑能力较弱；故障条件下合理地控制关键功率传输路径上的无功潮流，维持负荷区域的电压支撑能力，对于保证山东电网的电压稳定性至关重要。电力系统电压安全评估商业软件VSAT的计算结果验证了该分析方法的有效性。对山东电网应用SVC提高电压稳定性的各种方案进行了对比分析，结果表明，不同开机方式下装设SVC对提高系统的电压稳定极限均有一定的效果，其中崂山站的装设效果最好。 基于改进功率追踪方法，提出了一种确定系统关键功率源点的新方法。关键功率源点的确定是功率传输路径分析方法中的一个重要环节，其计算的准确程度取决于参数的取值。若参数取值过大，会导致薄弱功率传输路径的数目大大增加，使计算量过大；若参数取值过小，则易于遗漏系统的最弱功率传输路径，使计算结果误差较大。因此，在实际应用过程中，合理的参数取值往往需要运行人员经过大量仿真并结合实际经验才能得到。改进功率追踪算法根据线路无功潮流等值模型和线路潮流分解模型，实现了分布因子矩阵的解耦运算，加快了计算速度。利用扰动前后改进功率追踪算法的计算结果，根据各个功率源点在负荷中所分担比例的变化量来直接确定关键功率源点，避免了原方法中的参数选择问题，提高了计算精度。