负荷特性对电力系统电压稳定性影响的研究
2021-11-19申云朝邓涛雷亚兰李建东方艳斌
申云朝, 邓涛, 雷亚兰, 李建东, 方艳斌
(云南电网公司玉溪供电局，云南玉溪，653100)
1 负荷特性对电压稳定性影响的研究综述
对电力网络电压稳定性的研究，人们先后经历了从不太重视电压稳定性问题对电力系统产生的影响到开始着手对电压稳定性进行静态机理的探讨，最后再到对电压稳定性开展全方位的动态机理探讨三个不同的阶段。目前随着经济建设的不断推进及电力网络的不断扩展，电压稳定性问题被人们提升到了前所未有的关注高度。人们对影响电压稳定性的诸多因素进行研究分析后，普遍都认为负荷特性是影响电压稳定性的关键因素，并且负荷特性对电压稳定性造成的影响通常通过负荷的失稳特性及功率恢复特性来表现。
综合负荷的负荷特性是由负荷模型的类型及参数共同决定的，因此负荷模型的类型选择及参数设置会对电力网络电压稳定性分析的最终结论产生很大的影响。然而，负荷建模工作受电力网络综合负荷的相关特性影响较大，因此不管采取哪种方法来对实际的电力网络开展建模工作，最终得到的负荷模型都难以做到毫无偏差的对电力网络中的综合负荷特性加以表现。正因如此，负荷模型的准确度已经成为阻碍电力网络电压稳定性问题开展深层次研究的短板。加之人们在对电力网络进行研究时的侧重点及认知角度不同，因此迄今为止工程界及电力界都难以给出一个能被大家普遍接受的电压稳定性定义及研究方法。
2 负荷模型
2.1 三相RL并联负荷及三相动态负荷
三相RL并联负荷模型属于静态负荷模型，它用于对电力网络中并联的三相平衡RL负荷进行模拟[1]。在电力网络频率确定的情况下，它的负荷阻抗是一个定值并且它从网络中吸取的有功功率和无功功率的大小与电压的平方成正比。
式中V0为网络的初始正序电压；P0、 Q0为与V0对应的有功功率和无功功率；V为正序电压；Tp1、 Tp2为控制有功功率的时间常数；Tq1、 Tq2为控制无功功率的时间常数；np、 nq为控制负荷特性的指数，其值一般在1到3之间，若表示恒电流负荷则它们的值均为1，若表示恒阻抗负荷，则它们的值均为2。
2.2 异步电动机负荷
异步电动机模块的转子运动方程满足如下的公式：
式中Tm为加在电动机轴上的机械转矩；Te为电磁转矩；θm为转子的机械角位移；ωm为转子的机械角速度；H为机组的惯性时间常数；F为考虑d、q绕组在动态过程中的阻尼作用以及转子运动中的机械阻尼后的定常阻尼系数。
3 实例仿真分析
3.1 仿真实例的模型
该仿真模型主要由发电机及其励磁、调速系统，负荷，输电线路，三相双绕组变压器及各节点的电压和功率测量模块组成[2]，仿真模型如图1所示。
图1 仿真模型图
3.2 视在功率相同时仿真实例及分析
3.2.1 稳态时
3.2.2 单相接地短路时
以负载1所在的B4负荷母线为故障点，使系统在RL并联负载及动态负载下在5秒到5.2秒之间发生A相单相接地故障，在感应电动机负载下，为了保证系统发生故障时网络中的功率波动已经停止，将故障时间设置为25秒到25.2秒之间。
3.3 单相接地时感应电动机负荷大小改变后仿真实例及分析
故障参数的设置同单相接地故障时，感应电动机负载的视在功率由134.629120MVA增大到200MVA时的波形如图8所示，将图7和图8对比分析可以看出当感应电动机负荷增大后，在它的启动过程中会导致网络中各母线的电压下降得更多，故障时，各母线的电压波动同样也是感应电动机所在的母线电压下降最为明显。由于感应电动机负荷增大需要从电网中吸收更多的无功功率来支撑电压，导致各母线的电压都发生了降低，当系统中发生单相接地短路时，感应电动机所在的负荷母线电压就会比负荷增大之前的还要低，此外，感应电动机负荷增大会导致系统中的电压波动持续时间更长，这是极不利于整个网络的稳定的。
图2 RL并联负载
图3 三相动态负载
图4 感应电动机负载
图6 三相动态负载
图7 感应电动机负载
图8 感应电动机负载增大后
3.4 电压失稳时接入并联电容器的仿真实例分析
将图7和图9进行对比分析，可以看到当单相接地故障的参数设置相同且感应电动机的视在功率相同时，当未接入并联电容器时，在单相短路接地故障下，接入感应电动机负载的B4母线的电压降落到了0.35pu-0.45pu之间，但是在同样的状态下，当在感应电动机所接的B4母线上接入一个450Mvar的电容器后，B4母线的电压降落就提升到了0.45pu-0.58pu的水平，也就是说并联电容器的接入使得距离感应电动机接入点较近的母线电压得到了极大的改善[3]。通过比较我们还可以发现其它距离并联电容器安装点较远的母线电压稳定性也得到了一定的改善，但是改善效果没有距离并联电容器较近的母线明显。由上述的分析可知，在电力网络中有大量感应电动机负荷的母线上并联电容器是改善系统电压稳定性的有效措施。
图9 单相接地故障时感应电动机负载下接入并联电容器
4 结论
通过对每种情况下的仿真波形进行对比分析我们可以得知：负荷模型不同及负荷大小不同都会对电力系统的电压稳定性产生不同程度的影响；电力系统中的感应电动机负荷对系统的电压稳定性影响最大，且离遭受扰动的点越近，母线的电压稳定性越差；并联电容器是改善电压稳定性切实可行的措施。
