电力系统电压稳定控制方案设计.docx

银川能源学院

课 程 设 计

课程名称：电力系统分析
设计题目：电力系统电压稳定控制设计

学 院：电力学院
专 业：电气工程及其自动化
班 级：电气工程及其自动化专业 1303
姓 名：周凯__________________________
学 号：____________________
成 绩：______________________________
指导老师：李 莉 、李静
日 期：12月21日 — 1月2日

摘 要
电力系统是一个含有高度非线性复杂系统，伴随电力工业发展和商业化运行，电网规模不停扩大，对电力系统稳定性要求也越来越高。在现代大型电力系统中，电压不稳定/电压瓦解事故已成为电力系统丧失稳定性一个关键方面。所以，对电压稳定性问题进行深入研究，仍然是电力系统工作者面临一项关键任务。 从中国外部分大电力系统事故分析来看，发生电压瓦解一个关键原因就是无法估计负荷增加或事故发生后可能造成电压失稳程度和范围，难以确定预防和校正具体方法。本文在简明分析电力系统电压稳定常见形式基础上,着重在电力系统电压稳定分析方法和控制方法两方面进行探究。
关键词：
电力系统，电压稳定、控制。

目录
摘 要 1
1电压稳定的研究 3
1.1电压稳定性及其类型 3
1.2电压稳定的研究内容 4
1.3 电压稳定的研究展望 6
2 电压稳定的研究方法 6
2.1 静态分析方法 6
2.1.1灵敏度分析法 6
2.1.2特征值分析法、模态分析法和奇异值分解法 7
2.1.3连续潮流法 7
2.1.4非线性规划法 7
2.2 动态分析方法 7
2.2.1小干扰分析法 8
2.2.2大干扰分析法 8
2.2.3电压稳定的概率分析 8
3 负荷模型的结构 9
3.1 静态负荷模型 9
3.1.1指数负荷模型 9
3.1.2多项式负荷模型 10
3.1.3与频率有关的负荷模型 10
4 电力系统的潮流计算方法 11
4.1节点类型 11
4.2待求量 11
4.3导纳矩阵 11
4.4潮流方程 12
结论 14
总结与体会 14
致谢 15
参考文献 15

1电压稳定研究
1.1电压稳定性及其类型
电力系统稳定性是在远距离输送大功率负荷情况下突出问题。在早期电力系统中，输电线路距离较短，负荷较小，显然稳定问题不是很关键问题。而现在，在中国电力网越来越大，输送距离越来越长，输送容量越来越大，电压等级越来越高。在这么电力系统中，关键靠广大工程技术人员（用户）提供可靠而不间断电力，确保电力系统运行安全、可靠、优质，稳定性问题显得十分关键。电力系统稳定性破坏，是危害很严重事故，会造成大面积停电，给国民经济带来不可估量损失，这种后果促进人民严重关注电力系统稳定问题。能够说现代电力系统很多方面全部和稳定性问题亲密相关。 所谓电力系统稳定性，是指当系统在某种正常运行状态下忽然受到某种干扰时，能否经过一定时间后又恢复到原来稳定运行状态或过渡到一个新稳定运行状态能力。假如能够，则认为系统在该正常运行方法下是稳定。反之，若系统不能回到原来运行状态，也不能建立一个新稳定运行状态，则说明系统状态变量（电流、电压、功率）没有一个稳定值，而是伴随时间不停增大或振荡，系统是不稳定。知道电网甩去相当大一部分负荷，甚至是系统瓦解成多个部分为止，这种稳定性丧失带来后果极为严重。 电力系统稳定性，按系统遭受到大小不一样干扰情况，可分为静态稳定性和暂态稳定性。 电力系统静态稳定性，是指系统在某种正常运行状态下，忽然受到某种小干扰后，能够自动恢复到原来运行状态能力。实际上电力系统中任意小干扰是随时全部存在，比如，某个用户需要 增减一点负荷，风雨造成摇摆，系统末端小操作，调速器、励磁调整器工作点改变等。在小干扰作用下，系统中各状态变量改变很小。 电力系统暂态稳定性，是指系统在某种正常运行状态下，忽然受到某种较大干扰后，能够自动过渡到一个新稳定运行状态能力。可见，电力系统暂态稳定性即是大干扰下稳定性。系统运行中大干扰包含正常操作和故障情况引发。正常操作如大负荷投入或切除，大容量发电机、变压器及高压输电线路投入或切除，全部可能对系统产生一个较大扰动。故障情况如系统中发生多种形式短路、断路，这对系统扰动极为严重。电力系统受到较大扰动时，系统中运行参数（电压、电流和功率）全部将发生急剧、不一样程度改变。因为电源测原动机调速系统含有相当大惯性，致使原动机机械功率和发电机电磁功率失去了平衡，于是在机组大轴上对应将产生不平衡转矩，在这个不平衡转矩作用下，转子转速将发生改变。而系统中各发电机转子相对位置改变，反过来又将影响系统中电流、电压和功率改变，且各状态变量改变较大。 总而言之，不管是静态稳定性还是暂态稳定性问题，全部是研究电力系统受到某种干扰后运行过程。因为两种稳定性问题中受到干扰不一样，所以分析方法也不一样，除此之外，还有一个动态稳定。 动态稳定是指当系统受到某种大干扰将使系统丧失稳定，当采取自动调整装置后，可将系统调整到不致丧失稳定，把这种靠自动调整装置作用得到稳定叫做动态稳定。所谓动态稳定是指电力系统全部到大干扰后，在计及自动调整和控制装置作用下，保持系统稳定运行能力。 当系统遭受到某种扰动，而打破系统功率平衡时，各发电机组将因功率不平衡而发生转速改变。因为各发电机组转动惯量不等，所以它们转速改变也各不相同有改变较大，有改变较小，从而在各发电机组转子之间产生相对运动。 电力系统稳定问题，关键是研究电力系统中发电机之间相对运动问题。因为牵涉到机械运动，所以分析电力系统稳定性也称电力系统几点暂态过程分析。 电力系统稳定问题，还能够分为电源稳定性和负荷大稳定性两类，电源稳定性就是要分析同时发电机是否失步；负荷稳定性就是要分析异步电动机是否失速、停顿。但往往是电源和负荷同时失去稳定。
1.2电压稳定研究内容
现在研究工作根据其目标不一样能够分为三大类：电压失稳现象机理探讨、电压稳定安全计算和预防/控制方法研究。 (1)电压失稳机理探讨：其目标是要搞清楚主导电压失稳发生本质原因，和电压稳定问题和电力系统中其它问题相互关系，电力系统中众多元件对电压稳定性影响，在电压瓦解中所起作用，从而建立起分析电压稳定问题合适系统模型。在这方面关键研究手段有定性物理讨论、电压瓦解现象剖析、小干扰分析方法和时域仿真计算。早期静态研究中机理认识集中表现在P-V曲线和Q-V曲线分析、时尚多解稳定性分析和基于灵敏度系数物理概念讨论。动态原因受到重视以后，负荷动态特征，OLTC负调压作用受到了普遍关注。现在普遍认为无功功率平衡、发动机无功出力限制、OLTC动态和负荷动态特征和电压瓦解关系亲密。不过对电压瓦解机理认识还很不一致，不一样研究人员所采取系统模型也有很大差异，这种现实状况表明迫切需要全方面深入地分析电压稳定问题，分析它和电力系统中其它问题相互关系，搞清多种原因作用，抓住问题本质，为不一样情况下电压稳定研究建模提供必需指导标准。 (2)电压稳定安全计算：关键包含两个方面，即寻求合适稳定指标和快速且有足够精度计算方法。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。现在已提出关键有：各类灵敏度指标、最小模特征值指标、电压稳定性靠近指标、局部指标、负荷裕度指标等。现在又提出了很多新指标，如文件[3]快速电压稳定指标FVSI，经过常规时尚程序计算每条线路静态稳定指标，并按指标排列。从而确定特定运行点到瓦解点距离，来判定系统安全性。这个指标实现轻易、计算简单、概念清楚，且估计结果较正确，可作为警告指标来预防电压瓦解；文件[4]在线电压稳定指标Lvsi, 反应是系统在目前运行状态下，某一支路电压稳定程度；文件[5]基于网损灵敏度理论二阶指标ILSI，能够很好指示电压稳定水平，并含有良好线性度，也可用于在线评定；文件[6]提出将整个系统等值为一个简单两节点系统，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。 两类指标全部能给出系统目前运行点离电压瓦解点距离某种量度。状态指标只取用目前运行状态信息，计算比较简单，但存在非线性；而裕度指标能很好地反应电压稳定水平，但其计算包含过渡过程模拟和临界点求取问题，计算量较大。从现在研究看，尽管很多电压稳定指标已被提出，但因为多种指标全部采取了不一样程度简化，其正确性和合理性需要深入验证和改善。 这方面现在需要处理关键有以下三个问题：①快速、正确指标计算方法；②依据动态机理对各类指标合理性、正确性进行检验，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关键动态元件作用，比如发电机无功越限和负荷特征影响等。 (3)预防/控制方法研究：以日本和法国采取事故对策最为出色。前者强调增强事故状态下电压控制能力，后者以其对电压瓦解过程时段划分，侧重于事故发生前紧急状态下预防方法。现在普遍认为，加强无功备用、提升无功应变能力、预防无功功率远距离传输、紧急切负荷、闭锁甚至反调OLTC是预防严重事故有效方法。
1.3 电压稳定研究展望
电压稳定研究作为电力系统领域一个关键实际课题，在近三十年来取得了很多关键结果，部分电网工程人员研制了电压稳定分析和监测应用软件。但现在理论研究和应用实践表明，对电压稳定问题认识深度和已取得结果还远远不能和功角稳定问题研究所取得理论认识深度及应用结果相比拟，还不能经过对电压稳定全方面分析、预防、监测、控制确保电力系统安全可靠运行。所以现在仍然存在问题和以后可能研究方向关键有： (1)电压瓦解机理研究； (2)对多种元件动态特征还缺乏全方面分析和统一认识，负荷建模仍然是电压稳定研究最大难题； (3)影响电压稳定关键随机原因统计特征获取，和这些随机原因统计特征比较复杂时，怎样进行电压稳定概率分析； (4) 依据多种不一样电压稳定裕度指标，开发对应监测应用软件，使电压稳定研究结果真正地为电力系统服务。
2 电压稳定研究方法
依据所采取数学模型通常能够分为以下两大类：基于稳态时尚方程静态分析方法，基于非线性微分方程动态分析方法。
2.1 静态分析方法
静态分析方法大多全部基于电压稳定机理某种认识，关键研究平衡点稳定性问题，即把网络传输极限功率时系统运行状态看成静态电压稳定极限状态，以系统稳态时尚方程进行分析。其研究内容关键包含计算目前运行状态下电压稳定指标、确定系统微弱步骤、寻求提升系统电压稳定裕度控制策略等。静态分析方法众多，以下扼要地综述部分广泛使用、含有代表性方法。

2.1.1灵敏度分析法
灵敏度法是经过计算在某种扰动下系统变量对扰动灵敏度来判别系统稳定性。灵敏度分析物理概念明确，求解方便，计一算量小，所以在电压稳定分析早期受到了很大重视，对简单系统分析也较为理想。
2.1.2特征值分析法、模态分析法和奇异值分解法
它们全部是经过分析时尚雅可比矩阵来揭示系统一些特征。特征值分析法将雅可比矩阵最小特征值作为系统稳定指标；模态分析法在假设某种功率增加方向基础上，利用最小特征值对应特征向量，计算出各节点参与最危险模式程度；奇异值分析法和特征值分析法类似，最小奇异值对应奇异向量和特征值分析法对应特征向量有相同功效，在数值计算中前者只包含实数运算，后者可能出现最小特征值为复数情况，故前者更受研究人员欢迎。考虑到电压和无功强相关性，这三种方法在分析时往往采取降阶雅可比矩阵。 电力系统是一个高度非线性系统，其雅可比矩阵特征值或奇异值一样含有高度非线性，所以这三种方法全部极难对系统电压稳定程度作出全方面、正确评价，但在功率裕度近似计算、故障选择等方面仍有很好应用价值。
2.1.3连续时尚法
连续时尚法是求取非线性方程组随某一参数改变而生成解曲线方法，其关键在于引入适宜连续化参数以确保临界点周围解收敛性，另外，为加紧计算速度，它还引入了估计、校正和步长控制等策略。现在，参数连续化方法关键有局部参数连续法、弧长连续法及同伦连续法。在电压稳定研究中，连续时尚法关键用于求取大家熟知PV曲线和QV曲线。因为能考虑一定非线性控制及不等式约束条件，计算得到功率裕度能很好地反应系统电压稳定水平，连续时尚法已经成为静态电压稳定分析经典方法。
2.1.4非线性计划法
非线性计划法是将电压瓦解点求取转化为非线性目标函数优化问题，它以总负荷视在功率最大或任意负荷节点有功功率最大为目标函数，采取非线性优化方法来求解。相对于求解一个非线性方程组，求解一个非线性计划问题要复杂得多，但它能很好地考虑多种等式、不等式约束条件限制，在求解实际问题时候含有更大实用价值。现在，非线性计划法已用于电压稳定裕度计算、电压稳定预防校正控制策略、最优时尚、电力系统经济调度等多种问题。
2.2 动态分析方法
电压稳定本质上是一个动态问题，只有在动态分析下，动态原因对电压稳定影响才能表现，才能更深入地了解电压瓦解机理和检验静态分析结果。现在，动态电压稳定分析方法关键分为小扰动分析法和大扰动分析法，其中大扰动方面关键有时域仿真法及能量函数法。除此以外，还有非线性动力学方法。
2.2.1小干扰分析法
小扰动分析法是基于线性化微分方程方法，仅适适用于系统受到小扰动时情形。它关键思绪是将描述电力系统微分-代数方程组在目前运行点线性化，消去代数约束后形成系统矩阵，经过该矩阵特征值和特征向量来分析系统稳定性和各元件作用，其关键难点在于建立简单而又包含系统关键元件相关动态模型。现在，小扰动分析已用于有载调压变压器(OLTC)、发电机及其励磁控制系统和负荷模型等对电压稳定影响研究。
2.2.2大干扰分析法
时尚解存在和小干扰电压稳定分析关键在于把电力系统置于一个含有一定安全裕度运行方法。电力系统遭受线路故障和其它类型大冲击，或在小干扰稳定裕度边缘负荷增加，全部可能使系统丧失稳定。这是系统动态行为数学描述必需保留其非线性特征原因。这方面研究关键有时域仿真法和能量函数法。
（1）时域仿真法是研究电力系统动态电压特征最有效方法,现在关键用来认识电压瓦解现象特征，检验电压失稳机理，给出预防和校正电压稳定方法等，适合于任何电力系统动态模型。不过，电压稳定时域仿真研究还存在部分难点，关键包含时间框架处理、负荷模型适用性和结论通常化问题。 （2）能量函数法是直接估算动态系统稳定方法，可避免耗时时域仿真，基础思想是利用能量函数得到状态空间中一个能量势阱，经过求取能量势阱边界来估量扰动后系统稳定吸引域，并据此判定系统在特定扰动下稳定性。能量函数法在判定暂态功角稳定方面已取得了相当多结果，为系统中电压稳定微弱区域识别和不一样规模系统间电压稳定性比较提出了良好依据，但它对于含有复杂动态特征和有损耗输电系统而言，并不能确保能量函数存在，现在在研究电压稳定方面仍处于起步阶段。
2.2.3电压稳定概率分析
电力系统含有非线性和不确定性特点，使得电力系统中部分参数因为测量、估量或计算上误差含有一定随机性，扰动及其对应保护动作均是随即过程，计及系统参数和扰动随机性进行电压稳定分析含有一定意义。依据负荷时尚雅可比矩阵奇异可能性来定义电压稳定概率指标，在30节点电力系统上校验了该指标有效性。提出了一个进行电力系统电压瓦解风险评定方法。该方法综合考虑了电压瓦解概率和后果，量化了风险指标，经过兼顾风险指标和经济效益为确定系统最好运行方法提供了依据。6节点系统和IEEE 300节点系统评定结果证实了该方法可行性和有效性。 尽管电压稳定静态分析方法从原理上讲并不严密，所得结果也难以令人信服，但却计算简单，且不需要难以正确取得负荷动态特征。和此相对应电压稳定动态分析方法，不仅面临着负荷动态建模困难，而且在研究实际大规模系统时还存在着数值计算上困难。所以大家对电压稳定静态分析方法仍持主动态度，并努力寻求时尚雅可比矩阵性质和系统电压稳定性之间关系。并在主动探索将电力系统动态分析方法和静态分析方法结合起来电压稳定分析方法。
3 负荷模型结构
电力系统负荷模型是指描述负荷端口功率或电流随其端口电压和频率改变特征数学方程和对应参数。负荷模型分为静态模型和动态模型两大类。静态模型适适用于相对缓慢过程，正确而言，指对于给定负荷水平，在负荷端口保持不一样电压和频率多种稳态情况下，负荷功率或电流和电压、频率关系，通常见代数方程描述。动态模型则要反应电压频率改变引发负荷功率或电流改变全过程，通常见微分方程或差分方程描述。
3.1 静态负荷模型
静态负荷模型关键适适用于时尚计算和以时尚计算为基础稳态分析中。在电力系统动态分析中，通常适适用于计算结果对负荷模型不太敏感负荷点。
3.1.1指数负荷模型
通常一个指数函数在电压改变范围比较大情况下仍能很好地描述很多负荷静态特征。忽略频率改变对负荷有功、无功功率改变影响，在一定电压改变范围下，其指数函数模型可表示为

式中，P0、 Q0和 V0分别为扰动前稳态情况下负荷所吸收有功、无功功率和节点电压：指数α和β值取决于负荷类型。应该注意到把指数设置为0、1、2时，式(3-1)就对应地表示为恒定功率、恒定电流和恒定阻抗负荷。其它指数可用来表示不一样类型负荷组元总效果。对于综合负荷，其中指数α取值通常在0.5-1.8；指数β值随节点不一样改变很大，经典值为1.5-6。
3.1.2多项式负荷模型
这是将功率和电压幅值关系表示为多项式方程形式静态负荷模型，不计频率改变时通常有以下形式：

这种模型实际上相当于认为负荷由三部分组成。系数A、B、C分别表示恒定阻抗(Z)、恒定电流(I)和恒定功率(P)部分在节点总负荷中所占百分比。所以这种负荷模型也称为负荷ZIP模型。
3.1.3和频率相关负荷模型
该模型加入了对频率依靠性，通常见下面式子和多项式或指数负荷模型相乘来表示：

式中，f是节点电压频率； f0为额定频率；af是模型频率敏感性参数。 尽管负荷静态模型因为其形式简单而在通常电力系统稳定性计算中得到了广泛应用，不过，当所包含节点电压幅值改变范围过大时，采取静态模型将使误差过大。
4 电力系统时尚计算方法
电力系统分析时尚计算是电力系统分析一个关键部分。经过对电力系统时尚分布分析和计算，可深入对系统运行安全性，经济性进行分析、评定，提出改善方法。电力系统时尚计算和分析是电力系统运行和计划工作基础。 时尚计算是指对电力系统正常运行情况分析和计算。通常需要已知系统参数和条件，给定部分初始条件，从而计算出系统运行电压和功率等；时尚计算方法很多：高斯-塞德尔法、牛顿-拉夫逊法、P-Q分解法、直流时尚法，和由高斯-塞德尔法、牛顿-拉夫逊法演变多种时尚计算方法。
4.1节点类型
电力系统时尚计算中，节点通常分为以下多个类型：
PQ节点：节点注入有功功率无功功率是已知
PV节点：节点注入有功功率已知，节点电压幅值恒定，通常由无功贮备比较充足电厂和电站充当；
平衡节点：节点电压为1*exp(0°)，其注入有功无功功率能够任意调整，通常由含有调频发电厂充当。
更复杂时尚计算，还有其它节点，或是这三种节点组合，在一定条件下能够相互转换。 对于本题目，节点分析以下： 节点1给出有功功率为2.，无功功率为1， PQ节点。 节点2给出有功功率为0.5，电压幅值为1.0，PV节点。 节点3电压相位是0，电压幅值为1，平衡节点。
4.2待求量
节点1待求量是P，Q； 节点2待求量是Q，δ； 节点3待求量是U，δ。
4.3导纳矩阵
导纳矩阵分为节点导纳矩阵、结点导纳矩阵、支路导纳矩阵、二端口导纳矩阵。 结点导纳矩阵：对于一个给定电路(网络)，由其关联矩阵A和支路导纳矩阵Y所确定矩阵。 支路导纳矩阵：表示一个电路中各支路导纳参数矩阵。其行数和列数均为电路支路总数。 二端口导纳矩阵：对应于二端口网络方程，由二端口参数组成 节点导纳矩阵：以导纳形式描述电力网络节点注入电流和节点电压关系矩阵。它给出了电力网络连接关系和元件特征全部信息，是时尚计算基础方程式。
本例应用结点导纳矩阵具体计算时，依据以下公式：

由题给出导纳可求节点导纳矩阵以下：

进而节点导纳矩阵为：

4.4时尚方程
网络方程是时尚计算基础，假如给出电压源或电流源，便可解得电流电压分布。然而，时尚计算中，这些值全部是无法正确给定，这么，就需要列出时尚方程。 对n个节点网络，电力系统时尚方程通常形式是

即PQ分别为节点有功功率无功功率。 代入得时尚方程：

结论
电力系统电压稳定问题研究有着十分重大社会经济意义。尽管电压稳定问题及其相关现象十分复杂，在过去二十年间，大家已经在电压失稳机理和负荷模型建立、分析手段上取得了很多关键研究结果。伴随系统规模不停发展，新型控制设备不停投入运行和电力市场化不停深入，大家需要更为正确电压稳定性指标和实用判据，需要将电压安全评定和控制不停推向在线应用。
总结和体会
　电压稳定问题作为电力系统稳定性研究一个关键方面,对系统运行含有很关键影响。文章对电力系统电压稳定领域若干问题进行了研究,尤其是对电力系统电压稳定分析方法和控制方法叙述可为相关工作者工作实践提供参考,以确保电力系统稳定运行。

致谢
在学习中,老师严谨治学态度、丰富渊博知识、精益求精工作态度和侮人不倦师者风范是我终生学习标兵，老师们高深精湛造诣和严谨求实治学精神，将永远激励着我。这三年中还得到众多老师关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心感谢和高尚敬意！另外，感谢校方给我这么一次机会，能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，给我们多种方便，使我们在这学期快要结束时候，能够将学到知识应用到实践中，增强了我们实践操作和动手应用能力，提升了独立思索能力。 感谢全部任课老师和全部同学在这三年来给自己指导和帮助，是她们教会了我专业知识，教会了我怎样学习，教会了我怎样做人。正是因为她们，我才能在各方面取得显著进步，在此向她们表示我由衷谢意。
在这次课程设计撰写中，我得到了很多人帮助。首先我要感谢我老师在课程设计上给我指导、提供给我支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计关键原因，更关键是老师帮我处理了很多技术上难题，让我能把系统做得愈加完善。在此期间，我不仅学到了很多新知识，而且也开阔了视野，提升了自己设计能力。其次，我要感谢帮助过我同学，她们也为我处理了不少我不太明白设计上难题。
最终再一次感谢全部在设计中帮助过我良师益友和同学

参考文件
[1] 陈珩.电力系统稳态分析（第三版）[M]，北京，中国电力出版社，
[2]何仰赞.温增银.电力系统分第三版[M]，武汉,华中科技大学出版社，
[3]陈悦.电气工程毕业设计指南电力系统分册[M]，北京，中国水利水电出版社，
[4]韩祯祥.电力系统稳定[M].北京 :中国电力出版社,1995
[5]王梅义,吴竞昌,蒙定中.大电网系统技术(第二版)[M].北京:中国电力出版社,1995年6月

学期

姓名

专业

班级

课程名称

设计题目

评分
评定指标
分值
得分
知识创新性
20

理论正确性
20

内容难易性
15

结合实际性
10

知识掌握程度
15

书写规范性
10

工作量
10

总成绩
100