0  引言

    隨著電網(wǎng)的發(fā)展以及電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大以及分布式電源的興起，電網(wǎng)運(yùn)行越來越接近于極限狀態(tài)，重載運(yùn)行的電網(wǎng)出現(xiàn)越來越多的快速或慢速的電壓跌落現(xiàn)象，嚴(yán)重的導(dǎo)致電壓崩潰，因此電壓穩(wěn)定問題已成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行的重點(diǎn)^[1]。由電壓失穩(wěn)發(fā)展成電壓崩潰并擴(kuò)大為全網(wǎng)性事故的風(fēng)險(xiǎn)也隨著電壓穩(wěn)定問題的日益嚴(yán)重而增加，從而影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)踐與理論研究已證明，通過向電力系統(tǒng)的重要樞紐點(diǎn)提供快速的動(dòng)態(tài)無功電壓支撐，能有效解決電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題。在電力系統(tǒng)中的電壓水平由無功功率的平衡決定，使用靜止無功補(bǔ)償器可以快速提供所需的動(dòng)態(tài)無功功率，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，防止系統(tǒng)電壓崩潰^[2]。

    靜止無功補(bǔ)償器（Static Var Compensator, SVC）是靈活交流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，能夠提供連續(xù)可調(diào)的感性或容性無功，對(duì)電網(wǎng)中的無功負(fù)荷實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償，維持平穩(wěn)的電壓控制，提升遠(yuǎn)距離傳輸容量。SVC不僅可以改善電力系統(tǒng)的靜態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定^[3]，降低瞬時(shí)過電壓，還可以通過附加控制抑制電力系統(tǒng)的功率振蕩，阻尼電力系統(tǒng)的次同步諧振/振蕩，從而改善提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍^[4]。由于靜止無功補(bǔ)償器具有快速平滑調(diào)節(jié)、運(yùn)行可靠、可分相調(diào)節(jié)，利用靜止無功補(bǔ)償器改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量和提高電力系統(tǒng)在小干擾和大干擾下的穩(wěn)定性已獲得較為廣泛的應(yīng)用^[5]。

1  電壓穩(wěn)定機(jī)理

    電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下或遭受擾動(dòng)后，電力系統(tǒng)維持負(fù)荷點(diǎn)母線電壓或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生電壓崩潰的能力。

    如果發(fā)生了某些干擾，如負(fù)荷增加或系統(tǒng)狀態(tài)變化過大，引起電壓不可控地增高或下降時(shí)，系統(tǒng)會(huì)脫離平衡點(diǎn)，進(jìn)入電壓失穩(wěn)狀態(tài)。導(dǎo)致電壓失穩(wěn)的主要原因通常是電力系統(tǒng)缺少無功功率調(diào)節(jié)能力。

    假設(shè)有功功率恒定，對(duì)應(yīng)的電壓-無功功率特性曲線上位置是系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的臨界點(diǎn)，也可稱為電壓失穩(wěn)點(diǎn)，而當(dāng)時(shí)，在此位置附近受到小的擾動(dòng)后系統(tǒng)電壓能自動(dòng)恢復(fù)穩(wěn)定平衡。

    假如在某個(gè)全局或局部的重大擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)電壓在短時(shí)間內(nèi)不可逆地持續(xù)下降，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性破壞，最終導(dǎo)致大面積停電，電力系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓失去穩(wěn)定后急劇下降的后果就是電壓崩潰。系統(tǒng)電壓失穩(wěn)后可能導(dǎo)致電壓崩潰，電壓崩潰可以是局部的或全局的。

    有功功率和無功功率二者同時(shí)對(duì)電壓穩(wěn)定有重要的作用。在交流網(wǎng)中，電抗線路占主導(dǎo)，電壓控制和無功功率有密切的關(guān)系。缺少無功功率不僅會(huì)引起電壓降低，還影響到電壓穩(wěn)定，甚至可能引起電壓崩潰。

    對(duì)于以電抗線路占主導(dǎo)的電網(wǎng)，在正常運(yùn)行情況下，可以近似認(rèn)為隨著注入該母線的無功功率的增加，母線電壓的幅值升高。如果系統(tǒng)中有至少一個(gè)母線電壓的幅值隨著注入該母線的無功功率的增加而降低，則整個(gè)系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。這顯然和通常對(duì)于提高母線電壓所采取的無功補(bǔ)償控制措施是相一致的。

    按采用的模型，電壓穩(wěn)定性研究可劃分為兩大類：基于微分方程的動(dòng)態(tài)研究和基于潮流方程的靜態(tài)研究。本質(zhì)上電力系統(tǒng)運(yùn)行過程是動(dòng)態(tài)的，所有的動(dòng)態(tài)元件都對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定有影響。一般通過電壓失穩(wěn)不同的表現(xiàn)形式分析：

    （1）靜態(tài)電壓穩(wěn)定

    靜態(tài)問題一般是指電力系統(tǒng)傳輸功率達(dá)到最大時(shí)的穩(wěn)定極限電壓的臨界點(diǎn)問題。在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷緩慢增加導(dǎo)致負(fù)荷端母線電壓緩慢下降，在到達(dá)運(yùn)行極限之前，電壓仍能維持穩(wěn)定。而在到達(dá)電力系統(tǒng)承受負(fù)荷增加能力的臨界值或接近臨界值時(shí)，如果有擾動(dòng)使系統(tǒng)狀態(tài)越出臨界值，如繼續(xù)增加負(fù)荷、系統(tǒng)故障、甚至系統(tǒng)運(yùn)行的正常操作，都將使負(fù)荷母線電壓發(fā)生不可逆的突降。由于在不可逆的電壓跌落之前電壓并無明顯變化，這種電壓穩(wěn)定喪失不易被運(yùn)行人員覺察。

    （2）動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定

    電力系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，并不總是單獨(dú)地發(fā)生電壓崩潰。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定研究的是系統(tǒng)受到干擾后，不發(fā)生振幅不斷增大的振蕩而失步。電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，為保證其功角暫態(tài)穩(wěn)定及維持系統(tǒng)頻率，常進(jìn)行自動(dòng)切機(jī)切負(fù)荷等操作。因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得脆弱及系統(tǒng)電源支持負(fù)荷的能力變?nèi)?，在故障后的發(fā)電機(jī)快速啟動(dòng)、再同步并列、輸電線重新帶電、負(fù)荷再供電、電力系統(tǒng)解列部分再同步運(yùn)行的恢復(fù)過程有可能導(dǎo)致電壓失穩(wěn)。

    （3）暫態(tài)電壓穩(wěn)定

    電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定一般指的是受到大干擾后，各發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并恢復(fù)到原先的或過渡到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力，通常是指第一擺或第二擺不失步。電力系統(tǒng)發(fā)生故障或受到其他類型的大擾動(dòng)后，有可能出現(xiàn)某些負(fù)荷母線電壓不可逆的突然下降，而此時(shí)發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)搖擺可能未達(dá)到使電力系統(tǒng)功角失穩(wěn)的程度。

    目前電壓崩潰機(jī)理沒有統(tǒng)一的結(jié)論，對(duì)于電壓崩潰現(xiàn)象主要有P-U 曲線、無功功率平衡、有載調(diào)壓開關(guān)OLTC負(fù)調(diào)壓作用和同步電機(jī)等多種解釋。

    為了便于研究分析，與功角穩(wěn)定性類似，常將電壓穩(wěn)定性細(xì)分為小干擾電壓穩(wěn)定性和大干擾電壓穩(wěn)定性:

    （1）小干擾電壓穩(wěn)定性，是指在遭受小干擾后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或非周期性失步，自動(dòng)恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)的能力，反應(yīng)了系統(tǒng)控制電壓的能力。這種穩(wěn)定性主要取決于系統(tǒng)的負(fù)荷特性、各種連續(xù)控制和指定時(shí)刻的離散控制。

    通常情況下，系統(tǒng)中的每個(gè)母線電壓幅值隨著注入該母線無功功率的增加而升高，假如有至少一個(gè)母線電壓幅值隨著注入該母線的無功功率的增加而降低，則認(rèn)為該系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。即如果所有母線的V-Q靈敏度為正，則系統(tǒng)是電壓穩(wěn)定的；而如果有至少一個(gè)母線的V-Q靈敏度為負(fù)，則該系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。

    （2）大干擾電壓穩(wěn)定性是指系統(tǒng)遭受大擾動(dòng)(例如故障、線路跳閘等)后維持穩(wěn)態(tài)電壓的能力。對(duì)于給定的干擾和隨后的系統(tǒng)控制措施，如果系統(tǒng)中所有母線的電壓能夠保持在可以接受的水平，我們就說系統(tǒng)是大干擾電壓穩(wěn)定的。系統(tǒng)在遭受大干擾后的電壓失穩(wěn)，既可以是由于快速動(dòng)態(tài)負(fù)荷變動(dòng)引起的短期電壓失穩(wěn)，也可以是慢速設(shè)備如有載調(diào)壓、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁限制等引起的長(zhǎng)過程電壓失穩(wěn)。

2  靜止無功補(bǔ)償器的工作原理

    SVC在電力系統(tǒng)中可以發(fā)揮多種作用： SVC應(yīng)用在系統(tǒng)側(cè)能夠提升穩(wěn)態(tài)輸送容量、電壓穩(wěn)定極限、暫態(tài)穩(wěn)定性，還可以通過附加控制增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼從而抑制同步振蕩及提高高壓直流輸電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；SVC在用戶側(cè)可抑制電壓波動(dòng)和閃變、補(bǔ)償三相不平衡、提高功率因數(shù)。

    SVC有多種結(jié)構(gòu)，常見的TCR裝置的組成和工作原理如圖1所示。

    TCR裝置的基本結(jié)構(gòu)原理是晶閘管反并聯(lián)后與電抗器串聯(lián)，利用晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷來控制電抗器是否投入。在電源電壓的正負(fù)半周，反并聯(lián)的晶閘管輪流工作導(dǎo)通，當(dāng)晶閘管的控制角α在90°～180°之間調(diào)節(jié)時(shí)，晶閘管受控導(dǎo)通（控制角為90°時(shí)完全導(dǎo)通，180°時(shí)完全截止關(guān)斷）。若電網(wǎng)電壓基本不變，在此范圍內(nèi)增大控制角將減少電抗器在一個(gè)周期內(nèi)投入的時(shí)間，減少TCR支路的等效電流，從而減小感性無功功率；反之，減小控制角將增加電抗器在一個(gè)周期內(nèi)投入的時(shí)間，增大TCR支路的等效電流，從而增大感性無功。其電壓-電流特性曲線如圖1(b)所示，圖中每條曲線對(duì)應(yīng)在導(dǎo)通角為某一特定角度下的伏安特性。如果僅考慮電流的基波分量，晶閘管反并聯(lián)后與電抗器串聯(lián)相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電納。其等效電納為：

    其中α為晶閘管觸發(fā)角，L為電抗器電感值，ω為電網(wǎng)電壓的角頻率。

    典型的SVC裝置可以用固定電容器（FC）與可變電抗器的并聯(lián)支路來表示，其V-I特性曲線如附圖2所示，OA段對(duì)應(yīng)電抗器取最小值，SVC相當(dāng)于一固定電容器；BC段對(duì)應(yīng)電抗器取最大值，SVC相當(dāng)于一固定電抗器；AB段屬于電抗器的調(diào)節(jié)區(qū)，SVC相當(dāng)于一可變電納，其斜率取決于控制系統(tǒng)。A點(diǎn)對(duì)應(yīng)SVC的容性無功功率額定值，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)SVC的感性無功功率額定值。

3  含SVC的小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析

    近來電力系統(tǒng)運(yùn)行日益接近穩(wěn)定極限的情況下小干擾對(duì)電力系統(tǒng)影響越來越不可忽視。小擾動(dòng)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)運(yùn)行于某一穩(wěn)態(tài)時(shí)，經(jīng)受小擾動(dòng)后能恢復(fù)到原狀態(tài)，或接近擾動(dòng)前可接受的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。小擾動(dòng)穩(wěn)定分析用線性化的方法來研究，主要內(nèi)容包括穩(wěn)定性分析方法、穩(wěn)定極限和特征值靈敏度分析等。

    對(duì)于一個(gè)運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，寫成分塊矩陣的形式

    顯然，如果存在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)部為正的特征值，系統(tǒng)電壓將會(huì)失穩(wěn)。

    與這些特征值對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)就是系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)，在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上加入SVC后，向系統(tǒng)注入無功功率，則有可能將特征值的實(shí)部變?yōu)樨?fù)的，從而使系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定。

4  結(jié)論

    （1）SVC通過向系統(tǒng)注入動(dòng)態(tài)無功，可以提高系統(tǒng)的小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性。

    （2）在小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析中可以推導(dǎo)出系統(tǒng)中某些節(jié)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定的薄弱點(diǎn)。

    （3）系統(tǒng)中局部電壓失穩(wěn)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的特征值含有正實(shí)部，在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)安裝SVC后，注入動(dòng)態(tài)無功功率，有可能將對(duì)應(yīng)的特征值實(shí)部變?yōu)樨?fù)的，從而使系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定。

    （4）推導(dǎo)出了一種選擇電網(wǎng)局部薄弱點(diǎn)安裝SVC的選擇方法。

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作者信息:

喻  尋，顧  健，王映祥

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司畢節(jié)供電局，貴州 畢節(jié) 551700）