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^[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)行的實踐與理論研究已證明，通過向電力系統(tǒng)的重要樞紐點提供快速的動態(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，對電網(wǎng)中的無功負(fù)荷實時跟蹤補(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后，電力系統(tǒng)維持負(fù)荷點母線電壓或恢復(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，系統(tǒng)會脫離平衡點，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，也可稱為電壓失穩(wěn)點，而當(dāng)時，在此位置附近受到小的擾動后系統(tǒng)電壓能自動恢復(fù)穩(wěn)定平衡。

    假如在某個全局或局部的重大擾動作用下，系統(tǒng)電壓在短時間內(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對電壓穩(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，則整個系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。這顯然和通常對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)行過程是動態(tài)的，所有的動態(tài)元件都對系統(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)到最大時的穩(wěn)定極限電壓的臨界點問題。在電網(wǎng)正常運(yùn)行時，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，如果有擾動使系統(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）動態(tài)電壓穩(wěn)定

    電力系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)，并不總是單獨地發(fā)生電壓崩潰。電力系統(tǒng)動態(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)行自動切機(jī)切負(fù)荷等操作。因為此時系統(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、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，而此時發(fā)電機(jī)之間的相對搖擺可能未達(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)控制和指定時刻的離散控制。

    通常情況下，系統(tǒng)中的每個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(例如故障、線路跳閘等)后維持穩(wěn)態(tài)電壓的能力。對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態(tài)負(fù)荷變動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)勵磁限制等引起的長過程電壓失穩(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)的動態(tài)性能；SVC在用戶側(cè)可抑制電壓波動和閃變、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，晶閘管受控導(dǎo)通（控制角為90°時完全導(dǎo)通，180°時完全截止關(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周期內(nèi)投入的時間，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周期內(nèi)投入的時間，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段對應(yīng)電抗器取最小值，SVC相當(dāng)于一固定電容器；BC段對應(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點對應(yīng)SVC的容性無功功率額定值，B點對應(yīng)SVC的感性無功功率額定值。

3  含SVC的小擾動穩(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電力系統(tǒng)影響越來越不可忽視。小擾動穩(wěn)定性是指系統(tǒng)運(yùn)行于某一穩(wěn)態(tài)時，經(jīng)受小擾動后能恢復(fù)到原狀態(tài)，或接近擾動前可接受的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。小擾動穩(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。

    對于一個運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，寫成分塊矩陣的形式

    顯然，如果存在一個或更多個實部為正的特征值，系統(tǒng)電壓將會失穩(wěn)。

    與這些特征值對應(yīng)的節(jié)點就是系統(tǒng)的薄弱點，在相應(yīng)的節(jié)點上加入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)注入動態(tài)無功，可以提高系統(tǒng)的小擾動電壓穩(wěn)定性。

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

    （3）系統(tǒng)中局部電壓失穩(wěn)對應(yīng)的節(jié)點的特征值含有正實部，在相應(yīng)節(jié)點安裝SVC后，注入動態(tài)無功功率，有可能將對應(yīng)的特征值實部變?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)局部薄弱點安裝SVC的選擇方法。

參考文獻(xiàn)

[1] LI Peng，YU Yixin，JIA Hongjie，et a1．A study on boundary of small disturbance stability region[C]．IEEE International Conference on Power System Technology，Kunming，China，2002．

[2] CANIZARES C A , FAUR Z T. Analysis of SVC and TCSC Controllers in voltage collapse[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1999, 14 (1) : 158-165.

[3] HISKENS IA , MCLEAN C B. SVC behavior under voltage collapse conditions[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1992, 7 (3) : 1078-1087.

[4] CIGRE Task Force 38. 05. 04, “Analysis and optimization of SVC use in transmission systems”. CIGRE Technical Brochure , No. 77 , 1993.

[5] VASCONCELOS A. N, RAMOS A. J . P, MONTEIRO J . S., et al. Detailed modeling of an actual static var compensator for electromagnetic transient studies[J]. IEEE Transaction on Power Systems, 1992, 7(1): 11 - 19.

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）