浅析负荷动态特性与电压稳定性的关系*

廖青华，张 锐

（河南机电高等专科学校电气工程系，河南 新乡 453000）

随着以高参数、大机组、高电压、远距离为特征的大电力系统的出现，电力系统的结构和运行方式变得越来越复杂，国内外发生的多次电力系统事故都是由于电压失稳造成的。电压稳定问题，关系到电力系统的安全和经济运行。电压失稳事故的屡屡发生，推动了电压稳定问题的研究。与电压稳定关系密切的诸多因素中，负荷特性是最关键、最直接的因素，研究电压稳定这一特定的动态现象时，需要考虑负荷的动态特性，采用合适的负荷模型。

在早期的研究中，文献［1］从电压稳定机理的角度研究了负荷特性对静态电压稳定性的影响，推导出了考虑负荷特性影响的静态电压稳定性广义实用判据;文献［2］通过采用幂函数模型，研究了负荷模型与电压稳定性的关系;文献［3］采用多种不同的静态模型，研究了负荷特性对电压稳定性的影响。本文对电压稳定性的相关方面进行了总结，并进一步分析负荷动态特性与电压稳定之间的关系。

1 关于电压稳定性

1.1 电压稳定性的定义

对于电压稳定性虽然研究了很多年，但至今学术界对它还没有公认的严格定义。美国电机电子工程学会(IEEE)将电压稳定性定义为系统维持电压的能力，它使得负荷导纳增加时，负荷功率也增加，即功率和电压都是可控的。电压崩溃是电压不稳定导致系统相当一部分电压很低的过程。一个系统进入电压不稳定状态，是指当扰动、负荷增加或系统变化时引起电压快速下降或向下偏移而运行人员和自动控制系统都不能停止这种衰变的过程，电压失稳的过程可能持续几秒钟，也可能需要数十分钟甚至更长时间。电压失稳与电压崩溃这两个术语可以交换使用［4］。

1.2 电压失稳的机理解释

电压稳定最初被认为是一个静态问题，因此对电压失稳的机理也是从静态的观点来加以解释的。如前苏联的马尔柯维奇在单负荷—无穷大系统上提出第一个静态电压稳定判据，即dQ/dU判据。静态分析方法因难以完整计及系统动态元件的影响而无法深入研究电压失稳的机理及其演变过程。

随着对电压稳定研究的发展，考虑发电机及其调节系统的动态作用、负荷以及其他动态元件影响的动态失稳机理也应运而生。由于电力系统是一个复杂的非线性动力系统，电压失稳的动态过程是很复杂的。

对于电压失稳的动态机理，国内外许多学者从不同的角度作出了解释，更多的学者从负荷稳定的角度研究系统的电压稳定性，文献［5］根据异步电动机等效导纳不能突变的性质，认为电压失稳可以归结为负荷为维持有功功率平衡而自动调节其导纳的特性和网络输送能力的有限性共同作用的结果。但实际上，如果系统中存在无功功率不平衡，系统也会导致电压失稳。负荷动态特性在电压稳定问题中发挥着重要作用。

2 负荷动态特性与电压稳定的关系

2.1 负荷特性

单一负荷特性即负荷的电压频率特性是一个以函数形式给出的表达式，其自变量是电压U、频率f以及另外一个独立变量z(称为负荷需求)，负荷消耗的有功P和无功Q可以用负荷特性的一般形式给出，即

由于频率的偏移不是电压稳定问题的主要因素，在讨论中，除特别需要，一般忽略频率对负荷特性的影响。广泛使用的负荷特性有指数型负荷，其一般形式为

上式中无量纲z代表负荷需求，U0是参考电压，指数α和β的值取决于负荷的类型。在电压下降到临界值以下时，许多负荷可能已经被切除，或者它们的特性已经完全改变了，指数负荷模型就不适用了。

2.2 负荷动态特性对电压稳定的影响

由2.1可知，负荷消耗的功率决定于它们的电压特性，若这种相关性是不变的，则负荷是静态的;若其随时间而变化，则负荷是动态的。

电压稳定与负荷动态特性之间关系十分紧密，负荷模型的准确性直接影响到电压稳定分析结果的正确性和准确性，在电压崩溃研究中，采用简单的负荷模型无法解释电压崩溃。目前电压稳定研究中受到重视的负荷动态特性有以下3个方面［6］。

1)随着负荷母线电压下降，负荷从系统吸收的无功功率反而增加的特性，无功需求的增加，加重了系统电压的下降。

2)动态负荷有功恢复特性，即在电压下降以后，负荷从电网吸收的功率首先随着电压的下降而突然减少，随后将逐渐上升，直至恢复到电压下降前的负荷功率或低于电压下降前的某一稳定功率。负荷类型不同，功率恢复的机理和速度也不同。

①异步电动机类电压敏感性负荷，当系统受到扰动时，端电压突然降低后数秒内快速响应，其有功负荷最终与机械负荷相匹配。由于机械惯性的原因，电动机转速不能随扰动瞬时变化，根据其等值电路可知，电动机仅仅呈现为阻抗特性，其吸收功率开始随着电压下降而减少，但由于其内部能量转换的需要，在随后的过渡过程中，吸收的功率逐步恢复。这种功率恢复过程很短，通常以秒计。对于电压缓慢降低的情况，异步电动机能够跟随系统其他装置的慢动态过程，表现为恒定有功特性。

②恒温控制负荷，因其电导不能瞬间调节，其吸收功率将随着电压的突然降低而减少，但由于要保持加热空间温度恒定，在电压下降以后，其电导必然逐步增大，从而使其吸收的功率最终恢复到或接近电压下降前的值。这种功率恢复的时间通常是分钟级的。

③由于网络受端有载调压变压器OLTC的作用，受端变压器低压侧电压降低后，在数十秒至数分钟内，OLTC将负荷侧电压恢复到接近其基准电压，则基本由母线电压决定的负荷功率也被恢复了。

3)负荷动态特性与电压稳定有关的本质特征是，负荷为了维持有功功率平衡而自动调整其导纳的内在特性，任何动态负荷都是为了满足某种形式的有功功率平衡，当这种平衡被打破以后，就会以其固有的方式进行调整，产生各种动态特性。

3 关于动态负荷建模

负荷建模是一个非常复杂的问题，负荷建模的核心是对负荷组成进行实时辨识，以及对不同集合的建模。电压稳定因其特殊性，要求负荷模型结构中反映与电压失稳相关的本质动态特性。目前，在电压稳定研究中被采用的动态负荷模型有无功功率平衡模型、功率恢复模型和机理式模型。这些负荷模型主要是为定性理解电压稳定问题服务，应用于定量分析所必需的参数辨识讨论不多。

目前用于电压稳定分析的动态负荷模型主要还有以下问题:

1)只考虑输电网络的模型，很少考虑连接负荷用户与输电网络和发电厂的次输电网络、配电网络的模型。

2)试图用一个负荷模型来表示整个配电网络的动态(包括OLTC、电动机负荷、恒温负荷、静态负荷等)。

3)无法计及负荷动态的不连续性。

4 结束语

电压失稳主要与负荷的动态特性有关，在电压稳定性研究中，选取恰当的动态负荷模型非常重要。在建立合适的负荷模型过程中，没有普遍适用的原则，不同系统的负荷特性不同，研究不同问题需要不同的负荷模型。

［1］李欣然，贺任睦，章键，等.负荷特性对电力系统静态电压稳定性的影响及静态电压稳定性广义实用判据［J］.中国电机工程学报，1999，19(4):26－30.

［2］Voumas C D，Krassas N D.Voltage stability as affected by static load characteristics［J］.IEE Pro C，1993，140(3):221 －228.

［3］Tripathy S C，Induldar C S，Visw Anatha B.Voltage Collapse at the Load End of a Series Compensated EHV Transmission Line［J］.Electrical Power＆ Energy Systems，1993，15(4):251－253.

［4］周双喜，朱凌志，郭锡久，等.电力系统电压稳定性及其控制［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［5］段献忠，何仰赞，陈德树.电压崩溃机理探讨［J］.电力系统及其自动化学报，1991，3(2):1 －6.

［6］段献忠，包黎昕.电力系统电压稳定分析和动态负荷建模［J］.电力系统自动化，1999，23(19):25 －28.