电网暂态电压稳定的主要影响因素量化分析

侯建兰，马冰，刘育权，叶萌，王珂，谢小荣（．国网四川省电力公司德阳供电公司，四川德阳　68000；．广州供电局有限公司，广东广州　5060；．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系），北京　00084）

电网暂态电压稳定的主要影响因素量化分析

侯建兰1，马冰1，刘育权2，叶萌2，王珂2，谢小荣3
（1．国网四川省电力公司德阳供电公司，四川德阳618000；2．广州供电局有限公司，广东广州510620；3．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系），北京100084）

暂态电压稳定；负荷模型；扰动；电网；动态无功补偿

随着国家“西电东送、区域联网”能源战略的实施，目前我国实际大电网普遍存在远距离、大容量传输电力的现象，从而存在诸如京沪穗等大型受端电网，出现多馈入交直流电力系统的格局［1-6］。多馈入交直流电力系统在大扰动下存在的问题主要体现在［5-7］：1）在暂态过程中交直流系统间的相互作用更为复杂，在不利情况下，交流故障可能导致多个换流站同时发生换相失败；2）交流故障切除后，直流功率的快速恢复有助于缓解交流系统的功率不平衡，但过快的功率恢复可能造成换流站后继的换相失败，导致交流系统暂态电压失稳；3）系统控制策略的制定以及控制参数的设置变得更为复杂；4）滤波器的投切使得电气距离接近的换流器之间谐波的相互影响很大。此外，在交直流混合的电力网络中，影响系统安全稳定运行的暂态电压稳定问题更为突出。

某地区电网负荷高度集中，2013年全网最高负荷达到1 311.7万kW，全年供电量672亿kW·h，其中57%的电力由外部输入，属于大型受端电网。此外，南方电网“西电东送”的八回直流中有四回集中落点于此，构成典型的交直流混合受端电网。电网负荷增长迅速，而区内动态无功电源少，电压支撑能力较弱，使得暂态电压稳定问题成为威胁该电网安全稳定运行最为严重的隐患之一［8-12］。

针对此电网暂态电压问题突出的现状及特点，本文以该电网2016年夏季丰大规划数据为例，深入研究了其暂态电压失稳的现象，采用评估暂态电压稳定性的指标量化分析了引起电网暂态电压失稳的关键因素，并提出一种从增设动态无功补偿设备角度提高电网暂态电压稳定性的思路。

1　某受端电网结构介绍

按照规划，到2016年，某地区电网将形成以北郊、花都、增城、木棉、狮洋、广南6座500 kV变电站为核心，同时由北郊、广蓄A、广蓄B、增城组成的500 kV环网供电，通过500 kV穗东换流站、从西换流站、北郊变电站分别接收来至云南楚雄、牛寨和天生桥的直流输电，其拓扑连接如图1所示。

图1　2016年某受端电网拓扑连接图Fig.1　The topology connection diagram of Guangzhou power grid in 2015

2　电网暂态电压失稳现象

2.1基础数据说明

本文研究采用某典型受端2016年规划数据，其发电机采用考虑变化的次暂态模型，并计及了自动励磁调节器、汽轮机、调速器的作用。天广、高肇、兴安、江城、楚穗、云广和溪洛渡直流采用BPA程序中新的两端直流系统模型，考虑直流控制系统作用，控制方式为定功率。负荷采用考虑电动机特性的综合模型，电动机比例对暂态电压稳定性的影响将在下文进行深入研究。而具体的感应电动机参数采用南方电网长期以来计算所采用的数据，如表1所示。其中RR为转子电阻；XS为定子电抗；XR为转子电抗；TJ为惯性时间常数；S0为初始滑差。

表1　感应电动机负荷参数Tab.1　Parameters of induction motor load

故障时间持续的长短在很大程度上影响系统的暂态电压稳定性。参照《电力系统暂态稳定计算暂行规定》［13］，并结合该电网的实际情况确定的线路故障切除时间如表2所示。

表2　故障切除时间表Tab.2　Clearing time of faults

根据《南方电网安全稳定计算分析导则》［14］的相关内容，电网暂态电压失稳的实用判据为：暂态和动态过程中系统中枢点母线电压下降持续低于0.75 pu（以平均额定电压为基准，下同）的时间不超过1 s，且动态过程平息后220 kV及以上电压等级中枢点母线电压不低于0.9 pu。

2.2电网暂态电压失稳现象分析

如图1电网拓扑连接图所示，500 kV广南、狮洋变电站位于该区中南部，负荷密度相对北部地区偏低，且有横沥热电厂、珠江电厂以及展能电厂等丰富的电源做支撑，暂态电压稳定性较高。然而，北部地区负荷密度高，直流线路落点密集，由于直流换流器需要消耗大量的无功功率（为直流有功功率的50%～60%），交流线路故障后，换流母线电压跌落，而并联电容器补偿的无功功率反而大幅度减小（电容器的输出功率与端电压的平方成正比），直流需要从交流系统吸收大量的无功功率，系统无功不足导致暂态电压失稳甚至崩溃［15-17］。

以典型的500 kV交流线路N-1故障为例，深入分析图1所示电网暂态电压失稳的薄弱区域以及失稳机理。当500 kV花都—从西换流站线路花都侧发生三相短路，0.1 s后跳开单回线路故障，部分500 kV变电站以及220 kV变电站母线电压曲线如图2所示。

图2　花都—从西线路故障时的母线电压Fig.2　Bus voltage on the fault of Huadu-Congxi line

由图2（a）500 kV母线电压可知，故障切除后北郊、花都、增城变电站母线电压均能恢复到1.0 pu以上，保持暂态电压稳定性；而从西换流站以及木棉站母线电压持续低于0.8 pu，发生暂态电压失稳。同样，由图2（b）220 kV母线电压曲线可看出，北郊片区的茶山站、花都片区的林益站、增城片区的新塘站母线电压均能恢复到故障前水平，而木棉片区的犀牛站、猎德站、凯旋站母线电压持续在0.75 pu以下，发生严重的暂态电压失稳。可见，该电网容易发生暂态电压失稳的薄弱区域主要为木棉片区。

由图3木棉片网拓扑连接示意图可以看出，500 kV木棉变电站只通过4条500 kV线路与从西换流站相连，一旦从西环流站故障便失去电力来源，网架结构十分薄弱。而从西换流站还与500 kV花都站、库湾站以及博罗站相连。当发生上述500 kV线路N-1故障时，与木棉站紧密相连的从西换流站的各条500 kV线路无功功率如表3所示。

图3　木棉片区拓扑连接示意图Fig.3　The topology connection diagram of Mumian

表3　与从西换流站相连的线路无功功率Tab.3　Reactive power changes in lines connected to Congxi converter station

由表3中0.2 s时的数据以及图3所标示的无功功率流向可知，稳态运行即故障发生前从西换流站接收来自博罗、花都、库湾以及木棉站的无功功率用于直流逆变站的无功补偿，但各线路流过的无功功率很少，平均每条500 kV只流过几十兆乏，引起的有功损耗、电压降落均很小，可忽略不计。然而，故障发生后，线路流过的无功功率急剧变化，主要表现在以下两方面：1）部分线路无功的流向发生变化，如故障发生前无功从木棉站流向换流站，而故障后由从西换流站流向木棉站；2）流过线路的无功功率数值增大，例如库湾—从西线无功功率由故障前24 Mvar变为6.0 s时的1 053 Mvar，由此引起的线路损耗、电压降落大为增加。

上述分析结果表明：交流线路故障后，直流换流站向交流系统索要大量无功以及木棉片区的电动机负荷无功需求增加，进而引起无功功率大量转移，导致暂态电压严重跌落，发生失稳事故。

3　暂态电压失稳的主要影响因素分析

暂态电压稳定性的影响因素众多［15］，包括负荷模型、扰动大小、感应电动机参数、发电机组及其控制元件、无功补偿装置、HVDC以及低压减载装置等。本文重点量化分析负荷模型和扰动大小对电网暂态电压失稳的影响。

3.1暂态电压失稳的量化评估指标

以电网暂态电压失稳的实用判据为基础，提出能够反映系统电压暂降严重性程度的量化评估指标，包括电压暂降严重性指标S、电压合格性指标F以及电压合格率P，定义如式（1）所示：式中：φj为节点j的权重值；V（st）根据节点j在t时刻的电压是否在暂态电压恢复要求范围（0.9～1.1 pu）之内而取值；ΔT为时域仿真计算步长；N为系统关键节点总数。其中，Dj、V（s）t、Fj的表达如式（2）—（4）所示：

式中：Δt2为节点j电压0.75 pu的持续时间；Dj为惩罚函数，本文对不满足电网暂态电压稳定实用判据的节点惩罚为10。

电压暂降严重性指标S的数值可反映暂态电压稳定性，数值越大，稳定性越差。电压合格性指标F能够表示系统暂态电压是否完全稳定，若数值为N，即所有被关注节点暂态电压均合格，则暂态电压稳定，反之则暂态电压失稳。电压合格率P表示系统中暂态电压合格的百分数。

3.2负荷模型对电网暂态电压稳定性的影响分析

大扰动故障发生后，感应电动机的快速恢复特性1，其他使其无功需求增加，容易导致系统暂态电压失稳［18-21］。本文研究所采用的是感应电动机+恒阻抗的综合负荷模型。根据电动机构成比例的不同，选取表4所示的几种综合负荷模型，测试其在同一故障下对该电网暂态电压稳定性的影响。

表4　不同的综合负荷模型Tab.4　Different synthesis load model

采用上述表4所示的4种综合负荷模型，在500 kV花都—从西线路发生N-1故障时木棉片区部分母线的电压曲线如图4所示，系统电压暂降量化评估指标列于表5。

图4　不同负荷模型时母线电压变化对比Fig.4　Comparison of bus voltage on different load models

表5 花都—从西线路N-1故障的系统电压暂降量化评估指标Tab.5　The quantitative evaluation index of system voltage sag on the N-1 fault of Huadu-Congxi line

由图4可知，当电动机比例为50%或55%时，木棉500 kV以及犀牛220 kV母线电压均能恢复到稳态水平，未发生暂态电压失稳。然而，随着综合负荷模型中电动机比例的增加，达到60%或65%时，木棉和犀牛发生暂态电压失稳。由此可见，综合负荷模型对母线暂态电压失稳具有重要影响。

电压暂降指标的计算考虑了该电网所有的500 kV 和220 kV变电站的母线，共计85个节点，每个节点的权重φj取值主要考虑以下2方面因素：1）不同电压等级变电站节点的重要程度差异很大，将变电站重要性按电压等级划分；2）同一电压等级的变电站节点之间按变电站容量大小衡量其重要性。

由表5数据可知，随着电动机比例的增加，电压暂降严重性指标增大，不满足电压稳定判据的节点数可能增加，系统电压合格率有所下降。量化评估指标的结果更加直观、有效、全面地阐释了负荷模型对电网暂态电压稳定性的重大影响。

3.3扰动大小对暂态电压稳定性的影响

扰动大小表明故障对系统的冲击力，在一定程度上决定着故障切除后电压的恢复速度，影响暂态电压稳定性。本文选择分析比较以下3种故障方式下母线电压曲线以及电压暂降指标，从而揭示出扰动大小对电网暂态电压稳定性的影响。其中，本小节分析所采用的负荷模型统一为60%电动机+40%恒阻抗，且各类型故障的切除时间按表2进行。

故障1：北郊—增城500 kV线路北郊侧0.2 s发生三相短路，故障后0.1 s切除故障线路。

故障2：花都—从西500 kV线路从西侧0.2 s发生三相短路，故障后0.1 s同时切除两回线路。

故障3：木棉—从西500 kV线路木棉侧发生三相短路单相开关拒动。

图5给出了上述3种故障发生时木棉500 kV母线电压、犀牛220 kV母线电压的具体恢复情况。从图5可看出，在北郊—增城线路发生N-1故障时，由于故障点离木棉片区较远，母线电压均能恢复到稳态水平。而在木棉片区发生更为严重的故障2和故障3时，系统发生不同程度的暂态电压失稳现象。失稳严重程度的衡量指标如表6所示。

仿真计算结果再次表明该电网薄弱环节为木棉片区，在区域发生较为严重的线路N-2故障或三相短路单相开关拒动故障容易引起暂态电压失稳。

图5　不同故障方式下母线电压对比Fig.5　Comparison of bus voltage under different faults

表6　不同故障的系统电压暂降量化评估指标Tab.6　The quantitative evaluation index of system voltage sag under different faults

4　提高电网暂态电压稳定性的方法建议

针对木棉片区容易发生暂态电压失稳的现状，通过网架结构以及各变电站的电压暂降严重性指标分析，考虑在木棉片区的鹿鸣B、猎德、航云、奥林以及科城5个220 kV变电站进行无功补偿装置的配置。以补偿最先进的动态无功补偿装置STATCOM为例，采用所提出的电压暂降指标指导STATCOM的布点容量，当补偿容量总容量不同时，在故障2条件下的电压暂降严重性指标、电压合格率如表7所示。由此可知，当补偿总容量达到500 Mvar及以上时，故障2扰动后系统保持暂态电压稳定性。

以最佳补偿容量为例，补偿前后木棉500 kV母线电压对比如图6所示，可以看出，在同样故障条件下母线电压由补偿前的失稳状态转变为补偿后的稳定状态。电压暂降严重性指标由补偿前的4.514 5降低为0.109 1，电压合格率由84.7%提高到100%。

表7　不同配置容量的指标分析Tab.7　Capacity allocation of STATCOM

由此可见，适当进行无功补偿可以明显改善电网在故障后的电压恢复能力，提高系统暂态电压稳定性。

5　结语

多直流馈入的大型受端系统容易发生暂态电压失稳，造成严重的经济损失及不良的社会影响。本文从某典型受端电网的结构出发，通过合理设置故障找出了该电网暂态电压失稳的重度隐患区域为木棉片区，发现故障后由于直流系统和电动机负荷在快速恢复过程中从交流系统吸收大量的无功功率，无功的大量转移导致电压失稳。此外，基于暂态电压稳定性的评估指标量化分析了电网暂态电压失稳的主要影响因素，结果表明负荷模型和扰动方式是引起木棉片区暂态电压失稳的关键因素，合理配置无功补偿装置对提高暂态电压稳定性具有重要作用。

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（编辑冯露）

Quantitative Analysis of Main Factors Influencing Transient Voltage Stability of Power Grid

HOU Jianlan1，MA Bing1，LIU Yuquan2，YE Meng2，WANG Ke2，XIE Xiaorong3
（1.Deyang Power Supply Company，State Grid Sichuan Electric Power Co.，Deyang 618000，Sichuan，China；2.Guangzhou Power Supply Bureau，Guangzhou 510620，Guangdong，China；3.State Key Lab of Control and Simulation of Power System and Generation Equipment（Dept.of Electrical Engineering，Tsinghua University），Beijing 100084，China）

A large-scale complicated receiving-end system with multi-infeed HVDC transmissions lines faces severe challenges in transient voltage stability following large disturbances，due to lots of reactive power consumed by HVDC converters and induction motors.In this paper，based on the typical receiving-end system，the phenomenon of transient voltage instability is described.Based on the proposed voltage sags index，the influencing factors on transient voltage instability，i.e.，comprehensive load model and disturbance type，are quantitatively investigated.To improve the transient voltage stability，a method is also proposed，namely the installation of dynamic reactive power compensation in weak regions，to address the voltage-instability issue of the power grid.The proposed method and the analysis results can provide reference for the study of transient voltage stability in other power grids.

transient voltage stability；load model；disturbance；power grid；dynamic var compensation摘要：含多馈入直流输电线路的复杂大型受端系统，由于故障后直流换流器和电动机消耗无功功率急剧增长，使得系统暂态电压稳定性面临严峻考验。以某典型受端电网为例，分析了电网暂态电压失稳的严重问题，基于暂态电压失稳的量化评估指标，深入分析了负荷模型和扰动形式对暂态电压稳定性的影响，并根据该电网暂态电压失稳特点提出了改善暂态电压稳定性的方法，即在电网薄弱站点装设动态无功补偿设备STATCOM。所提出的分析方法与结论对其他电网的暂态电压稳定性分析有一定的借鉴意义。

1674-3814（2016）06-0028-07

T

A

2015-06-09。

侯建兰（1990—），女，硕士研究生，主要研究方向为电压稳定，新能源发电；

马冰（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向为电压稳定与控制；

刘育权（1971—），男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向为电力系统调度运行与控制；

叶萌（1987—），女，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电力系统仿真分析、调度运行与控制；

王珂（1979—），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为电力系统运行与管理；

谢小荣（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向为柔性输电技术，WAMS和次同步谐振等。

国家自然科学基金资助项目（51322701）；广州供电局科技项目（受端城市电网动态无功的站级多目标控制与广域协调控制策略研究，K-GZM2014-060）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51322701）；Science and Technology Project of Guangzhou Power Supply Bureau（Research on Multi-Objective and Wide-Area Coordination Control Strategy of Dynamic Reactive Power of Receivingend System，K-GZM2014-060）.