0  引言

    隨著電網的發展以及電力系統規模的擴大以及分布式電源的興起，電網運行越來越接近于極限狀態，重載運行的電網出現越來越多的快速或慢速的電壓跌落現象，嚴重的導致電壓崩潰，因此電壓穩定問題已成為電力系統規劃、運行的重點^[1]。由電壓失穩發展成電壓崩潰并擴大為全網性事故的風險也隨著電壓穩定問題的日益嚴重而增加，從而影響到電力系統的安全穩定和經濟運行。電力系統運行的實踐與理論研究已證明，通過向電力系統的重要樞紐點提供快速的動態無功電壓支撐，能有效解決電力系統安全穩定問題。在電力系統中的電壓水平由無功功率的平衡決定，使用靜止無功補償器可以快速提供所需的動態無功功率，穩定系統電壓，防止系統電壓崩潰^[2]。

    靜止無功補償器（Static Var Compensator, SVC）是靈活交流輸電系統的重要組成部分，能夠提供連續可調的感性或容性無功，對電網中的無功負荷實時跟蹤補償，維持平穩的電壓控制，提升遠距離傳輸容量。SVC不僅可以改善電力系統的靜態、暫態穩定^[3]，降低瞬時過電壓，還可以通過附加控制抑制電力系統的功率振蕩，阻尼電力系統的次同步諧振/振蕩，從而改善提高電力系統的穩定運行范圍^[4]。由于靜止無功補償器具有快速平滑調節、運行可靠、可分相調節，利用靜止無功補償器改善系統電壓質量和提高電力系統在小干擾和大干擾下的穩定性已獲得較為廣泛的應用^[5]。

1  電壓穩定機理

    電壓穩定性是指電力系統在正常運行情況下或遭受擾動后，電力系統維持負荷點母線電壓或恢復到允許的范圍內，不發生電壓崩潰的能力。

    如果發生了某些干擾，如負荷增加或系統狀態變化過大，引起電壓不可控地增高或下降時，系統會脫離平衡點，進入電壓失穩狀態。導致電壓失穩的主要原因通常是電力系統缺少無功功率調節能力。

    假設有功功率恒定，對應的電壓-無功功率特性曲線上位置是系統電壓穩定的臨界點，也可稱為電壓失穩點，而當時，在此位置附近受到小的擾動后系統電壓能自動恢復穩定平衡。

    假如在某個全局或局部的重大擾動作用下，系統電壓在短時間內不可逆地持續下降，系統電壓穩定性破壞，最終導致大面積停電，電力系統負荷節點的電壓失去穩定后急劇下降的后果就是電壓崩潰。系統電壓失穩后可能導致電壓崩潰，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定有重要的作用。在交流網中，電抗線路占主導，電壓控制和無功功率有密切的關系。缺少無功功率不僅會引起電壓降低，還影響到電壓穩定，甚至可能引起電壓崩潰。

    對于以電抗線路占主導的電網，在正常運行情況下，可以近似認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，則整個系統是電壓不穩定的。這顯然和通常對于提高母線電壓所采取的無功補償控制措施是相一致的。

    按采用的模型，電壓穩定性研究可劃分為兩大類：基于微分方程的動態研究和基于潮流方程的靜態研究。本質上電力系統運行過程是動態的，所有的動態元件都對系統電壓穩定有影響。一般通過電壓失穩不同的表現形式分析：

    （1）靜態電壓穩定

    靜態問題一般是指電力系統傳輸功率達到最大時的穩定極限電壓的臨界點問題。在電網正常運行時，負荷緩慢增加導致負荷端母線電壓緩慢下降，在到達運行極限之前，電壓仍能維持穩定。而在到達電力系統承受負荷增加能力的臨界值或接近臨界值時，如果有擾動使系統狀態越出臨界值，如繼續增加負荷、系統故障、甚至系統運行的正常操作，都將使負荷母線電壓發生不可逆的突降。由于在不可逆的電壓跌落之前電壓并無明顯變化，這種電壓穩定喪失不易被運行人員覺察。

    （2）動態電壓穩定

    電力系統是一個動態系統，并不總是單獨地發生電壓崩潰。電力系統動態穩定研究的是系統受到干擾后，不發生振幅不斷增大的振蕩而失步。電力系統發生故障后，為保證其功角暫態穩定及維持系統頻率，常進行自動切機切負荷等操作。因為此時系統結構變得脆弱及系統電源支持負荷的能力變弱，在故障后的發電機快速啟動、再同步并列、輸電線重新帶電、負荷再供電、電力系統解列部分再同步運行的恢復過程有可能導致電壓失穩。

    （3）暫態電壓穩定

    電力系統暫態穩定一般指的是受到大干擾后，各發電機保持同步運行并恢復到原先的或過渡到新的穩定運行狀態的能力，通常是指第一擺或第二擺不失步。電力系統發生故障或受到其他類型的大擾動后，有可能出現某些負荷母線電壓不可逆的突然下降，而此時發電機之間的相對搖擺可能未達到使電力系統功角失穩的程度。

    目前電壓崩潰機理沒有統一的結論，對于電壓崩潰現象主要有P-U 曲線、無功功率平衡、有載調壓開關OLTC負調壓作用和同步電機等多種解釋。

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

    （1）小干擾電壓穩定性，是指在遭受小干擾后，不發生自發振蕩或非周期性失步，自動恢復到起始運行狀態的能力，反應了系統控制電壓的能力。這種穩定性主要取決于系統的負荷特性、各種連續控制和指定時刻的離散控制。

    通常情況下，系統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，則認為該系統是電壓不穩定的。即如果所有母線的V-Q靈敏度為正，則系統是電壓穩定的；而如果有至少一個母線的V-Q靈敏度為負，則該系統是電壓不穩定的。

    （2）大干擾電壓穩定性是指系統遭受大擾動(例如故障、線路跳閘等)后維持穩態電壓的能力。對于給定的干擾和隨后的系統控制措施，如果系統中所有母線的電壓能夠保持在可以接受的水平，我們就說系統是大干擾電壓穩定的。系統在遭受大干擾后的電壓失穩，既可以是由于快速動態負荷變動引起的短期電壓失穩，也可以是慢速設備如有載調壓、發電機勵磁限制等引起的長過程電壓失穩。

2  靜止無功補償器的工作原理

    SVC在電力系統中可以發揮多種作用： SVC應用在系統側能夠提升穩態輸送容量、電壓穩定極限、暫態穩定性，還可以通過附加控制增強系統阻尼從而抑制同步振蕩及提高高壓直流輸電系統的動態性能；SVC在用戶側可抑制電壓波動和閃變、補償三相不平衡、提高功率因數。

    SVC有多種結構，常見的TCR裝置的組成和工作原理如圖1所示。

    TCR裝置的基本結構原理是晶閘管反并聯后與電抗器串聯，利用晶閘管的導通與關斷來控制電抗器是否投入。在電源電壓的正負半周，反并聯的晶閘管輪流工作導通，當晶閘管的控制角α在90°～180°之間調節時，晶閘管受控導通（控制角為90°時完全導通，180°時完全截止關斷）。若電網電壓基本不變，在此范圍內增大控制角將減少電抗器在一個周期內投入的時間，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，圖中每條曲線對應在導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，晶閘管反并聯后與電抗器串聯相當于一個可調電納。其等效電納為：

    其中α為晶閘管觸發角，L為電抗器電感值，ω為電網電壓的角頻率。

    典型的SVC裝置可以用固定電容器（FC）與可變電抗器的并聯支路來表示，其V-I特性曲線如附圖2所示，OA段對應電抗器取最小值，SVC相當于一固定電容器；BC段對應電抗器取最大值，SVC相當于一固定電抗器；AB段屬于電抗器的調節區，SVC相當于一可變電納，其斜率取決于控制系統。A點對應SVC的容性無功功率額定值，B點對應SVC的感性無功功率額定值。

3  含SVC的小擾動穩定性分析

    近來電力系統運行日益接近穩定極限的情況下小干擾對電力系統影響越來越不可忽視。小擾動穩定性是指系統運行于某一穩態時，經受小擾動后能恢復到原狀態，或接近擾動前可接受的穩定運行狀態的能力。小擾動穩定分析用線性化的方法來研究，主要內容包括穩定性分析方法、穩定極限和特征值靈敏度分析等。

    對于一個運行在穩態的網絡，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，系統電壓將會失穩。

    與這些特征值對應的節點就是系統的薄弱點，在相應的節點上加入SVC后，向系統注入無功功率，則有可能將特征值的實部變為負的，從而使系統變為穩定。

4  結論

    （1）SVC通過向系統注入動態無功，可以提高系統的小擾動電壓穩定性。

    （2）在小擾動穩定性分析中可以推導出系統中某些節點是電壓穩定的薄弱點。

    （3）系統中局部電壓失穩對應的節點的特征值含有正實部，在相應節點安裝SVC后，注入動態無功功率，有可能將對應的特征值實部變為負的，從而使系統變為穩定。

    （4）推導出了一種選擇電網局部薄弱點安裝SVC的選擇方法。

參考文獻

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[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

（貴州電網有限責任公司畢節供電局，貴州 畢節 551700）