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毕业设计说明书(论文)电力系统电压崩溃实验研究 学生姓名： 班级学号： K监控081 240082225 院、系、部： 专 业： 电气工程及其自动化(电网监控） 指导教师： 授 合作指导教师： 2011年06月 南京Undergraduate Design(Thesis)Experimental Study of Voltage Collapse in Power SystemBYSunChongFengSupervised byAssociate Professor LI Sheng School of Electric Power Engineering Nanjing Institute of Technology June 2012摘要这项研究涉本文介绍了以单负荷无穷大系统为研究的原始数据，对系统电压崩溃实验进行研究。及到电压崩溃点的确定和单负荷无穷大系统仿真模型的确定，因此较为复杂。为了将论文所研究问题化繁为简，以下将研究过程分为几个步骤：（1）学习并熟悉电力系统电压稳定性的基本概念。（2）学习并探讨电力系统电压崩溃的产生机理。（3）研究单负荷无穷大系统电压崩溃的产生机理，推导负荷为恒定功率类型时的相应的数学公式，找出电压崩溃点。（4）运用ETAP软件建立单负荷无穷大系统仿真模型，研究不同负荷特性（恒定功率、恒定阻抗类型负荷及感应电动机）对系统电压稳定性的影响。（5）在电压稳定教学试验验装置上进行电压崩溃物理仿真试验，考察不同特性负荷（日光灯、感应电动机等）对系统电压稳定性的影响。通过ETAP PowerStation电力系统综合分析计算软件来对电压稳定性进行了仿真分析。电压稳定性仿真分析中采用了单负荷-无穷大这一典型系统，并选取了恒阻抗负荷及感应电动机负荷进行仿真。根据P-V曲线，当负荷侧母线有功功率增大到一定值时，再增加有功功率时，电压会崩溃，母线上的有功功率会随着电压下降而下降，从而早出电压崩溃点，研究电压崩溃。关键词 电压稳定，负荷特性，电压崩溃，单负荷无穷大系统，恒阻抗负荷AbstractThe study involved This article describes the raw data, a single load - infinite bus system for the study on the collapse of the system voltage experiments. To voltage collapse point to determine a single load - infinite bus system simulation model to determine more complex. Simplify your paper to research questions, following the research process is divided into several steps: (1) learn and become familiar with the basic concept of the power system voltage stability. (2) to learn and to explore the mechanism of the power system voltage collapse. (3) of single load - infinite bus system voltage collapse mechanism of the derivation of the load is constant power type of mathematical formula to identify the voltage collapse point. (4) using ETAP software to create a single load - infinite bus system simulation model to study the characteristics of different loads (constant power, constant impedance type of load and induction motor) and the impact on system voltage stability. (5) in the voltage collapse voltage stability teaching test inspection device physical simulation experiments to study the different characteristics of the load (fluorescent, induction motor, etc.) on the system voltage stability. ETAP PowerStation power system analysis computing software simulation analysis of voltage stability. The simulation analysis of voltage stability using a single load - typical infinite system, and select a constant impedance load and induction motor load simulation. PV curve when the load side bus active power increases to a certain value, then increase the active power, voltage collapse, the active power bus voltage drops down, which as early as the voltage collapse point to study the voltage collapse.Key words voltage stability, load characteristics, voltage collapse, single load - infinite system, constant impedance load.目录摘要IAbstractII1 绪论11.1引言11.2研究电压崩溃实验的意义11.3本文的主要工作22 电力系统电压稳定性42.1 引言42.2 电压稳定性的基本概念42.3 电压稳定性机理的认识52.4 电压稳定性的研究方法72.5 本章小结93 电力系统电压崩溃产生的机理103.1 引言103.2电压崩溃的基本概念103.3 电压崩溃机理的研究现状113.4单负荷无穷大系统电压崩溃的机理133.5 本章小结154 不同负荷特性在ETAP软件上研究电压稳定164.1 引言164.2 ETAP软件的简单介绍164.3电压稳定数字仿真实验数据介绍174.4 单负荷无穷大系统电压稳定性数字仿真实验194.5 本章小结285 电压崩溃物理仿真试验研究电压稳定295.1引言295.2 实验装置的原理及其设计295.3 实验装置的接线及其模型构造315.4 实验装置需要的仪器及说明325.5 含日光灯符合的装置参数325.6含感应电动机负荷（42w电风扇）的装置参数335.7 试验数据的记录与处理分355.8实验小结376 结论38谢 辞39参考文献39附录1 英文翻译资料41A1.1译文：一个新的分岔分析电力系统动态电压稳定性研究41A1.2 原文A New Bifurcation Analysis for Power SystemDynamic Voltage Stability Studies461 绪论1.1引言20 世纪80 年代以来, 由于世界各国的电力改制及环保立法等因素的影响, 电网运行越来越接近于极限状态, 出现了慢速或快速的电压跌落现象,有时甚至产生电压崩溃。例如1996 年7 月2 日美国西部电力系统(WSCC) 的一次事故, 共损失了约10% 的负荷, 造成了巨大的经济损失和社会生活紊乱。所以, 在现代高度发达的电网中, 电压稳定问题日趋严重, 也越来越受到人们的重视。电压稳定已成为电力系统规划和运行的主要问题之一。1.2研究电压崩溃实验的意义自从世界各地的几个大电网相继发生电压崩溃, 造成巨大损失以来, 对于电压稳定的研究受到了普遍的重视, 近十年来各国在这一领域里做了大量的工作, 提出了许多方法,但是, 到目前为止, 尽管对电压失稳机理提出了各种解释,却仍没有一种解释令人满意的解释，众所周知在功角稳定中, 由于人们正确地掌握了功角稳定问题的本质、关键性的状态变量和影响因素, 所以能用功角摇摆方程和一曲线对功角稳定的许多问题作出合理的定性解释, 并发展了多种定量计算的方法。与此相比, 电压稳定的研究则还有很大的差距目前普遍认为电压不稳定从本质上讲是无功平衡的被破坏, 但是当我们讨论“不稳” 或“崩溃” 的时侯, 却没有找出相应的状态变量, 建立与功角摇摆方程相应的描述无功不平衡量和电压崩溃关系的微分方程, 以便能象功角稳定那样进行深人的分析和定量的计算。一方面我们知道电压崩溃日趋严重的主要原因有以下几点: 由于经济上及其它方面( 如环保) 的考虑出发、输电设备使用的强度日益接近其极限值： 【6】并联电容无功补偿大量增加, 因而当电压下降时：向电网提供的无功功率按电压平方下降。 线路或设备的投切引起电压失稳的可能性往往比功角稳定研究中所考虑的三相短路情况要大得多。另一方面，随着国民经济的高速增长，以城市为中心的区域性用电增长越来越快，大电网中负荷中心的用电容量越来越大，长距离重负荷输电的情况日益普遍。这给电力系统的安全运行带来了不少问题，其中之一就是电压稳定问题，即电压不稳定或电压崩溃引起的电力系统局部负荷丧失，甚至是全网瓦解而导致大面积停电。近些年来，世界范围内，尤其是在发达国家，出现了一些由于事故引起传输线路滚雪球式的连续退出运行，最后造成功角失稳，系统解列等重大事故的实例。在此背景下，近十年来电压崩溃问题成了全球性研究的热点，研究范围不断拓宽，研究工作不断深入，各种研究成果大量发表。尽管如此，电压稳定问题的研究成果离实际应用还有相当的距离，主要表现在两个方面。一方面，对电压稳定的机理的认识众说纷纭，没有达到广泛的一致。另一方面至今还没有一套被工程界和学术界广泛接受和普遍采用的电压稳定性分析的元件模型和数学方法。我国电力系统已经进入了大电网，超高压，大机组，远距离的时代，随着国民经济的高速增长，电力建设落后于经济发展的状况不会在短时间内解决，远距离重负荷输电的局面将会日益突出。这就迫使电力系统运行于接近网络极限输送能力的状态。因此，借鉴国外恶性电压崩溃事故和我国某些局部电网中发生的电压崩溃的经验教训，对电力系统电压崩溃特性的研究具有特别重要的意义。1.3本文的主要工作本文针对负荷特性对电力系统电压稳定性的影响这个中心。通过P-V曲线分析法定性分析了不同负荷特性对电压稳定性的影响,并通过ETAP对单负荷无穷大系统进行仿真，研究了电压失稳和电压崩溃现象。最后针对这些现象给出了关于电压稳定及电压崩溃的本质解释。 第一章，介绍目前我国电力系统的现状，在电压稳定及电压崩溃研究领域的研究成果，面对复杂的现状，电力系统电压崩溃特性的研究具有特别重要的意义。第二章，介绍了电压稳定、电压失稳以及电压崩溃的概念和分类。阐述了电压稳定性的两种分析方法，P-V法和时域仿真法，分别研究电压稳定的静态和动态特性。第三章，通过对电压崩溃的了解及其现状，在介绍单负荷-无穷大系统，最后来讨论单负荷-无穷大系统电压崩溃产生的机理，对其中负荷为恒定功率类型进行详细分析。第四章，运用ETAP软件建立单负荷无穷大系统仿真模型，研究不同负荷特性（恒定功率、恒定阻抗类型负荷及感应电动机）对系统电压稳定性的影响。第五章，在电压稳定教学试验装置上进行电压崩溃物理仿真试验，考察不同特性负荷（日光灯、感应电动机等）对系统电压稳定性的影响。 2 电力系统电压稳定性2.1 引言近年来，为了更合理地利用能源，提高经济效应、保护环境，国内外电力系统日益向大机组、大电网、超高压和远距离输电方向发展。这些发展出现了许多新变化，例如，电网电压等级的升高，电力系统的互联，大容量发电机组的普遍应用等，而受环境和建设成本的限制，电网结构相对薄弱，发电设备储备量较少，系统经常运行在重负荷条件下，这些都给电力系统的安全运行带来了隐患，其中包括电压不稳定或电压崩溃引起的局部丢负荷或大面积停电。【1】在我国电压不稳定和电压崩溃出现的条件同样存在，而且我国电网更薄弱，并联电容器的使用更甚。 再加之城市中家用电器设备的巨增，我国更有可能出现电压不稳定问题。因此关于电压稳定性的研究十分重要。2.2 电压稳定性的基本概念电压稳定性是指系统在受到扰动后在系统特性和负荷特性的共同作用下，能维持负荷点电压，运行在平衡点，附近的能力。就问题的物理本质意义而言，电力系统的电压稳定性是指，系统在承受各种扰动后能够维持负荷电压于某一规定的运行极限之内的能力。就稳定性的物理表现而论，电力系统的稳定性是指其具有抑制各种扰动并恢复到原始稳定平衡状态（小扰动稳定性）或过渡到新的稳定平衡状态（大扰动稳定性）的能力。 由于电力系统电压稳定问题本身的复杂性及对问题认识程度的局限性，国际上至今尚无公认的严格科学定义，针对上述现状本文拟对电压稳定性及有关概念作如下分类和定义。1.静态电压稳定性：不计系统元件和调节器的动态作用，系统用代数方程组描述。处于给定运行状态的系统，在微小扰动下（如负荷缓慢增加等），邻近负荷点的电压能够恢复或接近到扰动前的电压水平，则系统是静态电压稳定的，否则是静态不稳定的。2.动态电压稳定性：计及系统元件和调节器的动态作用，系统用微分-代数方程组描述。处于给定运行状态的系统，在微小扰动下（如负荷缓慢增加等），邻近负荷点的电压能够恢复或接近到扰动前的电压水平，则系统是动态电压稳定的，否则是动态不稳定的。3. 固有静态电压稳定性：不计负荷功率电压调节效应，即负荷采用静态恒功率模型时的静态电压稳定性。4.暂态电压稳定性：计及系统元件和调节器的动态作用，系统用微分-代数方程组描述。处于给定运行状态的系统，在大扰动下（如系统故障、切机等），邻近负荷点的电压能够恢复或接近到扰动前的电压水平，则系统是暂态电压稳定的，否则是暂态电压不稳定的。5. 电压崩溃：是指系统在或大或小的扰动作用下，系统内功率平衡遭到破坏且依靠元件自身的调节作用及正常的调节手段无法使其恢复，致使系统中局部或全局性的电压急剧持续而不可逆转的下降的物理过程。6. 负荷失稳：是指负荷电压低于依其自身特性所决定的一定极限而不能继续其自身能量转换的运行状态。如感应电动机失速乃至停转，照明设备不能正常照明等属于负荷失稳，负荷失稳的结果，或者是其自身的保护装置动作将之从电网中切除，或者导致设备的损坏基于此种客观存在。本文将因运行电压过低而导致保护动作使之脱离电网的情况，亦定义为负荷失稳，且称之为强制负荷失稳。2.3 电压稳定性机理的认识深刻理解电压稳定性的机理：是电压稳定性研究的基础，同时也是最为关键的问题。【7】 实际上 电压稳定问题是系统特性和负荷特性共同作用的结果，当系统工作点强壮，无功功率充足，线路传输功率较轻时，负荷特性影响不大，当系统出现连续故障处于较薄弱的情况时，电压是否失稳甚至崩溃，负荷特性将起决定性作用，概况可以分为以下几类。2.3.1电压稳定负荷稳定的关系在影响电压稳定性的诸多因素中，负荷特性是最活跃，最关键和最直接的因素。它从很大程度上决定了电压失稳和电压崩溃的进程，负荷特性对电压稳定性的影响主要体现在其失稳特性和功率恢复特性上，它们是电力系统受端母线综合负荷在全电压范围内运行时所表现出来的特殊运行行为。当负荷运行电压低于某一极限时，负荷将不能继续其能量转换功能甚至导致设备的损坏 这就是综合负荷的低电压失稳特性，即负荷失稳，它是综合负荷中的某些负荷成分在运行电压低于一定极限时所必定表现出来的运行行为，是负荷所具有的固有特性。【1】所谓“功率恢复特性”，是指这样一种物理特性：当因某种扰动使电压突然下降时，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，直至恢复至电压下降前的负荷功率（全部恢复）或低于电压下降前的某一稳定的功率（部分恢复）。2.3.2 电压稳定性与系统无功功率平衡的关系电力系统是生产、输送、分配和消耗电能的动态系统。其基本特点之一是电能生产与消耗的同时性。因此，电力系统稳定问题的物理本质是系统中功率平衡问题。与此相对，较为广泛接受的观点是由于传输线路上的电压降落主要取决于其传输的无功功率，制约电压稳定的关键是网络的无功传输能力，电力系统的静态电压稳定水平主要是由系统和负荷间的无功功率平衡条件决定的。系统电压失稳的根本原因是系统不能提供足以满足负荷所要求的无功功率即系统缺乏无功功率。2.4 电压稳定性的研究方法 系统在承受各种扰动后能够维持负荷电压于某一规定的运行极限之内的能力，电压稳定问题可以分为三种模式:暂态电压稳定性,长期电压稳定性和长期电压不稳定性。对于电压稳定性根据研究中所采用模型的不同，目前电压稳定性分析方法可以分为三类：基于潮流方程的静态(或准静态)方法,基于系统线性化动态微分,代数方程的小扰动分析方法和基于非线性动态微分-代数方程的实域仿真方法。2.4.1 静态电压稳定分析法潮流方程和扩展的潮流方程是静态分析方法的基本立足点。静态分析方法一般认为潮流方程的临界解就是电压稳定的极限静态方法，将一个复杂的微分代数方程组简化为简单的非线性代数方程实数，大体上可以归纳为：连续潮流法、特征值分析法、最大功率法等。【4】1.连续潮流法连续潮流法（CPFLOW） 又称延拓法，连续潮流法使用包括有预估步和校正步的迭代方案找出随负荷参数变化的潮流解路径。连续潮流法跟踪负荷和发电机功率变化情况下电力系统的稳态行为，通过求解扩展潮流方程可以成功得到穿越潮流雅可比矩阵奇异点的解曲线。2.特征值分析法当系统运行点到达稳定极限时，总有一特征值首先通过零点，同时，该特征值的模必然最小特征结构分析法正是通过求取潮流雅可比矩阵的最小模特征值及其相对应的左右特征向量，以最小模特征值作为系统接近电压不稳定的量度。3.最大功率法最大功率法将电力网络向负荷母线输送功率的极限运行状态作为静态电压稳定的极限运行状态，可以采用有功功率最大或无功功率最大值作为判据2。实际上，这类方法就是基于P-U 或Q-U 曲线定义电压稳定的方法，最大功率对应于曲线的顶点。基于潮流方程的静态分析方法已经取得很大进展，但是不管哪种方法，其物理本质都是把电力网络输送功率的极限运行状态作为电压失稳的临界点，不同之处在于抓住极限运行状态的不同特征作为依据。电压失稳的发生应该归于网络输送功率能力的有限和动态元件的固有特性。静态研究成果需要接受动态机理的检验。2.4.2 动态电压稳定分析方法动态分析方法考虑了元件的动态特性，理论上可以更真实地揭示电压失稳过程的本质。动态分析方法主要分为小扰动分析方法和大扰动分析方法。1.小扰动分析方法小扰动分析方法是电力系统稳定性分析的一般性方法，也适用于电压稳定性分析。小扰动电压稳定是指电力系统受到诸如负荷增加等小扰动后，系统所有母线维持稳定电压的能力。小扰动分析方法采用在一个给定运行点上，将非线性的系统线性化后进行研究。小扰动分析的数学基础是李雅普诺夫线性化方法，根据李雅普诺夫线性化理论，由于小干扰足够小，可在运行点处将电力系统非线性微方程线性化，用线性化系统的稳定性来研究实际非线性电力系统的稳定性。一般描述电力系统的DAE 微分代数方程组为：(1)其中，x 为状态变量，包含发电机转速，功角等；y为代数变量，包含负荷节点的电压和相角等。将式（1）在运行点处线性化，得：(2)其中，就是完整的潮流雅可比矩阵。定义状态矩阵如下：=-(3)状态矩阵可以描述电力系统的电压稳定性。研究系统的状态矩阵的特征根可以判断系统的电压稳定性的特征：若所有的特征根都位于复平面的左半平面，则系统是小干扰电压稳定的；若有一个实特征根或一对共轭特征根位于右半平面则系统电压不稳定；若特征根位于虚轴上则对应临界状态。而且，稳定的系统的动态特性主要由系统的主导特征根决定，即复平面上最靠近虚轴的特征根决定（即实部最大的特征根决定）。特征根的实部刻画了系统对振荡的阻尼，而虚部则指出了振荡的频率。负实部表示衰减振荡，正实部表示增幅振荡。根据研究目的考虑合适的动态元件，建立尽可能简化而又精炼的模型是小干扰分析法的关键。2.大扰动分析法大扰动分析法主要是时域仿真法和QSS 法。时域仿真法采用对微分代DAE 方程组进行数值积分，得到电压和其他量的时域响应曲线，进而预测和判断电压稳定性，是较为精确的方法。缺点是数值积分速度慢，特别是计算稳定极限时，计算量非常大。QSS 法是通过将复杂的耦合动态系统的长期动态过程和短期动态过程分开处理，忽略短期动态过程，只考虑长期动态过程，是进行长期动态电压稳态分析的方法。综上所述可以看出，动态电压稳定分析相对于静态电压稳定分析要困难的多，小扰动电压稳定和中K期电压稳定的理论和分析方法相对比较成熟，暂态电压稳定研究仍处在发展之中，有待同答一些关键的问题，比如暂态电压稳定和功角稳定的关系，感应电动机等负荷稳定性和暂态稳定性之间关系等等，这些问题的回答将直接影响剑电压稳定、尤其是暂态电压稳定的认识。2.5 本章小结本章叙述了电力系统电压稳定的概念，系统在满足负荷功率需求的前提下, 维持负荷电压在其容许范围内的能力。当系统具有这种能力时系统电压稳定,反之就是系统电压失稳，电压崩溃是由电压失稳导致的。对于电力系统电压稳定性的静态分析和稳态分析介绍了P-V法和时域仿真法。对于电压稳定性还有很多分析方法，静态分析方面有最大功率法、短路比法、延拓法等；动态分析方面有特征分析法、能量函数法、DMPC（Dynamic Maximum Power Curve）法等。3电力系统电压崩溃产生的机理3.1 引言电压崩溃是指系统发生一系列事故后导致一些母线电压持续降低，而功角稳定性有可能并没有破坏的迹象，从而很难预先察觉.电压崩溃会导致大量负荷的丢失，严重时会造成系统解列。再根据负荷的电压特性或者频率特性来研究电压崩溃产生的机理，本章用简单的单负荷-无穷大系统来研究电压崩溃的机理，及其如何确定电压崩溃点。3.2电压崩溃的基本概念在电力系统中，人们把因扰动、负荷增大或系统变更后造成大面积、大幅度电压持续下降，并且运行人员和自动系统的控制无法终止这种电压衰落的情况称之为电压崩溃。这种电压的衰落可能只需几秒钟，也可能长达1020min，甚至更长，电压崩溃是电压失稳的最明显的特征，它会导致系统瓦解。3.2.1可能发生电压崩溃的原因在电网中可能发生电压崩溃的具体情况有:无功电撅不足的情况下，负荷大量上长(特别是感应电动机负荷)或运行电压接近极限值;大容t机组失磁或断开;大容量过励磁运行的调相机、并联电力电容器组的断开或故障，输电线路负荷突增，如双回路跳开一回，使其需要的无功功率大量增加.在受电地区，当、失去对输电线路的无功功率支持或输送有功功率过多;在供电系统大童采用有载调压变压器，当无功电源不足时，这些有载调压变压器仍要维持供电电压，势必将上一级电压拉低，甚至会引起全系统的电压崩演，这是电力系统发生大停电的一个重要原因。3.2.2防止电压崩溃的措施防止电压崩清的措施主要有:依照按无功功率分层平衡与分区就地补偿的原则，安装足够容t的无功补偿设备，是防止电压崩溃，也是做好电压调整的基础;在正常运行中，要备有一定的可瞬时自动调出的无功功率备用容量，特别在受电地区尤为重要，在供电系统采用有载调压变压器时，必须配备足够的无功电源;不进行大容盘、远距离的无功功率抽送.不在系统间联络线物送无功功率，各系统的无功功率要自行平衡; 【5】高电压翰电线路的充电功率不宜作为无功功率的补偿容量来使用，以防在输送大容t有功功率或线路跳闸时系统电压异常下降;高电压、远距离、大容量物电系统，在中途及短路容t较小的受电端，设里静止补偿器、调相机等作为电压支撑，以防止在事故中引起电压崩溃，在必要的地区安装自动低压减负荷装置，并预先安排好事故紧急限电序位。3.3 电压崩溃机理的研究现状鉴于与电压不稳定，电压崩溃相关的现象十分复杂,一直以来, 对电压不稳定电压崩溃的机理没有形成共识,主要原因是针对哪些因素是导致电压不稳定l电压崩溃的主要因素以及电压稳定性的模型如何简化等问题上的观点不同, 有的甚至差异还比较大。对于电压崩溃现象的物理解释主要有: P 一V 曲线解释、无功功率平衡解释刀日陀负调压作用解释、同步马达解释和电网动态特性和负荷动态特性相互作用的解释。3.3.1 P-V 曲线解释在简单系统中, 当负荷功率因数不变时, 负荷节点的有功功率和电压幅值的关系曲线就是P-V 曲线。对于给定负荷功率, 存在电压水平不同的两个解, 曲线分为上下两个半支。在下半支运行时, 如果升高电源端电压, 反而会使负荷节点电压下降, 即电压控制失去因果性。当负荷加重时, 运行点不断向极限点靠近, 最后达到极限, 如果负荷继续加重,将发生分歧, 导致电压崩溃。3.3.2 无功功率解释在电力系统中电压水平的高低主要受无功功率的影响, 这自然使人们把电压崩溃与某种形式的无功功率的不平衡联系起来, 许多文献中都把电压失稳归因于系统不能满足无功功率需求的增加。这类观点典型的代表是: 当某一节点无功功率不平衡量对该点电压的导数小于O 时, 该节点是电压稳定的, 大于0 时则是电压不稳定的. 等于O 的状态对应于静态电压稳定的临界点。【8】另外还有一种观点是: 当负荷节点电压下降时, 该节点从电网吸收的无功功率反而增加, 无功功率在电网中的远距离传输导致电压进一步下降, 形成恶性循环, 导致电压崩溃。3.3.3 有载调压变压器的负调压作用在正常情况下, 有载调压变压器增大变比, 将使副边电压上升, 保证副边电压运行于整定值, 但是, 但负荷特别重时, 有载调压变压器增大变比, 则可能使电压反而下降, 导致有载调压变压器在达到上限前反复调节, 副边电压不断下降, 这就是负调压作用。3.3.4 同步马达解释在主要的重负荷中心往往装有与电力系统其它部分保持同步运行的发电机。有学者认为, 在电压稳定研究中, 采用同步马达来表示这样的负荷中心应该能更好地反映负荷特性, 提出了同步马达为维持功率平衡增大电流, 负荷特性与网络特性相互作用导致电压崩溃机理的解释。3.3.5 电网动态特性和负荷动态特性相互作用的解释有学者提出电压失稳的根本原因在于负荷为维持有功功率平衡而自动调节其等效导纳的特性和网络的P 一G 曲线的锥形特性、V 一G 特性曲线单调下降特性,以及负荷特性和网络特性的相互作用，主流观点是: 电压稳定性就是负荷稳定性。3.4单负荷无穷大系统电压崩溃的机理单负荷-无穷大系统表示一个无穷大母线经过一条传输线给一个负荷馈电。由定义知道，在这个无穷大母线上，电压幅值和频率是恒定的。【1】无穷大母线由一个理想电源E来表示。传输线由它的串联电阻R和电抗X来表述，为简化起见，忽略线路的并联电容。EPjQ图1 无穷大系统我们可以将E和Z=R+jX（1） 看似从某负荷点看电网的戴维宁等值电路。负荷功率因数为： （2）其中P，Q和S是有功功率，无功功率和视在功率， 是s和p的夹角3.4.1 负荷为恒定功率类型推导公式最大传输功率包括：（一）无约束的最大传输功率。简化起见，假设负荷为阻抗性：（3），当 有极值。这时从 电压源端来看，阻抗为纯电阻性，电流不产生任何无功功率。 负荷功率为：(4) 受端电压为： (5) 这样的推导结果对电网不适合，因为部分电网中R几乎可忽略，而这时的最大传输功率时电流会是是无穷大，这又不符合实际。（二）给定功率因数下的最大传输功率。给定功率因数，这时负荷为（6），可导出最大传输功率发生在。（三）功率-电压关系如果说，可得这样的一组曲线，也被称为鼻族曲线V2Pf=0.95超前Pf=1.0Pf=0.95P3.4.2 基于P-V曲线对电压崩溃点的分析崩溃机理：网络对负荷的P-V特性。负荷随电压和频率变化。对于特定的m，它代表一条曲线并与V（P, Q）表面相交，相交点就是可能的运行点，当m 变化，则相交点也变化。如果将对所有的需求值求得交点，就得网络P-V特性。在（P, V）平面构画所有的交点，就得P-V曲线。（不确定负荷功率如何随电压变化就不能确定网络特性）。如图2它分为2个半支，及稳定的上半只AB和不稳定的下半只OB，正常情况下系统运行在上半只，负荷加重时不断像临界点靠近，负荷节点电压不断下降，最后到临界点B，这时如果负荷继续增加，就会产生电压崩溃。P-V曲线法和V-Q曲线法用于确定和电压稳定性有关的系统静态负荷极限。 图2 P-V曲线 图1 简单系统3.5 本章小结 对电压的崩溃的概念及其可能产生的原因和如何防止电压崩溃有了一定的了解，通过简单的单负荷无穷大系统来研究电压崩溃的机理，在根据现在研究取适合自己的p-v曲线来研究电压崩溃机理，找出电压崩溃点。4不同负荷特性在ETAP软件上研究电压稳定4.1 引言单机带负荷系统和单负荷无穷系统都是研究电压稳定的典型系统。而单机无穷大系统是典型的研究功角稳定的系统。分别选取恒阻抗负荷和电动机负荷来研究负荷特性对电压稳定性的影响，用P-V曲线法1可以大致得出电压崩溃点。在P-V曲线上，随着电压降低，最大功率点（即电压崩溃点）以下的运行点功率会开始减小，而在这之前功率随着电压降低而不断增加，故在不断增加母线负荷的提下，当母线功率出现下降情况，说明运行点已经达到最大功率点，以此近似确定电压崩溃点。4.2 ETAP软件的简单介绍ETAP PowerStation是美国OTI公司从1996年开始发行的第一个真正32位的Windows环境下电力系统分析计算应用程序,具有潮流计算、短路计算、电机起动、暂态稳定、最优潮流、谐波分析、可靠性分析、直流系统分析、地下电缆系统、变电站接地、用户自定义动态模型和继电保护配合等分析计算功能. 7 ETAP于1986年推出的DOS版本是美国第一个特许提供给核电站进行电力系统分析应用的商业软件. 在研究领域和计算方法上ETAP 集成了众多的功能模块. 潮流计算、不平衡潮流计算、短路计算、保护整定、暂态稳定、电机加速、发电机启动、谐波分析、优化潮流以及直流潮流等众多功能模块为各种电力系统项目分析提供极大的便利. 其中与解决电能质量相关的功能模块有谐波分析、不平衡潮流的分析。ETAP软件和MATLAB软件计算的结果相似，多能对元件模型、潮流计算、短路计算和暂态稳定计算。但是ETAP软件是一款商业的机电暂态仿真程序，具有更多的分析应用程序功能模块可供用户选择,各类控制系统模型也较丰富,更适于解决实际的电力及电气系统问题。4.3电压稳定数字仿真实验数据介绍单机带负荷系统中输电线路阻抗为486°，单负荷无穷大系统线路阻抗为1286°，发电机参数为如图4.1和图4.2图4.1发电机额定属性图4.2发电机属性无穷大系统短路容量为6000MVA.联络变压器的容量为2.5KVA、变比为380/380;单机带负荷仿真中用额定容量为0.12KVA的恒阻抗负荷模拟日光灯负荷，单负荷无穷大系统仿真中额定容量为0.08KVA的恒阻抗负荷模拟日光灯负荷。0.11KVA的静态负荷模拟LDA负荷，额定容量为0.12的静态负荷模拟LDB负荷。滑动变阻器R负荷为功率可变的静态负荷，R负荷的功率因素为1，故可通过增大R负荷的额定视在功率来增大R负荷工作时的有功功率从而增大负荷侧母线上的有功功率。由于现实试验中采用的感应电动机，发电机数据不够详细，在仿真中的发电机一些数据使用了软件的默认数据，感应电动机采用了模拟电动机负荷模块，并保持其有功功率为100W。由于现实实验都是降压运行实现的，在仿真中由于软件限制，各母线与负荷的实际电压不能超过额定值的40%，故母线与负荷的额定电压也降低到相应的值。在感应电动机仿真实验中，发电机电压与无穷大系统经调压器后的电压均降到150V，而在恒阻抗负荷仿真中降为115V。实现潮流计算时，各母线的有功功率最小计量单位为1KW，此次仿真的大部分母线有功功率均低于这个值，在潮流计算途中均会显示为0.为了得到较好的数据结果只能读出各个负荷的工作时的有功功率来计算母线上有功功率。在做暂态功角稳定时本文使用单机无穷大系统进行仿真，仿真中选用的变压器、无穷大电网和电机与电压稳定仿一样，其两条输电线路阻抗均为为j60。介于以上多种原因，仿真结果与现实实验结果会有较大出入。但实验结论是一样的。4.4 单负荷无穷大系统电压稳定性数字仿真实验4.4.1 感应电动机负荷数字仿真分析图4.11为无穷大系统带感应电动机负荷的仿真接线图，无穷大系统经过调压器后的电压为0.150KV，此时负荷侧母线上电压为0.107KV。负荷侧母线上的有功功率为0.33KW。感应电动机负荷采用的100%电动机负荷模块，有功功率始终保持0.1KW，故负荷侧母线有功功率随着R负荷变化而变化。图4.11 感应电动机无穷大系统仿真接线图增加R负荷的额定视在功率至1.5KVA，此时R负荷的有功功率为0.62KW，如图4.13.母线上电压降为0.096KV，如图4.13.此时负荷侧母线的运行状态尚处于P-V曲线上半支。增大R负荷的额定视在功率至2.6KVA。此时R负荷的有功功率降为0.61KW，如图4.14.负荷侧母线电压降为0.093V，如