论文摘要
本文共包括十一章,分两大部分内容:结构诱导分岔、改进的连续潮流的发展及应用。除第一章绪论和第十一章全文总结之外,正文共有九章,其中第二章至第四章研究了电力系统中的结构诱导分岔及其对电压稳定的影响,第五章至第十章研究了从算法和模型上改进的连续潮流及其在电压稳定分析中的应用。在电力系统电压稳定问题分析中,由系统负荷变化引起的分岔现象是非常普遍的,例如鞍结点分岔和Hopf分岔,其中鞍结点分岔通常用来解释电压稳定崩溃点的非线性行为。然而考虑到系统发电机无功越限情况,在负荷变化过程中,发电机的无功越限造成电力系统潮流方程组结构的改变,引起了向量场的改变,此时,系统雅可比矩阵特征值发生跃变,系统稳定平衡点突然消失,可能导致电力系统电压立即失稳。本文称这种分岔为结构诱导分岔,并从数学和物理角度分析了结构诱导分岔的特点及对电力系统电压稳定的影响。连续潮流法在目前的电力系统电压稳定静态分析软件中占有重要的地位,它不仅能求得潮流解还可以跟踪解的轨迹,对模型适应性也很强,是电力系统电压崩溃和安全分析的重要工具。本文通过分析现有的连续潮流法的特点和不完善的地方,提出了一种改进的连续潮流。基于改进的连续潮流,研究了感应电动机负荷模型以及非线性负荷增长模型对电压稳定分析的影响。考虑了发电机无功越限和感应电动机负荷模型对弱节点与无功裕度的影响,验证了考虑复合负荷模型及发电机无功极限时Look-ahead负荷裕度的适用性。研究了基于灵敏度法、无功损耗法和负荷裕度法的多阶段事故筛选和排序方法。本文的主要内容和贡献表现在以下几个方面:（1）研究了电力系统中的结构诱导分岔现象。结构诱导分岔是一种非线性不光滑系统的局部分岔。从物理意义上来说,电力系统中的结构诱导分岔是由于负荷增长过程中发电机达到无功极限引起的。分岔反映的现象是电力系统电压的立即不稳定。结构诱导分岔既可能发生在小测试系统中也可能发生在大型实际电力系统中。文中用一个2750节点的实际系统阐明了结构诱导分岔在电力系统中的存在。研究了结构诱导分岔在局部的分岔开集中具有一定的鲁棒性,即在一定负荷增长方向范围内,结构诱导分岔是持续的。（2）验证了电力系统功率注入域的非凸性。功率注入域是指系统负荷增长的分岔边界之内的使得电力系统稳定运行的区域。电力系统运行受很多条件的限制,例如系统发电机有功与无功约束、线路的潮流约束、电压上下限约束等等,这些限制条件使得电压稳定分岔边界既可能是由于输电能力不足而产生的鞍结点分岔,又可能是由于发电机无功越限导致的结构诱导分岔。电力系统功率注入域的非凸性表明在一般的电力系统优化问题中,所找到的解不一定是全局最优解。（3）提出了一种改进的连续潮流。发展了基于多项式插值法的非线性预测方法。研究结果表明:具有非线性预测法的连续潮流的速度大大快于采用切线或割线预测法的传统连续潮流。采用非线性预测法时,二阶或三阶非线性预测法在速度上有明显的优势。这里结合了标准牛拉法和快速解耦法各自的特点,提出了一种混合校正法。数值分析结果表明:同单一的标准牛拉法或快速解耦法相比,用混合校正法计算能节省更多的时间,也保证了足够的精度。改进的连续潮流不仅有效地提高了连续潮流法的计算速度也具有很好的鲁棒性。（4）发展了具有非线性负荷变化方向及发电机安排模式的连续潮流法工具。采用分段线性化负荷预测曲线来确定负荷增长的变化方向,利用经济调度或其他发电分配方案来决定发电机的分配因子。研究了非线性负荷变化方向及发电机安排对负荷裕度的影响。结果表明:负荷变化方向及发电机安排的不同对电压稳定负荷裕度影响很大,在进行电压稳定分析之前,确定负荷变化的方向和发电机的功率分配是非常重要的。由于负荷变化方向的不同,有可能导致分岔的不同。在负荷增长方向发生变化时,鞍结点分岔可能变成结构诱导分岔。（5）提出了一种新的感应电动机负荷模型分析方法。考虑到感应电动机无功负荷与电压变化呈非线性的关系特性,分析了复合负荷模型（ZIP与感应电动机的组合模型）对电压稳定裕度的影响。研究了感应电动机模型中的一些参数变化对电压稳定负荷裕度的影响。提出了由感应电动机负荷产生的负荷裕度指标。推导了一组新的具有复合负荷模型的参数化潮流方程。研究结果表明采用复合负荷模型得出的负荷裕度与采用恒功率负荷模型得到的负荷裕度有很大的差别。（6）研究了无功极限及负荷模型对弱节点与无功裕度的影响,利用电压指标或灵敏度指标进行弱节点的判定,在弱节点上配置可变的无功电源,通过控制节点电压在一定的范围,获得节点电压对无功注入的V-Q曲线,从而得到系统的无功裕度。研究表明:发电机的无功极限及系统负荷模型对V-Q曲线和无功裕度有较大的影响。（7）研究了考虑到无功极限及复合负荷模型的Look-ahead负荷裕度。根据当前的状态运行点和由连续潮流计算而得到的靠近极限点的另外一点的条件,采用Look-ahead曲线拟合的方法求负荷裕度。采用发电机的无功裕度作为引起电压稳定问题分岔类型的预测指标。结果表明:Look-ahead负荷裕度方法在考虑到无功极限及复合负荷模型时仍然适用,该方法可以快速预估电压稳定负荷裕度。（8）提出了采用多阶段法进行事故筛选和排序的理念。由于电压稳定问题一般是由于无功不足引起的,在事故发生之后,系统无功功率损耗的大小可以为事故筛选和排序提供一定的参考。但是无功损耗方法并不能提供负荷增长对系统事故的影响信息。灵敏度方法依靠基本情况下电压崩溃点的事故线路对负荷裕度的灵敏度,来获得事故后的参考负荷裕度信息。而灵敏度方法不能反映不安全事故的信息,即系统事故之后立即失稳的情况。本文结合两种方法的优缺点,提出采用多阶段法进行事故筛选和排序,首先,将无功损耗和灵敏度法相结合作为第一阶段的事故筛选方法,第二阶段采用Look-ahead负荷裕度的事故筛选方法,第三阶段用精确连续潮流进行事故排序。