基于一种新电压稳定性指标的有可再生能源的电力系统无功规划

在不断变化的电网中保持供电

随着越来越多的风力发电机、太阳能电站和水电站向我们的电网输送电力，在数千公里的线路上保持电压稳定变得更困难也更重要。如果电网某些点的电压过低或过高，可能触发停电或损坏设备。本文提出了一种更快的方法来找出电力网络中的薄弱环节，并决定在哪里安装支撑装置，以便电网在面对可再生能源、大负荷和突发故障时仍能保持稳定。

为什么电压会突然失稳

电力系统被设计成以近乎恒定的电压输送能量，就像给水管道选型以保持水压在限制范围内一样。实际上，每条线路、变压器和发电机都会相互影响，负荷或供给的微小变化可能把电网某些部分推向称为电压塌陷的临界点。传统评估系统距离该临界点有多近的方法依赖于反复模拟网络并逐步增加负荷。工程师通过追踪功率与电压的关系曲线来判断解何时不再存在。尽管这些方法准确，但速度慢、计算量大，并且在规划者需要评估涉及可再生能源的众多情景与配置时使用起来很不方便。

用于识别电网薄弱点的简单评分

作者提出了一种新的数值评分，称为母线电压稳定性指标，可对电网中每个汇流处的节点进行计算。与反复求解复杂方程组不同，该指标以紧凑的代数表达式给出。它利用单次标准潮流计算中已有的信息：电压、有功和无功功率流以及连接线路的电气特性。指标值越高表明该节点越薄弱，在条件变化时更可能出现问题。关键是，当系统接近电压塌陷时，该指标会接近1，从而在无需大量计算的情况下为规划者提供明确的预警。

规划增设支撑设备的位置

基于该指标，研究人员设计了一套逐步策略用于安装和定尺静态无功补偿器（SVC）——这类电子设备能够快速注入或吸收无功功率以维持局部电压。以现有运行工况为起点，他们首先运行一次潮流计算，算出每个节点的指标，并选择指标最高的节点作为安装SVC的首选。随后进行灵敏度计算，以估计该设备需要提供多少无功功率才能将电压拉回到可接受范围。该过程在更严苛的情形下重复：重负荷、单条线路或发电机故障，以及负荷很低的情况（此时过多的无功补偿可能使电压升得过高）。

在标准与富可再生能源网络上的测试

该方法在三个著名的基准网络（分别含9、14和39个节点）以及在若干常规发电机被风电和光伏电站替代、且这些替代机组电压支撑能力更有限的修改版网络上进行了测试。在每种情况下，新的指标都能正确识别出与更传统但更费时的方法标出的相同薄弱位置。借助顺序规划策略，作者确定了SVC的放置位置和容量，使所有电压在正常运行、任一单条线路或发电机失效以及低负荷时都能保持在约定的限制内。与受群体智能启发的搜索型优化方法（如粒子群或狼群算法）相比，所提出的方法在电压质量和功率损耗改善方面取得了相当或更好的效果，同时所需的总SVC容量和投资成本更小。

这对未来电网意味着什么

通俗地说，这项工作为电网规划者提供了一个更快的计算工具，用来发现复杂且以可再生能源为主的网络中的薄弱环节，并给出一个实用的配方，用最少的设备加固这些关键点。由于该指标可由一次标准仿真评估且不依赖脆弱的数学技巧，它很适合用于常规规划研究，甚至用于近实时监测。通过指导SVC及相关设备的有针对性布置，该方法有助于维持电压稳定、减少能量浪费并降低电网升级成本——从而支持向更可靠、更经济的清洁电力系统的过渡。

引用: Sonbol, M., Abdalla, O.H., Shaheen, A.M. et al. Reactive power planning based on a proposed voltage stability index in power systems with renewable energy resources. Sci Rep 16, 11355 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39508-1

关键词: 电压稳定性, 无功功率规划, 可再生能源电网, 静态无功补偿器, 电力系统可靠性