1.6.1 电压稳定性概述
电压稳定性是指受扰后电力系统电压保持或恢复到可接受范围、不发生电压崩溃的能力。由于电力系统属于典型的动态系统，因此电压稳定性和功角稳定性都属于动态系统的稳定性问题。但需注意的是，本书前面提到的功角稳定性关注的是受扰后同步发电机的转子运动规律，而电压稳定性主要关注负荷点电压的行为。
受扰之后电力系统失去电压稳定的表现形式有多种类型，比如变压器分接头不当调整引起的电压失稳、负荷动态特性引起的电压失稳。下面以负荷动态特性引起的静态电压失稳为例，介绍电力系统电压稳定性的初步概念。
以如图1.15所示的单端供电系统为例，此系统中同步发电机经过一条线路向负荷供电。此系统中负荷与非无限大容量母线相连，即负荷母线电压与负荷水平有关，其受端系统不能被视为一个等值同步发电机，故该系统只有一台同步发电机，不存在功角稳定性问题。但是它存在负荷节点的电压稳定问题。
图1.15 单端供电系统及其相量图
下面具体分析该系统的电压稳定问题。令该单端供电系统中的发电机和输电线路的总阻抗为zs=|zs|∠θ，负荷的等值阻抗记为zLD=|zLD|∠φ。以下电压稳定分析假定该系统的频率、等值阻抗zs、同步发电机电势不变，且负荷的功率因数为滞后性的。首先分析电力网络和负荷的固有特性，为静态电压稳定奠定基础。
1.电力网络和负荷的固有特性
利用图1.15中相量图以及余弦定理可得
E2=U2+|zs|2I2+2|zs|UIcos（θ-φ）
将I=U/|zLD|代入，便得
因此，可以进一步得到从电网送到负荷点的功率为
根据前述假设，该系统唯一变量是负荷的等值阻抗zLD。根据式（1.13）和式（1.14）给定功率因数下的U-|zs/zLD|曲线和P-|zs/zLD|曲线，具体如图1.16所示。从这张图可以看出电力网络的固有特性：
图1.16 受端电压和功率随负荷阻抗变化曲线
1）P-|zs/zLD|曲线表明，当|zs/zLD|<1，负荷只要减小其等值阻抗的模值|zs|，就可以从电网获取更多的有功供应。当|zs/zLD|=1时，负荷节点能够获取的有功功率达到最大值。然而当|zs/zLD|>1时，减小|zs|不能带来电网送达功率的增加，反而减少了电网送达功率。这属于由电路规律决定的电网固有功率传输特性。
2）U-|zs/zLD|曲线表明，负荷节点电压随着|zs|的减小而减小，这属于电网的固有特性。需要指出的是，这里分析的负荷功率因数为滞后性的情况，即负荷吸收感性无功的情况。如果当负荷功率因数超前，那么在一些情况下可能出现U-|zs/zLD|曲线先上升、然后单调下降。
从电网侧来看，用电设备表现出来的是一种阻抗特性，以此向电网获取功率，然后再将其转化为其他形式的功率。比如异步电动机把从电网获取的有功功率（电磁功率）转化为机械功率，以供机械负载使用。对于异步电动机而言，其等值阻抗的变化具有如下特点：
1）当机械功率大于电磁功率时，将减小其等值阻抗以期从电网获得更多的电磁功率。
2）当机械功率小于电磁功率时，将增大其等值阻抗以期减少从电网获得的电磁功率。
事实上，电力系统的许多动态负荷具有与异步电动机相同的阻抗特性：当负荷吸收的电磁功率大于其输出的其他形式的功率时，负荷增大其等值阻抗，反之减小其等值阻抗。
2.负荷动态特性引起的静态电压失稳
根据上述电力网络和负荷的固有特性，当该电力系统的运行点处于P-|zs/zLD|曲线的不同区域时，其表现出来的静态稳定如下：
1）在P-|zs/zLD|曲线的上升段时，如果负荷出现暂时的有功供需失衡，那么这可以依靠电力网络和负荷的固有特性恢复有功平衡，因此系统是电压稳定的。比如，当负荷出现暂时的有功供给过剩（负荷电磁功率小于其输出的其他形式的功率），那么根据负荷的固有特性，它将减小其等值阻抗，而根据电网在P-|zs/zLD|曲线上升段的特性，负荷等值阻抗的减小将带来电网送达功率的增加，从而重新实现负荷的有功平衡。需要注意的是，根据负荷的固有特性，这种情况下负荷电压有所下降。
2）在P-|zs/zLD|曲线的下降段时，如果负荷因为其电磁功率需求增加而减小其等值阻抗时，电网送达负荷的有功功率并没有增加，反而减少了，这会进一步加剧有功功率不平衡。与此同时，根据负荷的固有动态特性，负荷等值阻抗的减小导致负荷节点电压随之快速下降，最后导致电压崩溃事故的发生。因此，上述静态电压失稳实际上就是负荷为了维持其有功平衡而调节阻抗的特性与电力网络功率传输特性相互作用的结果。
P-|zs/zLD|曲线和U-|zs/zLD|曲线的形状不因负荷的功率因数（滞后）不同而发生改变。当负荷功率因数减小后，相同|zs/zLD|取值下的有功P和电压U都要减小。上述分析的前提是P-|zs/zLD|曲线对应的负荷功率因数不变。如果负荷中的成分以异步电动机为主要，那么当其机械功率增大、异步电动机转差增大时，功率因数下降很快，故实际的P-|zs/zLD|曲线比恒功率因数时的曲线要低很多。如果负荷节点电压下降过多，那么由于负荷功率因数迅速下降，导致所需的无功功率剧增，这加大了线路上的电压损耗，从而加剧了电压崩溃的过程。
对于上述静态电压稳定问题，可采用图1.17所示的P-U曲线来分析电压稳定性。其中，P-U曲线的右半支对应于P-|zs/zLD|曲线的上升段，当运行于这段曲线时，负荷节点电压的下降可以换取电网送达功率的增加，即可以保持静态电压稳定。当电网送达的有功功率达到最大值Pmax时，即达到了静态电压稳定的临界点。在P-U曲线的左半支，负荷节点电压的降低将导致电网送达的有功减少，同时考虑到负荷本身固有的动态特性，因此不可以保持静态电压稳定。根据以上分析可以得到判断负荷节点静态电压稳定的一个判据：
图1.17 受端功率和电压的关系
在电力系统的实际运行中，通过负荷节点P-U曲线和上述判据，可以对电压稳定性有较清楚的认识。严格意义上讲，基于P-U曲线的电压稳定性分析没有考虑负荷动态特性，只是把电力网络传送有功功率的极限点当作静态电压稳定的临界点。实际上，负荷模型对电压稳定问题的进一步分析是至关重要的。
3.负荷失稳与电压失稳的关系
图1.13已经给出了异步电动机的简化等效电路（不计励磁支路）。对比图1.13和图1.15可以看出，图1.13中的异步电动机等效电路就是在图1.15所示单端供电系统等效电路中取zs=jxσ和zLD=R/S的特例。因此，异步电动机的电磁转矩（功率）特性与单端供电系统的功率传输特性具有完全相似的形状。而前文讨论的是负荷动态特性引起的静态电压失稳，因此从这个意义上讲，前文讨论的静态电压失稳是负荷失稳的一种外在表现。
上述是静态电压稳定的初步概念。本书第7章将对静态电压稳定问题进行更加深入的介绍，包括静态电压稳定的实用判据等。
值得注意的是，电压不稳定常与功角不稳定交织在一起，一般是两者中的一种占据主导地位，但是两者并不容易区分。然而，从充分了解系统不稳定原因、制定稳控策略等方面来看，人为地区分功角稳定性和电压稳定性是相当重要的。