（电力系统及其自动化专业论文）变电站电压无功综合控制（vqc）研究.pdf

东南大学工程硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t ar e s e a r c hw o r ko nt h es y n t h e t i ca n da u t o m a t i cc o n 仃o lo fv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r ( v q c ) a i m i n ga t t e n n i n a ls u b s t a t i o n s ( 110 k va n db e l o w ) i sd o n ei nt h i sp a p e r s o m eb a s i cp r i n c i p l e sa r ed i s c u s s e ds u c ha s v q c ，i t sc o n t r o l l a w s ，a d j u s t i n gr e q u i r e m e n t ，c o n t r o lm o d e s ，a d j u s t i 】1 9p a t t e m sa n di t sr e a l i z a t i o n ，a l sw e u a s t h ed e s i g no fv q cs y s t e m t h e r ei sa na n a i y s i so nt h eb l o c k i n go fv q c ad i s c u s s i o ni sm a d eo nt h e e v a l u a t i o no fv q c a n a l y s e sa r ed o n ei nt h ec o n t m ls t r a t e g yo fn i n e - a r e am e t h o do fv q c ，i n c l u d i n gi t sl a w s a n df l a w s ，a p p l y l n gi nv q c ，a n dt h ee f f e c to fv o l t a g es t a t i cc h a r a c t e r i s t i co nv q cc o n t r o ls t r a t e g y a n i n t e r p r e t a t i o ni sa l s og i v e nt ot h er e a s o nw h yo s c i l l a t i o na c t i o ni st e n dt oh a p p e ni nn i n e a r e am e t h o da n d h o wt h el i m i t e dv a l u e s ( b o t hv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r ) a r es e ti ni t a ni n t r o d u c t i o ni sg i v e nt oap r o c e s so f t h ec o n t r o is t r a t e g yo fm u l t i a r e a sm e t h o d ，a sw e l la l si n t e l i i g e n tt e c h n o l o g i e sa p p l i e di nv q c b a s e do nt h e p o i n tt h a tv q ch a sf e a t u r e so fm u l t i v a r i a b i e s ，s o l i dc o u p l i n g ，c o m p l i c a t e dn o n l i n e a r - t y ，a n df u 乙了c o n t r o l t h e o 叫h a v i n gt h ea d v a n t a g eo fs e t t l i n gt h ec o m p l i c a t e dc o n t m l l i n go p p o n e n t s ，t w ok i n do fv q cb a l s e do n f i 乙z yc o n t r o l ( f v q c ) a r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r - ，【a t l a bl o g i c r o o l b o xi su s e d t os e tu pf u z z yi n f - e r e n c e s y s t e m ( f i s ) a n df u z z yc o n t r o l t a b l e m a t l a bs i m p o w e r s y s t e mb l o c k s e t ( p s b ) i su s e dt ob u 订das i m u l i n k m o d e lo fo n em a c h i n e i n f i n i t yb u ss y s t e mt os i m u l a t et h ef i r s tf v q c ，a n das i m u l i n km o d e jo fr a d i a t i o n n e t w o r kt os i m u l a t et h es e c o n df v q c ，a n das a t i s f i e dc o n t r o l l i n gr e s u l ti sa c h i e v e d ，r e d u c i n ge f r i c i e n t l yt h e a d i u s t i n gt i m e so ft a pc h a n g er i no r d e r t or e a l i z eab a s i cc o n t m lo v e rf v q c ，as o 胁a r ea n dh a r d w a r es y s t e m i sg j v e nt ot h ef i r s tf v q c ，w i t ha t 8 9 c 5 5a sc o n t r o l l i n gc e n t r e ，c s 5 4 6 0 aa st h ed a t a - a c q u i r i n gc e n t r e ，f u z z y c o n t r o lt a b i ea l st h er e a l i z e dm o d eo ff u z 巧a l g o r i t h m c 51 i su s e dt op r o g r a m m i n ga n dc a p a c i t o rb a n l ( s r e a lj z ec y c l ep o w e r e dt ob eo na n do 危 k e y w o r d s ：v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t m li ns u b s t a t i o n ( v q c ) ；n i n e a r e am e t h o d ；f u z z yc o n t r 0 1 ；f v q c ； m a t l a bp s b ；s i m u l a t i o n ；m c u ；c s 5 4 6 0 a rii 东南大学工程硕二l 学位论文 第一章变电站电压无功综合控制的基础问题 1 1 引言 第一章变电站电压无功综合控制的基础问题 电压是衡量电能质量的一项重要指标( 在电能质量的新含义中，除了电压偏差外，还出现了电压波 动和闪变、电压暂落和电压中断等新的衡量指标【l 】) 。从节约电能的角度来看，除发电方面要求节约一次 能源耗量( 如煤耗) 和减少厂用电外，还要求输配电方面要降低网损，用电方面则要求提高用电设备的 效率、改善功率因数【2 l 。由于用电设备在其额定电压下工作可获得最佳的效益，因此保证用户端电压接 近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一l 引。电压质量如果得不到保障，不仅会影响用电设备的效 率、安全和寿命，影响产品质量和经济效益，还可能会使网损过大，而且还会危及到系统的安全稳定运 行，甚至会引起电压崩溃造成大面积停电的严重事故。因此保证电压质量合格，是电力系统安全优质供 电的重要条件，对节约电能有着重要的意义，而社会经济的快速发展汞1 人民生活水平的不断提高，也对 电压质量提出了更高的要求。 系统无功供给不足或无功分布不合理是影响电压质量的主要原因【3 j 。若系统无功供给不足，会降低 运行电压水平和增加网损；若系统无功供给过剩，则会提高系统运行电压，影响设备使用寿命和系统的 安全稳定性，使系统输送容量降低，不利于电网的运行调度1 4 j 。因而保证无功补偿和无功平衡是提高电 压质量的基本前提，而实现无功的分层、分区就地平衡也是降低网损的主要原则和重要手段。 电力系统中的各级变电站承当着电压和无功调：诲的重要任务。电力系统中以中压配电网( 6 1 0 k v ) 最接近用户，因此网络的前端即变电站的6 1 0 k v 母线的供电质量对用户起着决定性的影响。变电站中 一般都采用有载调压变压器和无功补偿设备。有载调压变压器( o l t c o n l o a dt a p c h a n g e r t r a n s f o n n e r ) 主要适用于供电线路较长、负荷变动较大的场合，其调压范围也较大，而且调节时不会影 响供电。在各种无功补偿设备中，由于并联电容器( 习惯上又称为“移相电容器”) 简单经济、易于安 装维护、有功损耗小( 约o 3 o 5 ) ，同时电力系统的大部分负荷主要是感性负荷( 异步电动机占绝 大部分) ，因此并联电容器组得到了广泛应用( 已逐渐取代同步调相机，采用集中补偿方式装设在变电 站的6 1 0 k v 母线上) 。过去老旧的常规变电站一直由值班员以人工手动凋节的方式调节电压无功( 根 据系统调度下达的电压无功控制计划和运行情况进行) ，这一方面加重了值班员的负担，另一方面由于 是双参数的调整，通过人为进行判断和操作，也难以保证电压和无功在规定的范围内运行。在并联电容 器组的自动投切方式方面结合实践经验也先后出现了按功率因数火小投切、按母线电压高低投切、按母 线电压和功率因数控制投切、按母线电压和昼夜时间复合控制投切等方式，但这些方式都存在着一定程 度的缺陷【5 6 】。随着无人值班变电站的兴起和自动化技术水平的提高，势必要求变电站采用电压无功综合 自动调节的方式，“在变电站中利用有载调压变压器和并联补偿电容器进行局部的电压及无功补偿的自 动调节，以保证负荷侧母线电压在规定范围内及进线功率因数尽可能接近l ”【2 j ，即称为变电站电压无 功综合控制( v q c t h es y n t h e t i ca n da u t o m a t i cc o n t r o lo fv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ri ns u b s t a i i o n ) 。 在不特别注明的情况下，本文所讨论的变电站电压无功综合控制( v q c ) 主要针对1 1 0 k v 及以下2 个电压等级的终端变电站( 主变为双绕组降压变压器) 。而本文的主要任务为：对变电站v q c 传统九区 图控制策略的主要缺陷进行分析( 特别是振荡动作现象发生的原因) ，考虑综合负荷电压静态特性对控 制策略的影响；对目前各种改进的控制策略和方法进行全面的总结，找出变电站v q c 在提取组织控制 策略方面的一些主要原则，并确定模糊控制理论结合改进九区图的方法作为本文研究变电站v q c 问题 的途径；针对某些变电站在运行中电压允许下限值设定较高的情况开展第1 种电压无功模糊控制器的设 计；考虑负荷变化对电压和无功的影响，进行第1 1 种电压无功模糊控制器的设计；为使隶属度函数和模 糊控制规则的制定和提取避免人为主观因素的影响，运用m a t l a bp s b 和m a t l a bf u z z yl o g i c 第l 页 东南大学工程硕士学位论文第一章变电站电压无功综合控制的基础问题 t o o l b o x 对所没计的电压无功模糊控制器进行仿真分析，以获得较满意的控制性能和效果；最后对所设 计的第1 种电压无功模糊控制系统进行基本控制功能的软硬件实现方案的设计。 1 2 变电站电压无功综合控制的基本原理 u lk 1u 2r l + j x lu l d p l d + j q l d 图1 1 辐射型网络 如图l l 所示1 1 0 k v 辐射型网络，魄为系统电源电压( 维持不变) ，、为主变压器( 有载调压 降压变压器) 高、低压侧电压，仇d 为负荷端电压，r s t + j 砥t 为电源、线路与主变的总和阻抗( 归算至 高压侧，剧s t 土心s t 为归算至低压侧的值) ，图中变压器符号代表_ 个仅具有变比的理想变压器，r l + j 兢 为低压侧配电线路阻抗，纨为并联补偿电容组容量，尸l d + j q l d 为负荷。对地参数一律忽略不计。 若不计低压侧配电线路的功率损耗，不计所有的电压降落横分量( 1 1 0 k v 及以下可不计) ，则有： u 2 ：+ 堕警 ( 1 - 1 ) o l d 吝：堕笔乒丛( 岛+ ) ：生号掣( 虬r 彬s r ) 蜘型d 攀 叫吣型塑粤盟 ( 1 2 ) ( 1 3 ) u i = 尼u 2 ( 1 4 ) 调控的目标是一方面维持用户端电压在0 9 5 仉d n 1 0 5 d n ( 巩d n 是用户端电压额定值) ，另一方 面还要使高压电网和主变的功率损耗达到最小2 1 。 假设用户的自然功率因数角西保持不变或在较小的范围内变化，将式( 1 ) 变形为【2 ，7 】： u 2 ：i f 6 9 5 1 0 5 ) u l 。+ ! ! 生! 苎坚i ；型s 。 ( 1 5 ) u l d n 由式( 1 5 ) 可见要维持用户端电压在允许的变化范围内，需按负荷视在功率对主变低压侧电压实 行“逆调整”( 或称“逆调压”) 。由于变电站往往具有多回出线( 如单母分段接线的1 1 0 k v 变电站可有 3 4 回出线) ，各回路用户负荷的变化规律不同，因此只能按变电站总的负荷( 综合负荷) 变化情况进 行逆调整。在多用户时，可按( 1 6 ) 式分别计算出各用户对应的主变低压侧母线电压允许范围c ，再 取它们的交集c ，即为觇应处的区域，见( 1 7 ) 式所示1 2 j 。 u ：，：( o 9 5 “5 ) u 删+ 堕塑譬逊江1 ，2 ，八，n ( 1 - 6 ) v l d n 第2 页 东南大学工程硕士学位论文 第一章变l 乜站电压无功综合控制的基础问题 ” c = ig = u 2 ：u 2 e ，f = 1 ，2 ，人，刀) ( 1 7 ) 另从式( 1 2 ) 、( 1 4 ) 可知，在满足低压母线电压要求的前提下，若要使高压网和主变的功率损 耗s 达到最小，应使变电站和系统交换的无功f 纽d 一酞i 达到最小。 要达到上述的调控目标，变电站中具体调节的手段有两种：一种是改变有载调压变压器的变比七( 通 过调节有载调压变压器分接开关) ，另一种是通过投切并联电容器组改变乳。通常的做法是通过上述的 两种调节手段、采用一定的控制策略，使主变低压侧母线电压和高压侧无功功率( 或功率因数) 在规定 的范围之内。 由于电力系统中通常异步电动机占负荷的大多数( 一般占5 0 以上) ，因此综合无功负荷的电压静 态特性曲线主要取决于异步电动机的无功功率一电压静态特性曲线，见图l 一2 ( a ) 所示。由于改变变比 调压的手段本身并不会产生无功功率，因此当无功严重不足时调节分接开关，会将上一级系统的无功强 行拉过来；系统无功过剩时调节分接开关，会将过剩的无功送入上一级系统，无功过网会导致网损增加。 若系统无功供给不足而导致电压水平下降，如果仅仅依靠改变变比升压不能提高全系统的电压水平，只 能使局部地区电压得到改善，而其他地区电压将更为降低，因此在这种情况下，需增加新的无功电源进 行并联补偿，改变无功分布以达到调压的目的。请见图1 2 ( b ) p j ，曲线1 和2 的交点a 为额定电压下 的无功平衡点，当负荷增加变为曲线4 时，若无功电源没有增加，则曲线l 和4 的交点b 为新的无功平 衡点，但该点电压显然低于额定电压，这是由于无功电源供给不足而导致的结果。如果此时投入电容， 使无功电源的电压特性曲线上移至曲线3 ，则曲线3 和4 的交点c 所确定的电压可接近额定电压。一般 而言，当系统无功供给不足或过剩时，应通过投切电容器组来改变无功分布调压，使无功达到平衡及功 率因数接近1 ，减小网损和电压损耗。当系统无功供给较为充足时，可通过改变有载调压器的变比来凋 压，由于改变变e 匕对无功分布也会产生一定影响，因此该调节手段适合在无功供给充足但无功分布不合 理而造成电压质量下降的情况。在更多的时候，应将这两种调节手段加以综合运用，即实现电压无功的 综合调节方式，才能获得较满意的控制效果。 p q q u u bu a = u nu ( a ) 综合有功无功负荷电压静态特性 j ( b ) 无功电源补偿示意 图1 2 综合负荷的电压静态特性曲线 1 3 变电站电压无功综合控制的调控要求及控制模式 变电站电压无功综合控制系统通常取主变低压母线电压奶和主变高压侧注入无功功率q l ( 或主变 高压侧功率因数c o s 矿1 ) 作为调控考核对象，具体的调控要求( 或控制目标) 为：“保证电压合格，在 无功基本平衡的前提下，尽量减少有载调压变压器分接开关的调节次数和并联补偿电容器组的投切次 数”【9 1 。由于变压器的分接头是一档一档( 如1 2 5 、2 5 ) 进行调：肖的，并联电容器也是以组为 单位进行投切的( 即变电站电压无功综合控制为离散数学模型) ，因此只能使电压在一定范围内接近 额定值，无功q 1 ( 或功率因数c o s 咖1 ) 在一定范围内接近0 ( 或1 ) 。 第3 页 东南大学工程硕士学位论文 第一章变电站电压无功综合控制的基础问题 1 3 1 变电站电压无功综合控制的调控要求 ( 1 ) 保证电压合格 主变低压母线电压以必须满足：仇醍( 、既是规定的母线电压上下限值) ，并尽量使负 荷端电压偏差l 魄d 一魄d n l 达到最小值。电力系统运行时由于负荷的随机变化和运行方式的改变，母线上 的电压是经常变动的，因此允许各电压中枢点( 监测点) 的电压有一定的偏移范围，例如1 0 k v 及以下 三相供电电压允许偏差为额定电压的7 ( g b l 2 3 2 5 9 0 电能质量供电电压允许偏差) 。 ( 2 ) 维持无功基本平衡，使系统的功率损耗尽量减小 为了保证电压合格，就必须保证系统的无功分层平衡，使通过变压器的无功尽量的少，这是一个前 提条件。从变电站电压无功综合控制的角度，通常要求主变高压侧注入无功功率q l 必须满足：q l q 1 纵，q l 越接近o 越好，一股隋况下应使流入变电站的无功大于0 ，即无功不倒送：或主变高压侧功率 因数c o s 砂l 必须满足：c o s 多l c o s 西l c o s h ，c o s i 越接近l 越好( 互i h 、q l ，c o s 妒h 、c o s 砂l 分别是 规定的无功上下限和功率因数上下限) 。保持无功平衡，对保持电网稳定性，减少网损也是十分有益的。 在保证电压合格的前提下，使网损尽量小也应作为一条调控要求。在有的时候，为保证电压合格，常采 用强行调节的措施，如当分接开关调节次数达限或闭锁时，常采用强投强切电容器组的措施来保证电压 质量，以牺牲无功( 功率因数) 和网损合格率为代价。需要说明的是，v q c 也可取主变低压侧作为无 功考核点，甚至可以取变电站前端的供电线路进线端作为无功考核点。 ( 3 ) 尽量减少控制设备的动作次数 由于变压器在电网中的重要地位，应对其进行重点保护。在有载调节分接开关时，由于会出现短时 的匝间短路产生电弧，一方面会对分接开关的机械和电气性能产生影响，另一方面也影响变压器油的性 能。有关资料表明，有载凋压变压器8 0 的故障是由于有载分接开关所引起p j ，因此各变电站都严格限 制了有载分接头的日最大调节次数( 如2 5 次、1 6 次等) ，同时也对电容器组的日最大投切次数作出了限 制( 如1 0 次) ，并对总的动作次数作出了限制。因此在控制策略上应尽量使日动作次数越少越好( 特别 是分接开关的调节次数) 。 1 3 2 变电站电压无功综合控制的控制模式 前已述及，变电站电压无功综合控制系统的调控考核对象之一即无功指标即可以取主变高压侧( 或 低压侧) 无功功率，也可取主变高压侧( 或低压侧) 功率因数，分别可称为“电压一无功功率控制模式” 和“电压一功率冈数控制模式”。对这两种控制模式的评价如下i iu 】： ( 1 ) 电压一无功功率控制模式 无功功率的特点：无功功率能真实反映无功出力情况，可充分区分无功吸收和倒送两种状态：变压 器重载运行时无功功率的数值波动较大：无功功率与全网无功优化的目标函数紧密关联。 评价：这种控制模式的优点是可避免无功倒送现象，有利于电网的安全运行；可避免变压器轻载运 行时电容器组频繁投切现象：对负荷波动较大的运行方式适应性强；无功功率是全网无功优化考虑的主 要因素，便于实现实时的无功控制；无功功率控制与电容器无功补偿容量密切关联，控制简单方便，考 虑了电容器容量级差大的问题，可有效避免电容器组的频繁投切现象。缺点是变压器重载运行时无功功 率波动较大，可能会增加电容器组的投切次数；与变电站的无功考核指标即功率因数无一一对应若系， 控制限值输入复杂；控制原理较复杂，实现成本高。 ( 2 ) 电压一功率因数控制模式 一 功率因数的特点：功率因数角仅是无功功率3 个因素中的1 个( q = 3 s i n ) ，不能直接反映 无功功率的大小，在考虑到有功功率电压静态特性的情况下，功率因数与无功功率不存在一一对应关系； 变压器轻载运行时功率因数的数值波动较大，重载运行时数值波动则较小；功率因数在无功吸收和倒送 状态时均为正值，不能较好地区分这两种状态。 第4 页 东南大学工程硕士学位论文 第一章变电站电压无功综合控制的基础问题 评价：这种控制模式的优点是，可避免变压器重载运行时电容器组频繁投切现象；功率因数是变电 站无功考核指标，因此参数设定方便简单；控制原理简单，易于实现。缺点是不易避免无功倒送现象； 变压器轻载运行时功率因数波动较大，容易造成电容器组的频繁投切；全网无功优化主要考虑无功功率， 对电网实时电压无功波动大的场合，难以实现有效的无功优化控制；变电站电容器组数少，容量和容量 级差较大，容易产生投切次数频繁，轻载时还容易过补偿。 对于负荷波动较大、无功优化实时性要求高的场合，考虑电网的无功要求，选用电压一无功功率控 制方式较为合理【1 0 1 。也可以按电压、无功、功率因数、时间四个参数综合控制，如在低谷负荷、由峰转 谷、由谷转峰时，可考虑采用电压一无功功率控制，在高峰负荷时，采用电压一功率因数控制。 1 4 九区图控制策略分析 控制策略( 或称方案、规则、原则) 是变电站v q c 调：符的基本准则。由于变电站电压无功综合控 制是一个复杂的双参数调节系统，因此合理的控制策略是v q c 实际投用的基本要求之一。由于变电站 可看作是电力系统的一个元件，其电压水平和无功流动与系统是相互影响的，因此在控制策略上v q c 必须满足变电站调节电压和平衡无功的要求，同时还要尽量减少有载调压变压器分接开关和电容器组的 动作次数，另外还要服从系统运行的需要。为实现1 3 1 节变电站电压无功综合控制的调控要求，早期 的的v o c 装置都采用基于传统九区图的控制策略，控制装置根据电压、无功、时间、负荷率、开关信 息、有载调压变压器分接开关档位和电容器组投切开关状态等多因素进行综合判断，根据实时数据判断 当前的运行区域，再按照一定的控制策略，闭环地控制站内并联电容器组的投切以及有载调压变压器分 接开关的调节，以最优的控制顺序和最少的动作次数使运行点进入到正常工作区( 目标区域) ，使电压 合格而无功尽量接近于0 ( 功率因数尽量接近于1 ) 。图1 - 3 是传统九区图法示意。 超前芏藩黑言一滞后 下限一1 币厢 812 t93 654 q 下限q 上限 图1 3 九区图 1 4 1 传统九区图的基本原理 u 上限 u 下限 c o s 由l u 0 p 1 + j q l u lk ：1 u 2 卜崦 图1 4 简单变电站示意 传统的九区图法控制策略是按照固定的电压和无功( 功率因数) 上下限将电压一无功平面划分为9 个区域。请参见图1 4 ，蛲主变低压侧母线电压( 即) ，q 是主变高压侧无功功率( 即q l ，也可取主 变低压侧无功功率) ，c o s 庐是高压侧对应的功率因数( 即c o s 多i ) 。无功越下限( 功率因数超前越上限) 表示无功过剩，变电站向电网倒送无功( 一般不允许倒送) ；无功越上限( 功率因数滞后越下限) 表示 电网无功不足，变电站从电网吸收无功，为防止电容投切振荡，q 上下限之差应至少大于l 组电容器容量。 本文中九区图电压和无功以及功率因数上下限分别用魄、仇，q h 、q l ，c o s 西h 、c o s 庐l 表示。 根据v q c 的调控要求，应将受控母线电压控制在规定的电压上下限之间，确保电压合格，同时尽 量使无功控制在规定的无功上下限之间，如果电压、无功不能同时达到要求，则优先保证电压合格。九 区图各区域具体的综合控制策略如下1 2 川： 9 区：电压、无功均合格，为不动作区( 正常工作区) ，是v q c 控制的目标区域； 第5 页 iil；，t_，i l，。、， 东南大学工程硕士学位论文 第一章变电站电压无功综合控制的基础问题 1 区：电压越上限，无功( 功率因数) 合格，升档降压，若分接头档位已调至最高档而电压仍高于 上限，则强行切除部分并联电容器组； 2 区：电压越上限，无功越上限( 功率因数越下限) ，先升档降压至电压合格，若无功仍高于上限 ( 功率因数仍低于下限) ，则再投入并联电容器组以补偿无功( 调整功率因数) ； 3 区：电压正常，无功越上限( 功率因数越下限) ，投入并联电容器组； 4 区：电压越下限，无功越上限( 功率因数越下限) ，先投入并联电容器组使无功( 功率因数) 合 格，若电容器组投完后而电压仍低于下限，则再降档升压； 5 区：电压越下限，无功( 功率因数) 合格，降档升压，若分接头档位已调至最低档而电压仍低于 下限，则强行投入并联电容器组； 6 区：电压越下限，无功越下限( 功率因数越上限) ，先降档升压至电压合格，若无功仍低于下限 ( 功率因数仍高于上限) ，则再切除并联电容器组； 7 区：电压合格，无功越下限( 功率因数越上限) ，切除并联电容器组； 8 区：电压越上限，无功越下限( 功率因数越上限) ，先切除并联电容器组，若电容器组切完后而 电压仍高于上限，则再升档降压。 经过调研发现，v q c 装置各生产厂家所采取的九区图具体控制策略在细节上也不尽相同，例如南 京南瑞继保的r c s 一9 6 5 6 v o c 装置第2 区的控制策略为：升档降压，若已调至最高档电压仍越上限，则 强切电容；第6 区的控制策略为：降档升压，若已调至最低档电压仍越下限，则强投电容【l2 1 ，即2 、6 区也增加强投、强切措施。又如西安中冠电控d w k 3 系列v q c 装置第2 区的控制策略同南瑞继保 r c s 一9 6 5 6 ；第6 区的控制策略为：降档升压；第3 区的主要控制策略为：投电容，若分接头在最高档， 则禁投电容；第7 区的主要控制策略为：切电容，若分接头在最低档，则禁切电容【1 3 】，3 、7 区引进了 禁投、禁切措施。另外，3 区的控制策略也有采用：先投电容，若无电容可投，则维持【1 4 】或升档降压【l5 】； 7 区的控制策略也有采用：先切电容，若无电容可切，则维持1 1 4 j 或降档升压【l5 1 。 基于了乙区图的v q c 在一定程度上提高了主变压器低压侧母线电压合格率，实现了无功就地基本平 衡，改善了功率因数和减少了线路的有功损耗，在一定程度上能够满足变电站的运行要求。 1 4 2 变电站电压无功基本控制规律 有载凋压和无功调节并不是相互独立的，调档在改变电压的同时也会影响无功功率，而在投切电容 器组进行无功调：1 7 的同时也会影响电压。本文中将改变有载调压变压器变比和投切并联电容器组对主变 低压侧母线电压及高压侧( 或低压侧) 无功( 功率因数) 的影响规律称为“变电站电压无功基本控制规 律”。上述的传统九区图的控制策略就是建立在电压无功基本控制规律的基础之上的，基本控制规律对 v q c 控制策略的制定和提取方面起着重要的决定性的作用。有鉴于此，本章最重要的一个任务就是对 变电站的电压无功基本控制规律进行分析。在分析变电站电压无功基本控制规律时，必须要考虑综合负 荷的电压静态特性，若假设负荷功率恒定不变，则综合调节时可能会达不到最优运行状态【7 j 。当综合负 荷取二次多项式模型时，恒定功率负荷模型、恒定电流负荷模型以及恒定阻抗负荷模型下的变电站电压 无功基本控制规律见表1 1 所示，其中醍表示主变低压侧母线电压，q l 、c o s 庐l 表示主变高压侧无功及 功率因数( 推导过程的说明请参见附录a ，表1 1 内容同样适用于取主变低压侧母线电压、低压侧无功 和功率因数为电压无功考核点的情况) 。 表1 1 考虑到当q l 为负值时，功率因数c o s l 应记作负值( 区间【_ 1 ，0 ) ) ，但为了获得统一的规律， 再将负值的功率因数加2 ，其范围变为 1 ，2 ) ，这样整个c o s 砂l 的取值范围为( 0 ，2 ) 。另由于各类文献对变 压器分接开关( 或称为分接头、抽头) 档位调节动作行为的说法不相一致，本文统一规定，上调档位( 升 档) 是指增大变比( 升高分接头电压) ，如将档位从o 档调至+ l 档；下调档位( 降档) 是指减小变比( 降 低分接头电压) ，如将档位从0 档调至一1 档。 在取负荷为恒定电流模型时，调档对无功的影响情况较复杂些，详细的判据请参见附录a 。从表1 1 第6 页 东南大学工程硕：匕学位论文第一章变电站电压无功综合控制的基础问题 可见，调档总是使电压发生相反方向的变化，但对无功q l 及功率因数c o s 庐l 的影响情况在三种负荷模 型下会略有不同，且无功和功率因数的变化情况并不相对应，这是由于功率因数不能直接反映无功功率 的大小。另可知在二次多项式负荷模型下，上调档位，七增大，c o s 庐1 减小；下调档位，j i 减小，c o s l 增大。这些规律与普遍认为的“上调档位，尼增大，q l 减小，c o s 1 增大：下调档位，础或小，q 1 增大， c o s 砂i 减小”的看法【1 5 1 6 】有所不同，这主要是由于文献 1 5 ，1 6 】等虽考虑到了无功负荷的电压静特性，却 未考虑到：1 ) 无功会出现负值的情况；2 ) 有功负荷的电压静特性( 即认为在调节过程中有功保持恒定 不变) ，功率因数与无功功率不存在一一对应关系等缘故。 表1 1 变电站电压无功基本控制规律 负荷模型 耱薇 恒定功率负荷恒定电流负荷恒定阻抗负荷 上调档位，变比七增大，如降低，上调档位，变比七增大，降低， 上调档位，变比七增大，降低，q l 可能增大也可能减小，c o s 咖ii q l l 减小，q l 方向不变，c o s 莎i 不 q l 增大，c o s i 减小；减小；变： 调档 下调档位，变比七减小，升高，下调档位，变比七减小，升高，下调档位，变比七减小，升高， q l 减小，c o s l 增大。q l 可能增大也可能减小，c o s 妒ii q l i 增大，q l 方向不变，c o s 多i 不 增大。变。 投入电容，q i 减小，c o s 庐1 增大， 投切升高； 同左 同左 电容器组切除电容，q l 增大，c o s 庐l 减小， 醍降低。 由于m a t l a bp s b ( 电力系统仿真模块集) 提供的负荷为恒定阻抗模型，作者运用p s b 对恒定阻 抗负荷模型下的电压无功基本调节规律进行了仿真分析，所得结果与表1 1 的结论相一致。另外还采用 了e t a pp s 电力及电气系统仿真软件对恒定功率负荷模型及恒定阻抗负荷模型下的基本调节规律进行 了仿真分析，结果同表1 1 所得结论也是相同的。详情可参见本文第四章4 2 、4 3 节内容。另在仿真过 程中发现，总体而言，调档对无功的影响是非常小的。表1 1 的内容可用图1 5 来表示。 在对变电站电压无功综合控制问题进行讨论或进行数字仿真时，综合负荷不应只取恒定功率模型 ( 有的文献【1 7 1 8 l9 2 0 】取恒定功率负荷模型进行v o c 问题的讨论，严格来讲是不完善的) ，可近似取恒定 阻抗模型处理，即认为综合负荷与电压平方成正比。例如m a t l a bp s b 、n e t s p 等电力仿真软件提供 的负荷模型即为恒定阻抗负荷，因此当运用这些软件进行v o c 数字仿真时，应考虑恒定阻抗负荷模型 下的电压无功基本控制规律。较为完善的对负荷的处理方法是将上述3 种负荷模型加以综合考虑，取二 次多项式负荷模型，如文献 2 1 】中取有功负荷模型为凡d = 尸n ( 口2 + 6 + c ) ，无功负荷模型为纽d = 9 n ( d 蜴。2 + p 。t 力，其中队- 醍醍n ，各负荷分量所占比例系数为：萨0 2 4 ，6 = o 6 ，f 0 1 6 ：庐2 2 5 ，p = 一1 7 ，户0 4 5 ：满足口+ 6 + c = 1 ，丹p + 户1 的约束条件。中国电科院的p s a s p 和美国o t i 公司的e t a pp s 等电力系统仿真软件提供的负荷即为二次多项式负荷模型，用户可设定各负荷分量所占比例。 综合负荷的电压静态特性对控制策略的选择是有一定影响的。如图1 3 所示，当v q c 选择电压一 无功功率控制模式时，3 区( 7 区) 的控制策略一般选择为：“投电容( 切电容) ，若无电容可投( 可切) ， 则选择辅助策略，即升档降压( 降档升压) ”。选择辅助策略的用意是非常明显的，其目的是想在一定程 度上改善无功。因为按照一般认为的电压无功基本调节规律：“上调档位，七增大，奶降低，q l 减小， c o s l 增大：下调档位，七减小，以升高，q l 增大，c o s 庐i 减小”，升档可使无功减小，降档可使无功增 大。但根据表1 的内容可知，由于综合负荷成分的复杂性，每一次调档的动作对无功的影响效果可能是 不同的。当运行点位于3 区时，若无电容可投，恒定功率负荷模型下升档会使无功增大：恒定电流负荷 模型下，升档的动作可能会使无功增大，也可能会使无功减小；恒定阻抗负荷模型下，升档则会使无功 减小。当运行点位于7 区时，若无电容可切，恒定功率负荷模型下降档会使无功减小；恒定电流负荷模 型下，由于九区图的无功下限一般取负值或0 ，此时因电容全部切除( 无电容可切) ，因此无功负荷必为 第7 页 东南大学工程硕士学位论文 第一章变电站电压无功综合控制的基础问题 负值( 容性) ，故降档会使无功减小；恒定阻抗负荷模型下，降档会使无功减小( 使i q i i 增大，但9 l 却 减小) ，即在三种负荷模型下的降档动作总是使无功减小。综合三种负荷分量的作用，可见3 区升档的 辅助策略效果并不明显，而7 区降档的辅助策略则是不可取的。因此本文建议，3 区的控制策略采取： 投电容，若无电容可投，则维持不动作；7 区的控制策略采取：切电容，若无电容可切则升档降压( 在 保证电压不越下限的前提下) 以改善无功。6 区的控制策略为“降档升压”，和7 区辅助策略的分析类似， 在三种负荷模型下的降档动作总是会使无功减小，因此6 区的控制策略虽保证了电压合格，却在一定程 度上牺牲了无功指标，但由于调档对无功的影响较小，因此这是值得的。 u 2 u 2 p 。感 0 q l 恒定阻抗负荷 u 2 c o s 巾1 恒定阻抗负荷 恒定功率负荷 q l c o s 巾1 恒定功率负荷 ( a ) 调节分接头对电压和无功功率( 或功率因数) 的影响 q l q 1 ( b ) 投切电容或电抗对电压和无功功率( 或功率因数) 的影响 图l 一5 调档和投切电容( 或电抗) 对变电站电压和无功的影响 1 4 3 传统九区图振荡动作现象分析 由于电压、无功边界的设置未考虑电压、无功的相互协调关系，歹l 区图的某些区域对于控制的结果 可能会产生振荡动作，所谓“振荡动作”( o s c i l l a t i o na c t i o n ) 是指在调档和投切电容器组时，不能使运 行点直接进入目标区域而是进入控制前所在区的邻近区域，在邻近区域控制策略的作用下，又侵运行点 第8 页 东南大学工程硕士学位论文第一章变电站电压无功综合控制的基础问题 回到控制前区域的现象。振荡动作现象会增加分接开关和电容器组的动作次数，对设备的使用寿命产生 不利的影响，因此在控制策略上应加以避免。传统九区图的电压和无功上下限边界附近是容易发生振荡 动作的区域。现分析当综合负荷取二次多项式模型时传统九区图出现振荡动作现象的原因。 请见图1 6 ，乩为投切l 组电容器所引起的电压最大变化量，9 i ，( c o s 。) 为调节l 档分接 头所引起的无功( 功率因数) 最大变化量。图1 6 ( a ) 中，当系统运行于小区中的a 点时，电压接 近上限而无功严重不足，根据3 区的控制策略，将投入l 组电容器进行无功补偿，引起电压升高，则投 电容后运行点将可能进入2 区而非9 区：v q c 装置再根据2 区的控制策略( 升档降压) 动作，使电压 降低，无功的变化情况为：恒定功率负荷模型下，无功增大；恒定电流负荷模型下，无功可能增大也可 能减小；恒定阻抗负荷模型下，无功减小。由于调档对无功的影响很小，因此运行点可能进入不了9 区 而又回到u 。小区，从而产生振荡动作。b 点情况和a 点类似且更为明显( 三种负荷模型下在6 区中的 降档动作总是使无功减小) 。 u a q l q h q i l 8 dl2 f t 9 3 b e 65 c 4 u 。 c o s 由hc o s 由l c o s 由u 81 d2 f 7 9 3 b e 6 c 54 q i l c os 由u ( a ) 电压一无功控制模式( b ) 电压一功率因数控制模式 图l 一6 九区图振荡动作示意 又如当系统运行于c 点时，电压越下限而无功接近上限( 该点无功为正值) ，根据5 区的控制策略， 应降档升压，在恒定阻抗负荷模型下会引起无功增大，运行点有可能会进入3 区；而根据3 区的控制策 略( 采用“先投电容，若无电容可投，则升档降压”的策略) ，如果无电容可投，则升档降压，在恒定 阻抗负荷模型下会使无功减小，运行点就又可能回到g 小区，从而产生振荡。很明显c 点的振荡动作 是由于3 区的辅助策略设置的不合理而造成的。 d 点情况却有所不同，由于九区图中无功下限值一股取负值( 如一0 5 吼) ，而调档对无功的影响非 常小，因此d 点无功q d 一般为负值。根据l 区的控制策略升档降压时，恒定功率负荷模型下，g 增大； 恒定电流负荷模型下，d 点对应的无功或为容性，或为感性但满足b ，o 且 q 四_ 1 + r j 去万譬一搴此甄掌大；恒定阻抗负荷模型丁，i q d 呼小，：q d 增大。因此运行掌7 尽 可能直接进入9 区而不会发生振荡现象。当无功下限值取0 时，d 点无功9 略大于o ，当升档降压时， 恒定功率负荷模型下，轨增大；恒定电流负荷模型下，q d 也可能增大；恒定阻抗负荷模型下，l q d l 减小， 9 减小但不会越下限。因此当无功下限值取o 时，发生振荡动作的几率也是较小的。 还有一种情况可能会发生振荡，即当3 区的控制策略采用“先投电容，若无电容可投，则升档降压” 时，如果电压二无功功率控制九区图中运行点为e 点并且此时已无电容可投，当负荷为恒定阻抗模型时， 则升档降压后，无功减小( 但程度较小) ，运行点则可能进入4 区，再根据4 区的控制策略( 先投电容， 若电容投完电压仍低则降档升压) 降档升压，无功增大( 但程度较小) ，就又会回到3 区e 点附近，从 而发生振荡动作。f 点情况类似。 对于图1 6 ( b ) 所示的电压一功率因数模式九区图，由于在二次多项式负荷模型下升档会使功率因 数减小，降档会使功率因数增大，因此a 、b 、c 、d 四个点都会可能发生振荡动作现象，具体分析过程 第9 页 东南大学工程硕士学位论文 第一章变电站电压无功综合控制的基础问题 同前类似。需注意的是图1 6 ( b ) 中c 点和d 点所处区域与图1 6 ( a ) 有所不同，不存在对应关系。文 献 1 7 所设计的v q c 装置采用图1 6 ( b ) 所示的电压一功率因数模式九区图的策略( 增设了图中所示 的4 个防振小区) ，虽然其电压无功基本调节规律是按恒定功率负荷模型进行推导的，但由于恒定功率 负荷模型和二次多项式负荷模型下的调档动作行为对功率因数的影响是一致的，因此实际并不会影响装 置的控制效果，但点c 、d 所在小区的策略应选择不动作才较为合适( 而非原文献 1 7 】中采用的调档措施) 。 另外如果无功上下限设置的不合理( q 上下限之差应至少大于l 组电容器容量) ，还可能会造成电 容器组的投切振荡现象。 1 4 4 传统九区图控制策略的其他缺陷 由于九区图的分区控制策略是基于理想的电压、无功控制，在实际控制中除会出现振荡动作现象外 还存在着其他一些主要问题： 一 1 ) 九区图的电压、无功上下限是随季节、峰谷、时段而变的，不易调整；某些区域对于两类设备 的控制都起作用时，