（电力系统及其自动化专业论文）电力系统无功电压就地控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o li st h ep i v o t a lw o r ko fi m p r o v i n gv o l t a g eq u a l i t y 、 k e e p i n gv o l t a g el e v e ln e a rt or a t i n g 、e n s u r i n gs e c u r eo p e r a t i o no fm o d e mp o w e rs y s t e m l o c a lc o n t r o li so n eo ft h er e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o lm o d e ，i tm a yk e e pr a t i n go f v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r i ns u b s t a t i o n s i ns p i t eo fw h i c hm o d ei sa d o p t e d ，l o c a lc o n t r o l m o d ep e r f o r t l si m p o r t a n c ef u n c t i o n t l l i sd i s s e r t a t i o nd e v o t e st ot h er e l a t i v ep r o b l e m si n l o c a lc o n t r o lf i e l d ，i n c l u d i n gt h er e s e a r c ha sf o l l o w s ： r e t r o v e r s i o no fr e a c t i v ep o w e rd e f i n ei ns i n u s o i d a lc o n d i t i o n si sg i v e n t w om e t h o d s w h i c ha r eu s e da r es t u d i e da n d a n a l y z e d t od e f i n er e a c t i v e p o w e ri n n o n s i n u s o i d a l c o n d i t i o n s ，o n ei st h et i m ed o m a i na n a l y s i sm e t h o d ，t h eo t h e ri sf r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s m e t h o d t h e i r a d v a n t a g e sa n dd r a w b a c k so f p o w e r d e f i n i t i o na r ed i s c u s s e d i nt h ea s p e c to fn i n e z o n ed i a g r a mc o n t r o ls t r a t e g y , t r a d i t i o n a ln i n e - z o n ed i a g r a m m e t h o d s d e f i c i e n c yb ya f e we x a m p l e si s p o i n t e do u t ，a n dc o r r e s p o n d i n gi m p r o v e d s t r a t e g yi sp r e s e n t e d t h r e er e a l i z a t i o nm e t h o d s o fr e a c t i v ep o w e r v o l t a g eo ns u b s t a t i o na r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d ，t h es u g g e s t i o nt h a td i f f e r e n tm e a s u r es h o u l db et a k e na c c o r d i n g t o t h ed i f f e r e n tl e v e lo fa u t o m o t i v ec o n t r o li ns u b s t a t i o n si sp r o p o s e d i nt h ea s p e c to f h i g hs i d ev o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g y , t h ee f f e c t st h a th i g hs i d ev o l t a g e c o n t r o l ( h s v c ) i m p r o v e st h es t a b i l i t y o ft h ep o w e rs y s t e ma r ed e s c r i b e d t o wc o a t r o s t r a t e g i e so fh i g hs i d ev o l t a g ea r ep o i n t e do u t t o g e t h e rw i t l ld r a w i n gs k e t c h e so fe v e r y c o n t r o ls t r a t e g i e s ，a n dt h ed i r e c t i o no fr e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o ld e v e l o p m e n ti no u r c o u n t r yi sp o i n t e d a ni m p l e m e m i n gp r o j e c ta b o u tr e a c t i v ep o w e r v o l t a g ea u t o m o t i v ec o n t r o ls y s t e mo f g e n e r a t i o np l a n ti sp u tf o r w a r d i ta d o p t sh i g hs i d ev o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g y n o to n l yt h e v o l t a g eo nh i g hv o l t a g eb u s e si sa d j u s t e d ，b u ta l s or e a c t i v ep o w e r i st h em o s tp r e f e r e n c e d i s t r i b u t e t h em a i ni d e aa n df u n c t i o n a ld i v i s i o ni sd e s c r i b e d d r a ws k e t c h e so fc o n t r o l s t r a t e g i e s k e y w o r d s ：r e a c t i v ep o w e r v o l t a g ec o n t r o l r e a c t i v ee q u i l i b r i u m 9z o n ec o n t r o ld i a g r a ms u b s t a t i o n st e r m i n a lv o l t a g ec o n t r o l 1 1 i g hs i d ev o l t a g ec o n t r o li ng e n e r a t i o np l a n t i i 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 舌p 搅 日期：尘w 正年j 月夕1 日4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密固。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：1 吁誓 日期：全a 口年年，月9 日 指导教师签名： 日期：卜- 1 1 年f 月黟日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章阐述了无功电压控制研究的重要意义，介绍了基于电站的就地控制方式的重- 要4 g ) 1 1 ，综 述了就地控制研究的现状分析了基于能量管理系统( e m s ) 优化潮流功能的无功电压控制，最 后简单介绍了本文研究的主要内容 1 1 引言 无功电压控制是提高电压质量、保障现代大型电网安全运行的重要措施之一：是 无功电压控制设备及时正确动作、避免恶性事故发生的保证【1 , 2 1 ，其研究具有巨大的经 济效益和社会效益。近年来，我国电力运行部门和科研工作者对无功电压控制作了大 量的理论研究和运行实践，投入了大量的人力和物力，开发出不同版本的无功优化软 件以及研制出数台独立装置。 但随着我国电力事业的发展，无功电压问题也日益凸现出来1 3 4 1 。第一，电压质量 方面。随着电力供需矛盾的缓和、经济的发展、人民生活水平的提高，用户对电压质 量的要求越来越高，同时负荷峰谷差的不断增大，也给无功电压控制带来了新的要求 和困难。第二，电压安全方面。国外几次大的电压崩溃事故使电压稳定性问题受到了 广泛的重视，随着我国电力系统的不断发展，受端系统不断扩大，负荷容量不断集中， 远方电源供电比重逐步增大，出现电压崩溃并发展为全网性事故的可能性也正r 益加 大。第三，随着电力市场化运营的深入开展，各电力公司将更注重电力运营的经济效 益，而良好的无功电压管理是降低网损、提高设备运行效率、减少设备运行和维护费 用的重要手段。因此，无功电压控制的研究是现代电网规划和系统运行所面临的重要 课题，是电力系统运行亟待解决的一个问题。 而采取何种控制方式才能使无功电压控制有效地发挥作用，既能够体现“受控站” 的执行效果、经济效益，又能体现“地调主站”的决策、调度、考核权，还能体现中 心站监控权和监控责任，同时也要使得整个地区电网实现无功电压自动控制是研究的 关键。目前电网无功电压控制可选的方式主要有：基于电站的无功电眶就地控制方式、 基于s c a d a 主站系统的无功电压优化软件方式、基于e m s 优化潮流功能的无功电 压控制方式。这三种模式在目前全国电力系统均有应用。 从目自口电力系统自动化技术发展的趋势和计算机技术、通信技术的迅速发展来 看国内电网调度自动化s c a d a 系统大部分已达到实用化。无功电压控制方式也将 华中科技大学硕士学位论文 出基于电站的无功电压就地控制方式转变为基于s c a d a 主站系统的无功电压优化软 件控制方式，最后趋向于基于e m s 优化潮流功能的无功电压集中控制方式。但是， 不管无功电压控制采取何种控制方式，研究基于电站( 变电站和发电厂) 的无功电压 就地控制具有重要的意义，它是基础。这是因为：一方面，基于s c a d a 系统或基于 e m s 优化潮流功能的无功电压控制都离不开就地控制设备，就地控制是最后的执行环 节，并负责将最后的执行结果反馈给上级。另一方面，基于电站的就地控制作为备用 控制，当集中控制失败时，可迅速代替执行，以保证电力系统安全的运行；最后，系 统无功控制设备定期的调试、检修、试验都需要在基于电站的就地控制基础上进行。 因此研究就地控制具有重要意义。 基于电站的就地控制是指对变电站或发电厂的无功电压控制设备进行实时的控 制。它只需要就地信息，对通信设备的要求远远低于全局量，计算简单、迅速，能够 实现局部优化，达到被控站无功电压自动控制的要求，从而使全网的无功潮流优化。 同时，电压稳定研究表明电压失稳现象具有明显的“地区性”【5 】，一般是由个别节点 或区域的电压失稳事故逐步扩展到整个系统的，如果对各个节点或地区采用就地控制 或区域控制，也可以达到防止电压崩溃、保证电压稳定的目的。另外，基于电站的就 地控制见效快，可取得明显的经济效益和社会效益。 目的我国研制和开发了数台基于电站的就地控制装置，它们虽然在一定程度上做 到了无功电压补偿，但装置的控制策略大都是以本站局部最优为控制目标的，没有考 虑对其它站的影响，并且存在控制设备动作频繁，易受谐波干扰、引起无功倒送等问 题。因此，对就地控制进一步深入研究大有必要。 鉴于以上情况，本文选择了无功电压就地控制问题作为研究方向。 1 2 无功电压就地控制问题的研究现状 1 2 1 无功电压就地控制阃曩的主要研究内容 电力系统的无功电压就地控制主要包括两个方面：变电站的无功电压控制和发电 厂的无功电压控制。变电站的无功电压控制对保证系统电压质量、安全经济运行起着 重要的作用，发电厂的无功电压控制是系统稳定、安全运行的基础。 变电站无功电压控制的实现是通过调整有载变压器分接头的位置和改变投切电 容器组的数量实现的。有载变压器和并联电容器组是变电站无功电压控制的主要设 备。研究变电站无功电压控制的核心是控制策略的选择。合理的选择控制策略，可以 2 华中科技大学硕士学位论文 有效地减少有载变压器分接头和电容器组的动作次数，提高被控站的电压合格率，降 低能量损耗，实现系统电压稳定和安全经济的运行。 发电厂无功电压控制的实现是通过调整同步发电机励磁控制系统实现的。同步发 电机的励磁调节器是发电厂无功电压控制的主要设备。研究发电厂无功电压控制的核 心主要是励磁系统附加控制器的完善。有效地完善励磁系统附加控制器，可以更好的 维持发电机的机端电压或系统的母线电压为给定值，增强电力系统稳定性，从而提高 电压合格率，降低事故发生率。 1 2 2 无功电压就地控制研究现状 ( 1 ) 变电站无功电压控制研究现状 我国从七十年代开始，陆续有一些单位对变电站无功电压自动调节装置进行了研 究和试验，积累了一些经验。早期的自动调节装置在运行过程中存在频繁调节现象， 供电部门担心有载分接开关和并联补偿电容器的频繁调节会引起变压器和开关设备 故障的增加，尤其是有载开关的频繁调节容易引起变压器故障，所以，在八十年代中 期，开始对变电站无功电压综合自动控制进行研究，经过多年的发展，已达到一定的 水平，取得了一些成果。近年来，随着科学技术的进步，运行管理水平大幅度提高， 计算机技术和变电站综合自动化技术迅速发展，无功电压综合控制作为综合自动化的 重要组成部分，基于s c a d a 主站系统和基于e m s 优化潮流功能的无功电压优化软 件已成为研究的重点。目前，变电站无功电压控制的实现方式普遍采用了基于监控系 统的后台软件模块或独立控制装置来实现。 ( 2 ) 发电厂无功电压控制研究现状 利用同步发电机的励磁控制系统，调节励磁调节器改变发电机的励磁电流，以实 现电压和无功的就地调整和平衡，是我国发电厂实现无功电压控制的主要方式。早在 二十世纪四十和五十年代，有些学者就强调了励磁调节对提高电力系统稳定性的重要 作用。此后，关于励磁调节器的研究一直在不断进步，八十年代初着手微机励磁调 节器的研究，到中期已有几套在水电站中型机组上试运行。 发电厂主要分为火电厂和水电厂，由于两者的生产过程差别较大，所以它们的无 功电压控制的发展道路有较大差别。 早期由于火电厂的动力系统相对复杂，既有锅炉又有汽机，还有给煤、给水、送 ( 引) 风等环节，其控制和协调相当复杂。因此，动力系统直处在主要地位，电气 系统的控制处于相对次要的位簧，无功电压的控制也一直没有得到很大的发展。随着 华中科技大学硕士学位论文 电网对火电机组提出调频、调压和调峰等方面的更高要求，以及竞价上网的市场原则 迫使火电厂必须最大限度地提高所发出的电能的质量，因而电气控制的重要性得到了 提高，无功电压控制也相应地得到了重视。在过去数十年罩，特别是近年来，电力科 技工作者在常规机端电压控制的基础上，研究开发了多种基于高压母线电压控制的软 件和装置。 水电厂的动力系统相对简单，其自动化系统一开始就是偏重于电气控制，这样无 功电压控制也得到了很好的发展。我国从二十世纪七十年代末期开始狠抓水电厂的自 动化工作。目前，以电气控制为主的计算机监控系统已经成为新建大、中型水电站和 梯级水电站的必备配置，也是老水电站技术改造的重要目标。 对于控制实现方式，随着计算机技术的发展、发电厂机组大型化和发电设备的现 代化、计算机监控系统在电厂的应用越来越多，监控系统后台无功优化软件的实现方 式已成为目前电厂无功电压控制主要方式。 1 3 基于能量管理系统( e m s ) 优化潮流功能的无功电压控制 根据能源部发布的全国电网调度自动化系统规划目标和要求，电网调度自动 化系统的功能被分为三个档次 6 1 。低档：数据采集与监控系统( s c a d a ) ，中档：s a c d a + 自动发电控n 经济调度( a g c e d c ) ，高档：能量管理系统( e m s ) 。 e m s 是以计算机为基础的现代电力系统的综合自动化系统，主要针对发电和输电 系统，用于大区级电网和省级电网的调度中心。e m s 不仅与配电管理系统相联系，从 中获得负荷管理和电压控制等信息，以利于事故的处理；而且还与发电厂效率管理系 统相联系，以便从中获得发电效率信息，用以监督发电厂上网电价和结算电费。 e m s 的应用软件分为三级 7 1 ：数据采集级、能量管理级和网络分析级。( 1 ) 数据 采集级是e m s 与电力系统联系的总接口，它向能量管理级和网络分析级提供实时数 据，e m s 通过它向电力系统发送控制信号：( 2 ) 能量管理级从s c a d a 级取频率、时 差、机组功率等实时数据，向s c a d a 级送机组的控制信息，同时它向网络分析级送 系统负荷和发电计划，取回机组和联络线交接功率点的网损修正系数及机组考虑线路 功率约束的安全限制值，它的应用软件包括发电控制和发电计划两大类；( 3 ) 网络分 析级从s c a d a 级取实时量测值和开关状态信息向s c a d a 级送量测质量信息，并 从能量管理级取负荷预测值和发电计划，向能量管理级送网络修正系数和机组安全限 制值，它是e m s 中最高级的应用软件，有两种工作模式：实时型和研究型，其实时 华中科技大学硕士学位论文 型的主要功能是实时网络状态分析，研究型的功能是以调度员潮流为核心。 这里以e m s 为对象关注基于e m s 优化潮流功能的无功电压控制。调度工程师潮 流又称为调度员潮流是e m s 最基本的网络分析软件。调度员可以用它研究当前电力 系统可能出现的运行状态，计划工程师可以用它校核调度计划的安全性，分析工程师 可以用它分析近期运行方式的变化。无功电压控制模型是调度员潮流控制模型的子模 型之一。无功电压控制模型如下。 一个电厂内联合调整多台机组的无功发电功率使某一母线保持规定值，这些机组 设有共同的调整目标母线( d ) ，在基本潮流中此母线为p 。v 母线，即此母线上有一虚 拟的无功源，控制环节将此无功源的无功功率分配到对应的机组上去。如图( 1 1 ) 所 示。 无功分配按调节容量进行：，7、 q = o k t , ( 1 + b r )( f 0 )、t 7 d _ 。q o , t + a q 晔最南昨。， 脚鲁 ( f d ) 。 a d 、。 式中，q 为机组i 调整后的无功发电功率 图1 1 多级联合母线电压调整 q 0 。为机组j 调整前的无功发电功率；a q 为p - 矿母线0 需调整的无功功率；q 为调整机组总无功发电功率；k t , 为机组i 按调 整容量计算的无功分配系数：b r , 为机组i 送无功到目标母线0 的无功损失微增率； i 0 为参与目标母线。调整机组集合。 1 4 本文所做的工作 本文选择无功电压就地控制作为主要的研究内容。变电站无功电压控制和发电厂 无功电压控制是无功电压就地控制的两个重要方面。本文在变电站无功电压控制方 面，主要分析了传统九区图控制策略的优缺点，针对不足深入探讨了两种改进策略的 内在本质，指出了基于九区图控制策略难以克服的缺点，综述了基于人工智能的控制 策略。在发电厂无功电压控制方面，着重研究了基于高压母线电压的控制策略，探讨 了高压母线电压控制提高电力系统稳定性的机理，介绍了两种高压母线电压控制策 华中科技大学硕士学位论文 略，提出了一种基于高压母线电压控制的厂端无功电压自动控制系统设计方案。在论 文的结构安排上，共分为六章，各章的主要内容介绍如下： 第二章重点研究和分析了非正弦情况下无功功率的两种定义方法，一种是时域分 析法，另一种是频域分析法：深入探讨了两种定义的优缺点；指出了定义无功功率应 该考虑的实际问题。最后介绍了与无功功率补偿相关的一些理论。 第三章对变电站无功电压控制策略进行了分类、概括和总结。分析了传统九区图 控制策略的优缺点，讨论了针对不足之处的改进方法，具体包括模糊边界九区图和1 7 区域图，综述了基于人工智能的控制策略，在研究三种控制实现方式的基础上，指出 了针对我国不同自动化水平的变电站，应该采取不同实现方式的建议，最后给出了研 究变电站无功电压控制应该考虑的些实际问题。 第四章着重分析了发电厂高压母线电压的控制策略。探讨了高压母线电压控制提 高电力系统稳定性的机理。与常规的机端电压控制相比，高压母线电压控制能有效地 补偿发电机和变压器电抗，提高静稳定极限，并且高压母线电压控制通过减缓阻尼力 矩的变负能有效地提高在重负荷下系统的动态稳定性。有利于消除低频振荡。介绍了 基于高压母线电压控制的两种控制策略；比较了两种控制实现方式i 最后展望了发电 厂无功电压自动控制未柬发展的方向。 第五章提出了一种基于高压母线电压控制的厂端无功电压自动控制系统设计方 案。该方案采用了基于电压稳定调节器的控制策略，在控制策略的设计中考虑了无功 功率的最优分配问题，同时在线计算由各种约束条件所确定的各台发电机组的无功功 率上、下限值。该策略综合考虑了母线电压的调整和无功功率的最优，而且在调整过 程中考虑了各类运行安全约束条件，其调整速度快，能满足安全性和经济性的要求。 本节详细介绍了该方案的设计思想，描述了系统的功能和运行性能指标，重点介绍了 方案控制策略的设计，策略中采用灵敏度分析法，即首先求出各类负荷对电压的灵敏 度系数，通过实时测量母线电压的偏差，并估算为消除母线电压偏差所注入的总无功， 计算由各种极限指标所确定的各台发电机无功上、下限，然后通过等微增率法实现无 功最优分配给各台机组。最后提出了该方案应采用独立输入系统实现方式的建议，并 绘制出控制实现方式框图。 最后一章对本文的工作进行了小结，概述了本文的重要结论，并展望了无功电压 控制的发展趋势。 华中科技大学硕士学位论文 2 无功功率定义探讨及无功补偿 本章首先对正弦情况下的无功功率定义进行了回顾，然后重点研究和分析了非正弦情况下无 功功率的两种定义方法，一种是频域分析法，另一种是时域分析法；深入探讨了两种定义的优缺 点：指出了定义无功功率应该考虑的具体问题最后介绍了与无功功率补偿相关的一些理论。 2 1 引言 如何经济有效地将电能从电源传送给用户是电力工作者需要解决的重要课题之 一。早在七十年代，就有学者对该问题进行了论述，引入了功率因数的概念，即将其 定义为平均功率和视在功率的比值。随后，这一概念被推广到多相系统，传统的功率 理论基本形成但也拉开了之后几十年来关于功率定义争论的序幕。在单相正弦电路 或三相对称电路中，利用传统功率理论定义的有功功率、无功功率、视在功率和功率 因数等概念都具有物理意义明确、易被检测且利于功率因数提高的特点，但在电压或 电流中含有谐波或三相电路不对称时，功率现象比较复杂，传统功率理论无法正确地 对其进行解释和描述。因此许多学者纷纷提出试图能包含畸变和不对称现象的功率理 论。八十年代以来，随着电力电子行业和电力工业的发展，各种整流器件、换流设备 以及其它非线性负荷大量安装在电力系统中，使原有的正弦情况下的无功定义在工程 运用中不适用、不方便。如何解决电力系统的谐波和不对称对系统经济安全运行的影 响逐渐成为学术界关注的焦点。自九十年代以来，国际上已举办了多次专f 7 i 4 论非正 弦不对称情况下功率定义和测量问题的会议【8 l ，但迄今为止，对于非正弦系统，无功 功率一直没有达成共同的、广泛的、令人接受的定义，唯一达成共识的是现有功率理 论都未能解决非证弦或不对称电路中的电能测量和管理问题。 本章首先对正弦隋况下的无功功率的定义进行了回顾，然后重点研究和分析了非 萨弦情况下无功功率的两种定义方法，一种是时域分析法，另一种是频域分析法：探 讨丁两种定义的优缺点。指出了定义无功功率应该考虑的具体问题。 2 2 正弦情况下无功功率 2 2 1 正弦线性电路中无功功率 设电源的电压为v ( ，) = 4 2 v s h k c a t ) ，电流为玎，) = d s i i i ( 科一矿) ，则瞬时功率为： 华中科技大学硕士学位论文 p ( f ) = v ( t ) f ( f ) = v l c o s 庐( 1 - c o s 2 0 j t ) 一v s i n # s i n 2 c o t( 2 1 ) 、一- jl v j 以f ) p q ( t ) 从( 2 1 ) 式可以看出，p ( f ) 可以分为两部分，分别定义为瞬时有功功率p p ( t ) 7 t 4 l 瞬时 无功功率p q ( t ) 。其中p a o 是个以两倍电源频率交变、平均值为v c o s # 的量，p q ( t ) 是一个平均值为零、峰值为v s i n # 、以两倍电源频率变化的交流分量。根据线性网络 功率理论，瞬时有功功率p a t ) 的平均值或电源输出的平均功率p 定义为有功功率： p = v i c o s # i( 2 2 ) 而把瞬时无功功率p 。( ，) 的峰值定义为无功功率： q = v is i n 矿( 2 _ 3 ) 对于正弦线性电路，该部分功率由储能元件的能量吸收和释放引起，在整个周期 内平均值为零，但是吸收和释放能量时有充放电电流，这部分电流是向负荷输送功率 的附加电流，它的存在将引起输送电的额外损耗、增大了线路两端的电压降、降低了 系统设备的利用率等一系列困扰现代电力系统经济安全运行的问题。 由( 2 1 ) 式及三相对称系统各相电压和电流的关系可得三相对称线性系统的瞬时功 率为： p 3 d ( ，) = 耽( ，) + p b ( ，) + p 。( ，) = 3 v l c o s o ( 2 4 ) 其中，见( r ) 、p 6 ( ，) 和p 。( f ) 分别为a b e 三相的瞬时功率。 由( 2 4 ) 式可以看出三相对称线性系统的瞬时功率为一直流量，该量等于每相平均 功率之和。此时三相瞬时无功之和等于0 ，也就是，在任一瞬时，各相负载有的在利 用电磁场蓄能，有的将前一段时间的电磁场蓄能释放出来各相的电磁场蓄能功率之 和为零，任一相的电磁场蓄能功率都由其他两相提供而不是由电源提供，无功功率只 在相间流动，不存在电源与负载间流动的无功功率。 利用类似单相正弦电路无功功率的定义方法将三相系统的无功定义为： q = 3 v is i n 庐( 2 5 ) 2 2 2 正弦非线性电路中无功功率 图2 1 为理想的可控硅带纯电阻负载电路及其工作的波形图，对该电路作进一步 分析易得，该电路虽然不含贮能元件，但它也将消耗无功功率，且与可控硅的触发角 口有关。 华中科技大学硕士学位论文 l i a r 南山姥 幽2 t ( a ) 理想的h 】控硅带纯电阻负载电路，( b ) 电压、电流及功翠渡形 设电源电压为v ( t ) = , i v s i n c o t ，并将负荷电流用傅立叶级数形式表示： m ) = 压s i n ( n ( o t 一九) ( 2 6 ) n = 则系统的瞬时功率为： p ( r ) = v ( ，) f ( ，) = v 1 ic o s 氟( 1 一c o s 2 删) 一s i n 商s i 【1 2 删+ 2 v i , , s i n c o t s i n ( n o g t - 。) ( 2 7 ) n = 2 、，、。 pp(t)p。(，) ( 27 ) 式表明此时电路中的瞬时功率仍由一平均值为v lc o s 磊的有功分量p 。( f ) 和 一平均值为0 的无功分量( f ) 组成。此时电路的无功功率仍可以认为是能量在电源 和负荷之间的来回振荡引起的，只是不能简单的用能量交换最大值来定义它了。可以 将无功功率定义为线路中附加功率损耗的量度，即： o = 矿( ，is i l l 两) 2 + 启+ 后+ + 启十 ( 2 8 ) 或者可以进一步将q 分解为： o = 0 ；+ d 2 ( 2 9 ) 其中：o j = v is i n a 为基波无功功率；d = 矿定+ g + + 层+ 为畸变功率。 2 3 非正弦情况下无功功率 当上述电路中的电压为非正弦v ( ，) = 至k s i n ( n c o t ) 1 对，由于电压、电流不再是 月= i 简单的正弦函数且三相电路之间互有影响，而使得三相电路的功率现象变得十分复 杂。三相电路的三相瞬时有功功率之和能否保持为不变的常数，三相电路中是否只存 华中科技大学硕士学位论文 在相间流动的无功功率等，均为无统一结论的问题。 目酊，在非正弦波情况下无功功率的定义有两种主流学派1 9 】：一种是采用频域分 析方法的b u d e a n u 学派，无功功率表示为龟b ；另一种是采用时域方法分析的f r y z e 学派，无功功率表示为q 即以下对这两种定义进行详细分析。 2 3 1b u d e a n u 无功定义 b u d e a n u 公式把无功功率定义为每次谐波分量无功的总和 绕= 厶s i n o = 繇 ( 2 1 0 ) 且首次引进了失真功率这一新量 d b = s 2 一p 2 一q 日2 ( 2 1 1 ) d 8 表征波形失真的一个量，如果波形为正弦波的话，d 日为零。实践证明，b u d e a n u 关于无功和失真功率的定义，一直很难应用到现实的测量仪器中去。这是因为，无功 功率是反映输电线路的额外损耗，不同频次之间谐波电流合成是各次谐波电流的均方 根值。所以不同频率的无功功率是不应正负抵消的，雨b u d e a n u 只是简单地把各次谐 波下的g 相加，每次谐波分量都含有不同的频率，且可能有不同的相角口。，因此， 陔和并不能表达出整个瞬时功率的可逆分量。虽然，每次谐波对应的g 都有其清晰 的物理意义，但它们之和q 却完全失去了其代表的物理意义。特别是当电源和负载 2 _ i n 存在着能量的交换，9 为非零时，而鲂却可能为零。这是b u d e a n u 公式在物理 概念上的主要缺陷。 假设角频率为的电压仅包含频率为n a b 的单一谐波，当该电压加在导纳为 圪= p 。峨的线性负载上时，则视在功率的平方为 s 2 ：u 2 ，2 ：u 2 ( 争) 2 + u 2 ( 争) 2 ( 2 1 2 ) u n u h 从( 1 2 ) 式可以看出，当每次谐波功率g 为零时，而不是q 8 为零时，s 达到最 小值。如果电源和负载之间存在着能量交换，则由( 警) 2 可知，视在功率将增大。 v n 即使幽为零时，电路中仍有可能存在能量交换。再看一下b u d e a n u 的功率公式 【，瑚i = p 2 + 鳊2 + d b 2( 2 1 3 ) 比较( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 两式可知，能量的交换不仅影响无功功率，而且还影响 到失真功率，这就意味着函、d 8 对视在功率的增加无明显的作用。所以，b u d e a n u 0 华中科技大学硕士学位论文 公式对提高功率因数没有实际意义。因为q _ 的变化也会影响到d b 的变化，所以对无 功功率的补偿并不明显影响视在功率的变化。 2 3 2 f r y z e 无功定义 f r y z e 关于无功定义是基于以下原理提出的。如果一个失真的电流产生一个电压， 那么有 l ( t ) = g “( f ) ( 2 1 4 ) 其中。一尺度系数。 它的物理概念是先用一个线性电阻来等值有功电流，而把余下的电流定义为无 功电流。在f 似“似含有谐波状况下，线性电阻的有功电流分量f 。的形状和“的形状 完全相似，其比例系数为g ，且在一个周期内i a m “的平均功率和粕“的平均功率 相等，从而可以确定有功电流分量屯m 的时间函数。而无功电流分量f 。是总电流i m 和有功电流i a ( t ) 之差。具体分析如下。 对于线性电阻，依定义可知它的有功电流和电压同形状， 即 i a ( ，) = g - ( 2 1 5 ) 有功功率p 为 p = 专r “乇出= 等f u 2 d t = g u 2 ( z - s ) 从而求出比例系数 g = 啬 ( 2 1 7 ) 其中u 为电压有效值。 电流可表示为 “) = f ，【n + 【，) 则无功电流表示为 f r ( ，】= “) 一f t n 因为正交则有 ，2 = l a 2 + i r 2 ，u 2 1 2 = u 2 z a 2 + u 2 l 2 则无功功率出可表示为 q f = u = u 2 ，2 一u 2 厶2 = s 2 一p 2 ( 2 1 8 ) 由上式可知：卧可以直接通过视在功率s 和有功功率p 来计算，而不需单独的 无功功率表，它和单频基波下无功功率q 的计算公式完全相同。可见由时域表示的无 功功率q ，并未产生新的计算公式，它只是完善地解释了在谐波状况下，原来单频基 华中科技大学硕士学位论文 波的全部公式依然有效，但赋予了崭新的概念。该公式的优点首先在于它完全符合不 同频次的有功功率可用代数法合成，而q f = d 是功率因数等于l 的标志，因为此时有 s = p 。其次，公式中的q p 定义没有进行傅立叶展开它容易被测量，在实际测量中也 很容易得到应用。再者，公式把单频和多频下的p 、q f 、s 三者的关系一致起来，谐 波治理和无功补偿的目的是统一的。该公式的缺点在于它没有如正弦波形下功率定义 那样明确的物理定义，不能提供能改善功率因数至何种程度的信息，不能反映负载的 情况。 在基于b u d e a n u 和f r y z e 的基础上，许多学者针对不同的情况，提出了自己的观 点。文献 1 0 1 运用最小能量传输损失( 或称最小做功能力损失) 的原则进一步在通用瞬时 有功功率的基础上确定了三相电路中三相电源与三相负载间流动的无功功率及三相 电路间流动的无功功率。它指出：“无功只在相间流动且三相瞬时有功功率之和为常 数”汉是三相电路在电源电压、负载电流为对称正弦波时的特例，但却不应该( 在很多 情况下也不可能1 成为非下弦及不对称三相电路中有功电流、无功电流的确定原则。在 非正弦及不对称电路中，无功不仅会在相间流动而且可能在作为一个整体的三相电源 与作为一个整体的三相负载间流动。 实际上，怎么定义无功功率并不重要，重要的是这个定义的物理意义要明确具 有一定的经济价值。它应该能够解释实际系统中的无功功率现象：适用于单相或多相、 对称或不对称及j 下弦或非正弦电路，且能被工程界理解和接受；能有利于制定谐波 和不对称电源的管理和收费的标准：能用实际计量设备实现对无功功率的检测；能被 用于谐波和无功功率的补偿，利于功率因数的提高。 以前我们关心无功，是因为我们关心电路内部与外部的能量交换过程；而现在， 我国的电力系统已进入大电网、超高压、大机组和远距离输电时代。我们更加关心的 是无功补偿问题。下面简要介绍一下有关无功补偿的理论。 2 4 无功功率补偿 2 4 1 无功功率补偿 在电力网中无功功率消耗是很大的，大约有5 0 的无功功率消耗在输、变、配电 设备上，5 0 消耗在电力用户上。为了减少无功功率消耗，就必须减少无功功率在电 网中的流动，对其进行补偿，即在需要消耗无功功率的地方补偿无功功率。我国低压 电网普遍存在着功率因数低、电压质量差、电能损耗大等问题。随着我国电气化铁路 华中科技大学硕士学位论文 的改造和地铁的建设，出现了电力机车这类冲击性大、不对称、流动性强的大功率动 态负荷，对电网的影响很大，易引起电网电压波动和闪变，降低了对其它用户的供电 质量。此外，我国钢铁产量已跃居世界第一，国内钢铁企业之间的竞争日趋激烈，因 而各钢铁集团都在进行技术改造和节能降耗，电弧炉由于有着良好的经济效益和技术 优越性，受到大家的普遍青睐，但电弧炉在熔炼初期电流极不稳定且三相不对称，对 整个系统的电气设备和经济安全运行构成了极大的威胁。综上所述，无功功率对电源、 电网及工矿企业内部供配电系统都有不良影响。从节约电能、改善变、配电设备利用 情况和提高电能质量等方面考虑，都必须设法减少负荷无功功率带来的不利影响，安 装无功功率补偿设备。 系统中大多数的网络元件和负载都需要消耗无功功率，这些无功功率必须从网络 中某个地方获得。显然，如果这些无功功率都要由发电机提供并经过长距离传送是不 合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功 率，这就是无功功率补偿。无功功率补偿在电力系统正常运行中，对满足无功功率就 地平衡、提供无功支持、提高系统的电压水平等方面都很有益处。它常用于局部区域 的无功调节和电压控制。目前国内补偿装置的装设地点一般分为三种方式：高压集中 补偿、低压分组补偿、分散就地补偿。 负荷中心安装足够容量的无功补偿设备，且保持着合理的无功备用，正常情况由 于负荷或其它扰动使无功功率的需求增加时，这一无功功率的支持，也就是通常浇的 无功功率就地平衡对维持系统的电压水平，对提高供电的电压质量是非常有益的。否 则，无功功率的需求的增加必须靠无功的远距离传输来平衡，势必造成一些区域的电 压水平下降，同时也增加了网络损耗。 2 4 2 无功功率补偿技术 1 ) 传统的无功功率补偿技术 ( 1 ) 基于发电机和同步调相机的无功功率补偿 发电机是最基本的无功功率电源。电力系统中大部分的无功需求，都是由同步发 电机供给的。利用同步发电机进相运行能力来吸收系统在低负荷期间超高压线路的部 分多余无功、防止电压过高是很有效的。 同步调相机是早期无功补偿的典型代表，又称同步补偿器，是一种专门为并联无 功补偿而设计的无功功率发电机，相当于空载运行的同步发电机。它的优点是可以双 向、连续地调节，有较大的过载能力，且完全可控。但由于同步调相机是旋转机械， 华中科技大学硕士学位论文 因此运行维护复杂、控制响应慢、投资费用和有功功率损耗较大、运行性能对安装地 点敏感，需要坚固的基础等。 ( 2 ) 基于并联电容器、串联电容器、并联电抗器的无功功率补偿 并联电容器可以永久地或用断路器连接至系统的某些节点上，发出无功功率，从 而减少无功功率在系统中的流动。有原理简单，投资小，运行经济，维护方便及容量 可任意选择的优点，但它只能成组投切，不能连续平滑调节、并且对系统中的谐波有 放大作用。 串联电容器是用来补偿输电线路的感抗，串联于长距离输电线上，用来减小电抗 值，缩短线路的电气距离，减少线路消耗的无功功率及提高有功功率输送极限。可以 安装在远离负荷的地方，能够改善系统的静态稳定性和暂态稳定性，运行性能与安装 地点的关系比较小，但要求过电压保护和次谐振滤波器，过载能力较小。 并联电抗器用于补偿线路电容，特别是用于限制空载或轻载时线路末端电压不要 过高。对于线路长度超过2 0 0 k i n 的超高压架空线路，通常需要并联电抗。对于超高压 输电线路，为了使线路轻载时电压为正常值，需要并联电抗器，或者把电抗器接在可 调变压器的低压侧。并联电抗器具有运行、操作简单的优点，但其具有电抗值无法改 变，不灵活，不能频繁操作的缺点。 ( 3 ) 基于静止无功补偿器( s v c ) 的无功功率补偿 十九世纪六十年代，在可控硅技术发展的基础上，提出了静止无功补偿技术。所 谓的静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出 无功电流的能力、提高电力系统的功率因数、稳定电压、抑制系统振荡等功能。 饱和电抗器( s r ) 静止无功功率补偿 饱和电抗器型补偿装置是静止无功补偿装置发展的第一种型式，也是在电力系统 中应用成功的一种型式。它主要由饱和电抗器和固定电容器组成。饱和电抗器可分为 自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种。 可控硅控制电抗器( t c r ) 静止无功功率补偿 可控硅控制电抗器型无功无补偿装置由六脉冲或十二脉冲可控硅控制的电抗器 和固定式并联电容器组组成。实际应用中一般都是将并联电容器与t c r 配合使用， 构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为t c r 与固定电容器配合使 用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 和t c r 与断路器投切电容器配合使用的静止无功补 偿器( t c r + m s c ) 。这种具有t c r 型的补偿器反应速度快，灵活陛大，目前在输电 4 华中科技大学硕士学位论文 系统和工业企业中应用广泛。 可控硅投切电容器( t s c ) 静止无功功率补偿 可控硅投切电容器型无功补偿装置只包含可控硅投切电容器组，将电容器组分为 许多相同容量的单元以达到分级控制的目的。它可以很好的补偿系统所需的无功功 率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。 t c r 和t s c 组合静止无功功率补偿 t c r t s c 组合型无功补偿装置是由两种可变的无功元件组成。它能对电容器组分 级变化提供平滑作