（电气工程专业论文）变电站电压无功控制研究与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t v o l t a g e q u a l i t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a r g e t so fp o w e rq u a l i t y i np o w e rs y s t e m r e a c t i v ep o w e rb a l a n c ei sa ni m p o r t a n tc o n d i t i o nt o e n s u r et h ev o l t a g eq u a l i t y v o l t a g ew i l lb ed e p a r t u r ei t sr a t i n gv a l u e i ft h i sb a l a n c ei sb r o k e n i nn o r m a lc o n d i t i o no fp o w e rs y s t e m ，l o s so fv o l t a g eh a sc h a n g e dw i t h t h eo p e r a t i o nm o d ec h a n g i n g s oi t i si m p o s s i b l et om a k ea l lu s e r sh a v e r a t e dv o l t a g ea ta n yt i m e i no r d e rt om a k et h ev o l t a g er e a c ht h e p r e s c r i p t i v es t a n d a r d ，c h a n g i n gt r a n s f o r m e rt a pa n dc a s t i n go rs h u t t i n g o f ft h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t sa r ea d o p t e d t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ec o n t r o lt h e o r yo fv o l t a g ea n dr e a c t i v e p o w e ri ns u b s t a t i o n s ，a n a l y z e st h em e a n st oa d j u s tv o l t g a g ea n dr e a c t i v e p o w e r t h ep r o b l e m so fc l a s s i c a ln i n er e g i o n sm a pt h e o r yw e r eg i v e n ， f r e q u e n t l a ya n dm i s t a k i n ga c t an e wt h e o r yo fs e v e n t e e nr e g i o n sm a pi s d e s i g e n i n gb yi m p r o v i n gc a l c u l a t i n gp r e c is i o na n dr e s p o n d i n gs p e e d c o m p a r i n gw i t hn o r m a lm e a s u r e m e n t s ，t h es u g g e s t e d o n e s c a ne f f e c t u a l r e d u c et r a n s f o r m e rt a po p e r a t i n gt i m e s ，r e d u c ev o l t a g eu n d u l a t i o n ，w h i l e h a v et h es a m ee f f e c to fr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ，s ot h ev o l t a g ew i l lb em u c h c l o s et oi t sr a t i n gv a l u e t h ep a p e ra l s od i s c u s s e dh o wt oi n t e g r a t e d t h er e a c t i v ep o w e rr e g u l a t i n gf u n c t i o ni n t ot h es u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e mi nd e t a i l k e yw o r d s ：s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r c o n t r o l ，v o l t a g er e g u l a t i o n ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用釉容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：、至鎏挞丝e l 期：丝望! 互! 坐 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编 本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：磊婵导师签名：拙 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着国民经济的快速增长，电力负荷不断增加，同时由于峰谷用电负荷差也 越来越大，加之负荷中感性负荷的比例很大，致使电压波动大，系统无功功率消 耗大。在电能的传输和分配的过程中，每年都造成了数量可观的电能损失。电能 质量的好坏不仅与工农业生产的产品质量和产量密切相关，而且与电力系统的安 全、可靠运行直接相关。如何有效减少电力系统网损，向用户提供可靠、优质、 经济的电能，是关系到国家节约能源、减少开支、提高人民生活质量的重要问题。 电压是电力系统电能质量的重要指标之一，而系统的无功平衡是保证电压质 量的重要条件；系统中各种无功电源的无功出力应满足系统所有负荷和网络损耗 的需求，否则电压就会偏离额定值。由于各种电气设备都是按额定电压设计和制 造的，只有在额定电压下运行，电气设备才能获得最佳的效益和性能。当电压偏 低时，系统中的功率损耗和能量损耗加大，电压过低时，还可能危及系统运行的 稳定性，甚至引起电压崩溃；而电压过高时，各种电气设备的绝缘可能受到损害， 甚至直接损坏设备。 变电站是联系电力系统供需双方的重要部门，其运行既要保证用户侧电压合 格，又要保证进线侧功率因数符合系统规定。保证变电站用户端的电压水平接近 额定值，对提高全网电压质量有着重要意义，因此变电站电压无功控制成为保障 电压质量和无功平衡、提高电网可靠性和经济性必不可少的措施。 变电站的有载调压变压器可以在带负荷条件下切换分接头。从而改变变压器 的变比，可以起到调整电压降低损耗的作用，而合理地配置无功功率补偿容量， 可改变网络中的无功潮流分布，改善功率因数，减少网损和电压损耗，从而改善 用户端的电压质量。 变电站电压无功控制的实现就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电压无功控制 的主要设备。如何有效地调整有载调压变压器分接头和投切并联电容器，控制系 统电压在一范围内的基础上，改善功率因数，减少无功在电网里的流动，实现无 功就地平衡，降低电能损耗，达到提高电压质量和经济运行的目的，是电力系统 中变电站控制和管理迫切需要解决的问题之一。 本文将从降低网损和提高变电站自动化运行水平的角度讨论变电站的电压 无功控制问题。 山东大学硕士学位论文 1 2 目前主要存在的问题 1 2 1 变电站电压无功控制策略 研究变电站电压无功控制的核心是控制策略的选择。合理的选择控制策略， 可以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。 目前，我国系统中电压调整常采用以下2 种方法：一是调整有载调压变压器 分接头的位置，改变变压器的变比；二是投切并联电容器组进行无功补偿。电压 无功控制方面还存在如下问题： 1 、 两种措施虽然都有调整电压的作用，但其原理作用和效果是不同的， 在利用有载调压变压器分接头进行调压时，调压措施本身不产生无 功功率。因此在整个系统无功不足的情况下不可能用这种方法来提 高全系统的电压水平。而利用补偿电容器进行调压，由于补偿装置 本身可产生无功功率，因此这种方式既能弥补系统无功的不足，又 可以改变网络中的无功分布，然而在系统无功充足但由于无功分布 不合理，而造成电压质量下降时，这种方式却又是无能为力的，因 此只有将两者有机的结合起来，才有可能达到良好的控制效果； 2 、 在传统的控制方式下，这两种控制方式是运行人员根据系统调度部 门下达的电压无功控制计划，根据运行情况进行调整的。这不仅增 加了值班人员的劳动强度，而且人为去判断、操作，很难保证调节 的合理性、难以达到最优的控制效果。 随着无人值班变电站的建立和计算机技术在变电站控制系统中的广泛应用， 这种传统的调节方式显然难以适应。为了提高电压合格率和降低能耗，目前各种 电压等级的变电站中普遍采用了电压无功综合控制器，就是在变电站中利用有载 调压变压器和并联电容器组。 基于变压器分接头调节和无功补偿设备( 电容器或电抗器等) 投切的变电站 电压无功控制装置( v q c ) ，已成为保证电压质量和无功平衡，提高电网可靠性和 经济性的必不可少的措施，已在我国电网中得到了广泛的应用。从总体上，这些 v q c 装置的运行很大程度上减轻了值班人员的工作，也避免了一些因人为疏漏而 引起的误操作3 。其原理基本上大多采用传统9 区域图，其运行方式一般都是根 据实时数据判断当前的运行区域，然后根据一定的动作策略，闭环地控制站内无 功补偿设备的自动投切及有载调压变压器的自动调压。 2 山东大学硕士学位论文 这些v q c 控制装置中，由于其控制策略末充分考虑无功调节与电压的相互协 调关系和变电站负荷的变化规律，易发生调节设备的误动作和频繁操作。另外， 当系统运行情况、网络结构等发生变化，需要修改整个程序，工作量大。面对电 压及负荷变化范围大、运行方式复杂的l l o k v 及以上无人值守变电所，如何自动 地适应变电所负荷的变化，以最小的控制时间实现电压无功的优化目标，同时义 避免分接头及无功补偿设备的频繁动作，就成为目前v q c 所要解决的重要问题。 1 2 2 电压无功控制( v o c ) 装置 微机型电压无功控制装置已经应用于我国各种电压等级的变电站中，并达到 了相对较好的控制效果。自8 0 年代末9 0 年代初，微机型控制装置投运以来，在改 善电压质量和降低网损等方面起到了积极作用，并获得了良好的推广。但在运行 过程中也发现了一些不足和值得完善的地方，特别是进入9 0 年代中期后，随着变 电站自动化水平的提高，原有的电压无功调节装置普遍存在以下一些问题： 1 、原有的v o c 装置普遍存在结构复杂、互换性差、体积大等特点。不仅装 置本身生产、调试工作量大，而且现场运行可靠性相对较差； 2 、原有电压无功调节装置均以控制对象数量较小，大部分是以2 台有载调 压变压器和两段母线上并接的并联电容器组作为控制对象，难以适应新建大型变 电站3 台以上的有载调压变压器和3 - - , 4 段以上i o k v 母线的电压、无功控制要求； 3 、原有v q c 装置普遍精度不高，在故障识别和处理能力上较差，没有故障 顺序记录功能，也不具备相应的运行情况的统计功能； 4 、原有v q c 装置对电压、无功缺乏综合控制，容易造成系统冲击，在负荷 波动较大时，难以及时准确的进行电压调整和无功控制； 5 、原有v q c 装置控制原理简单，在负荷波动情况下，分接开关动作频繁， 未能实现按电压负荷变化曲线进行有效控制的目的； 6 、原有v q c 装置不具备通信功能，难以适应变电站只能设备联网运行的要 求，也难以适应区域电网电压、无功综合优化控制的要求。在变电站运行管理逐 步实行之后，集控站或调度自动化系统主站端难以及时了解v q c 装置本身以及被 控设备和操作机构的运行情况，难以实行远方参数的设置和定值的修改；特别是 近几年微机保护的广泛应用，原来为v q c 提供接点的继电器换成了综合自动化装 置，不能再提供闭锁、位置、控制等信号给v q c 装置。 1 3 本文的主要工作 本文在充分讨论电力系统变电站电压无功控制原理的基础上，列举分析了目 山东大学硕士学位论文 前变电站电压无功控制的原理方法，从使用较多的基于传统的九区图的v q c 装 置的原理出发，分析了它存在的问题，并在国内外电压无功策略的研究上，从加 强控制响应的计算精度、九区图策略改进、新控制策略的采用等方面探讨了变电 站电压无功控制的改进策略，最后以两种v q c 实现方式简要说明了v q c 功能开发 工作。 4 山东大学硕士学位论文 第二章无功功率和电压调整 2 1 无功功率负荷和无功功率损耗 2 1 1 无功功率负荷 各种用电设备中，除相对很小的白炽灯照明负荷只消耗有功功率、为数不多 的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多数都要消耗无功功率。因此，无论 工业或农业用户都以滞后的功率因数运行，其值大约为0 6 - - 0 9 。其中较大的 数值对应于采用大容量同步电动机的场合。 无功功率负荷曲线的变化规律虽然大体与有功功率相似，也并非完全一致。 其最大值可能出现在白天而不是傍晚，原因在于，系统总负荷的成分昼夜间各不 相同。白天，工业用电比重大；傍晚生活用电等比重将会增加，而二者的功率因 数不同。大致可认为，如白天和傍晚有功功率负荷的峰值大致相等，白天无功功 率负荷的峰值将大于傍晚；反之，白天有功功率负荷的峰值远小于傍晚，白天和 傍晚无功功率负荷的峰值将大致相等。 但无论是电力系统的运行和设计部门，一般都不编制无功功率负荷曲线而只 编制无功功率平衡表或各枢纽点电压曲线。而且，这些表格或曲线也只是隔一段 时间制作一次。对无功功率管理之所以与对有功功率管理不同，原因仍是无功功 率和有功功率本身性质的不同。 2 1 2 变压器的无功功率损耗 变压器中的无功功率损耗分为两个部分：励磁支路损耗和绕组漏抗中的损 耗。其中励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流1 0 的百分值即1 2 ；绕 组漏抗中的损耗，在变压器满载时基本上等于短路电压u k 的百分值约为1 0 。 因此对于一台变压器或一级变压的网络，变压器中的无功功率损耗并不大，满载 时约为额定容量的百分之十几。 但对多电压级网络，变压器中的无功功率损耗就相当可观。以一个五级变压 的网络为例，设电厂中1 0 2 2 0 k v 升压，网络中2 2 0 1 1 0 、1 l o 3 5 、3 5 1 0 、1 0 0 4 k v 降压至用户负荷电压，典型的计算结果表明： 5 山东大学硕士学位论文 表2 - 1 ：五级电压电力系统中无功功率的损耗 所有变压器满载 所有变压器半载 变压器的励磁支路损耗 7 7 变压器绕组漏抗中损耗 5 0 1 2 5 变压器中总损耗 5 7 1 9 5 变压器损耗变压器负荷 5 7 1 0 0 3 9 1 0 0 由此可见，系统中变压器的无功功率损耗占相当大的比例，较有功功率的损 耗要大得多。 2 1 3 传输线路上的无功功率损耗 电力线路上的无功功率损耗也分为两部分：并联电纳和串联电抗中的无功功 率损耗。并联电纳中的这种损耗通常也成为充电功率，与线路电压的平方成正比， 呈容性。串联电抗中的损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。因此线路作为电 力系统中的一个元件其消耗的容性无功功率或感性无功功率无法确定，可作一大 致估计：当通过线路输送的有功功率大于自然功率时，线路将消耗感性无功功率； 当通过线路输送的有功功率小于自然功率时，线路消耗容性无功功率。高压线路 存在着对地的电容，线路充电后电容可以发出一定的无功功率，线路导线存在电 感，线路通过电流会消耗一定的无功功率，当线路输送有功功率达到某个值的时 候，此时线路消耗和产生的无功正好平衡，此时输送的功率就称为自然功率，自 然功率和线路的电压等级、线型、补偿装置的配置都有关系。一般情况下，通过 1 l o k v 及以下线路输送的功率往往大于自然功率；通过5 0 0 k v 线路输送的功率大 致等于自然功率；通过2 2 0 k v 线路输送的功率则因线路长度而不同，线路较长时 小于自然功率，线路较短时大于自然功率。 2 2 无功功率电源 2 2 1 发电机 同步发电机既是有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。发电机在以低 于额定的功率因数运行时，发电机的视在功率应取决于励磁电流不超过额定值的 条件，从而将低于额定值s 。 发电机以高于额定功率因数运行时，励磁电流的大小不再是限制条件，但其 原动机功率又成了限制条件，因与发电机配套的原动机功率总和约略与其额定有 功功率p n 相等。 6 山东大学硕士学位论文 系统中有功功率备用容量较充裕时，可使靠近负荷中心的发电机在降低有功 功率负荷的条件下运行。这时，发电机的视在功率虽较额定值小，可利用的无功 功率却较在额定有功负荷下大。 2 2 2 电容器和调相机 并联电容器补偿是目前应用最广的一种调压方式。可永久或通过断路器连接 至系统某些节点上。当系统无功不足时，补偿装置要尽量装在无功负荷中心，做 到无功功率就地平衡。通常小容量的、分散的、用户的无功补偿采用电容器：大 容量的、系统中枢点的无功补偿采用调相机或兼用调相机和电容器。与调相机相 比，并联电容器的优点是：投资省、运行经济：结构简单、维护方便；容量可任 意选择、适应性强。缺点是：不能连续调节：负荷的调节特性较差；对系统中的 高次谐波有放大现象，在谐波电流过大时可能会引起爆炸。 调相机确切的说是一种不带机械负载的可以过励磁( 经常的运行状态) 或欠 励磁( 较少的运行状态) 运行的同步电动机。调相机同并联电容器一样装设在枢 纽变电站，但与并联电容器相比，它的优点是：可双向连续调节；能独立的用调 节励磁的方法调节无功功率；具有较大的过负荷能力。缺点是：设备投资高，起 动、运行、维修复杂；动态调节效应慢；不适应太大或太小的补偿；只能用于三 相平衡的补偿；增加系统短路容量等。目前我国电力系统的一些枢纽变电站虽都 装有调相机，但可以预测其与静止补偿器控制系统相比，它的应用前景低于后者。 2 2 3 静止补偿器和静止调相机 静止补偿器的全称为静止无功功率补偿器( s v c ) ，有各种不同型式。目前常 用的有晶闸管控制电抗器型( t c r 型) 、晶闸管开关电容器型( t s c 型) 和饱和电 抗器型( s r 型) 三种，不论何种型式的静止补偿器，它们之所以能作无功功率 电源产生感性无功功率，依靠的仍是其中的电容器。而电容器所能产生的感性无 功功率则与其端电压的平方成正比。因此当系统电压水平过于低下，迫切需要补 偿器增加其感性无功功率输出时，补偿器往往无法增加，这是作为无源元件的静 止补偿器所无法克服的缺陷。 2 2 4 并联电抗器 就感性无功功率而言，并联电抗器显然不是电源而是负荷，并联电抗器调压 主要是用在超高压( 3 3 0 k v 及以上) 系统的线路上。它并联在线路末端或中间， 轻载或空载线路上过剩的无功功率，以防止超高压系统线路在空载充电或轻负荷 7 山东大学硕士学位论文 时末端电压过高。而对高压远距离输电线路而言，它还有提高输送能力、降低过 电压的作用。 2 3 无功功率的平衡 系统中无功功率的平衡关系如式2 - 1 所示： 一q 一绞= 0 ( 2 1 ) 式2 - 1 中，电源供给的无功功率q 由两部分组成，即发电机供给的无功功 率q 6 和补偿设备提供的无功功率q 。，而补偿设备供应的无功功率又分调相机供应 的q 。、并联电容器供应的q c ：和静止补偿器供应的q c 3 三部分。因此： 如= + q c = q g + q c 。+ q c ：+ q c ， ( 2 2 ) 式2 - 1 中，负荷消耗的无功功率q 。可按负荷的功率因数计算，未经改善的 负荷功率因数一般不高，仅达到0 6 - - 0 9 ，也就是说负载消耗的无功功率约为 其有功功率的o 5 1 3 倍。无功功率损耗姨包括三部分：变压器中的无功功 率损耗绋，线路电抗中的无功功率损耗级和线路电纳中的无功功率损耗q ， 因此绫可分解为： 醯= g + q 一q ( 2 3 ) 进行无功功率计算的前提是系统的电压水平正常，如不能在正常电压水平下 保证无功功率的平衡，系统的电压质量总不能保证。 2 4 电力系统电压调整的必要性 电力系统的电压和频率一样也需要经常调整。由于电压偏移过大时会影响工 农业生产产品的质量和产量、损坏设备甚至引起系统性的电压崩溃，造成大面积 停电。 系统电压降低时发电机的定子电流将因其功率角的增大而增大。若电流原己 达到额定值，则电压降低后，将使其超过额定值，为使发电机绕组不致过热，不 得不减少发电机所发功率。相似的，系统电压降低后，也不得不减少变压器的负 荷；当系统电压降低时各类负荷中占比重最大的异步电动机的转差率增大，电动 机各绕组中的电流将增大，温度升高同时效率降低，缩短电动机的使用寿命，而 且某些电动机驱动的生产机械的机械转矩与转速的高次方成正比，转差增大、转 速下降时，其功率迅速减少。而发电厂用电动机组功率的减少又将影响锅炉、汽 轮机组的工作，影响发电厂所发的功率；系统电压降低时电动机的起动过程增长， 电动机可能在起动过程中因温度过高而烧毁。 8 山东大学硕士学位论文 系统电压过高将使所有电气设备绝缘受损。而且变压器、电动机等的铁芯要 饱和，铁芯损耗增大、温升增加、寿命缩短。 因系统中无功功率短缺，电压水平低下，某些枢纽变电所母线电压在微小扰 动下顷刻之间的大幅下降，即“电压崩溃 ，则更是一种导致发电厂之间失步， 系统瓦解的灾难性事故。 总之，电力系统的电压调整是一种很基本的、很重要的行为。 2 5 调整电压的措施 2 5 1 改变发电机端电压 在各种调压手段中，首先应考虑调节发电机端电压，因这是一种不需耗费投 资而且最直接的调压手段。 现代的同步发电机可在额定电压的9 5 1 0 5 范围内保持以额定功率运行，在 发电机不经升压直接用发电机电压向用户供电的简单系统中，如供电线路不很 长，线路上电压损耗不很大，一般就借调发电机励磁，改变其母线电压、使之实 现逆调压以满足负荷对电压质量的要求。 发电机经多级变压向负荷供电时，仅借发电机调压往往不能满足负荷对电压 质量的要求。 2 5 2 改变变压器变比 双绕组变压器的高压绕组和三绕组变压器的高、中压绕组往往有若干分接头 可供选择。变压器的分接头从而变比即可选择，合理的选择变压器分接头也可调 整电压。 例如，可有u n 5 或u n 4x2 5 ，即可有三个或九个分接头供选择，其 中，对应于u n 的分接头常称“主接头 或“主抽头 。目前，变电站采用的绝大 部分变压器都是有载调压变压器。通过自动调节分接头位置可使低压母线实际电 压满足对调压的要求。 一般，如系统中无功功率不缺乏，凡采用普通变压器不能满足调压要求的场 合，诸如由长线路供电的、负荷变动很大的、系统间联络线两端的变压器以及某 些发电厂的变压器，采用有载调压变压器后都可满足调压要求。 9 山东大学硕士学位论文 2 5 3 补偿设备调压 以上介绍的调压措施只能适用于系统中无功功率可以平衡或具有一定的无 功功率储备的场合。如果系统中的无功功率不够充裕时，就需要考虑采用补偿设 备进行调压。补偿设备大体可分为两类：串联补偿和并联补偿。所谓并联补偿指 调相机、静止补偿器和并联电容器等并联在主电路中的补偿设备。他们主要起供 应感性无功功率的作用。所谓串联补偿则是指串联在主电路中的电容器，串联补 偿电容器的作用主要在抵偿线路的感抗。 并联补偿设备虽有调相机、静止补偿器、电容器之分，他们的作用却都是在 重负荷时发出感性无功，补偿负荷所需，以减少由于输送这些感性无功功率而在 线路上产生的电压降落，提高负荷端电压。具体的调节方式则因不同的补偿设备 而异。 并联电容器不能调节，只能分组切除以改变其供应的感性无功功率。 调相机的调节方式是借改变其励磁电流改变其供应或吸取感性无功功率。端 电压为定值时，这无功功率与励磁电流之间有线性关系。 静止补偿器中，直流助磁饱和电抗器型的调节方式是借改变直流助磁电流改 变电抗器吸取的感性无功功率，从而改变补偿器供应或吸取的感性无功功率。可 控硅控制电抗器型的调节方式则是借改变可控硅的控制角，改变电抗器吸取的无 功功率，从而改变补偿器供应或吸取的感性无功功率。 2 - 5 4 几种调压措施的比较 在各种调压手段中，应首先考虑利用发电机调压，因为这种措施不用附加设 备从而不需附加投资。变压器的变比或分接头虽可选择或改变，但一般只能在变 压器退出运行的条件下才能作这种改变。因此，作为经常性的调压措施，所谓借 改变变压器的变比调压，只能理解为采用有载调压变压器或串联加压器。而采用 串联加压器时，需附加设备。 对无功功率供应较充裕的系统，采用各种类型有载调压变压器调压显得灵活 而有效。系统间联络线上装设串联加压器后可使两个系统的电压调整互不影响， 即可以作到所谓分散调压。中低压配电网络则因线路电阻较大，借改变无功功率 分布调压效果不显著，往往不得不采用装有有载调压开关的有载调压变压器。 在需要附加设备的调压措施中，对无功功率不足的系统，首要问题是增加无 功功率电源，因此以采用并联电容器，调相机或静止补偿器为宜。而且采用任何 并联补偿设备都还可降低网络中的功率和能量损耗。 作为调压措施，串联补偿电容器由于设计、运行等方面的原因目前应用的还 1 0 山东大学硕士学位论文 ! i n i 一一 i n 皇曼曼曼曼曼曼舅 不很广泛。 最后应指出，为合理选择调压措施，应进行技术经济比较。所选措施不仅应 技术上优越，可完全满足调压要求，而且要有最优的经济指标。 2 6 电力系统无功功率补偿 2 6 1 无功功率控制重要性 随着我国各种产业的迅速发展，现代电力系统规模日益扩大，因此，对电网 运行的可靠性要求越来越高。改善电网运行质量，提高电网功率因数、减少网络 损耗是一件十分重要的工作。在电力负荷中，有相当一部分属于感性负荷，这些 负荷投入运行之后除了消耗大量的有功之外还要吸收大量的无功。根据有关资料 分析，电力系统的无功负荷约为有功负荷的1 3 倍。大量的无功如果完全由发电 厂来提供，就会使用户功率因数降低，其结果造成线路有功损失加大，用户电压 降低，电力设备得不到充分利用。当整个系统无功严重缺乏时，还会使整个电力 系统崩溃。我们知道，无功功率增加将使视在功率增加，从而使流过供电系统的 电流增加，这将对系统产生如下影响：( 1 ) 总电流增加会使电力系统的元件容量 增大，因而使投资费用增大；( 2 ) 在传输同样有功功率情况下，总电流动增大， 使设备及线路的损耗增加；( 3 ) 线路及变压器的电压损失增大：( 4 ) 对电力系统的 发电设备来说，无功电流动增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如 过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。此外，无功功率的增加，会导 致原动机效率达相对降低。显然，这些无功功率如果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安装无功补偿设备。 2 6 2 无功功率补偿原则 为节约能源，提高电力系统的可靠性和供电质量，电力部门要求各变电站， 各电力用户加装无功补偿设备。在各级电网中合理进行无功补偿，可提高供电网 的运行电压，减小电能损耗，挖掘供电设备的潜力。合理选择无功补偿方式的原 则是：( 1 ) 减少无功功率流动，实行就地补偿的原则；( 2 ) 分级补偿原则，集中装 设与分散装设相结合，分散补偿为主，全面规划；( 3 ) 防止在低负荷情况下过补 偿，即向电网倒送无功功率。 山东大学硕士学位论文 2 6 3 无功功率补偿手段 2 6 3 1 并联电容器组 设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统手段之一。由于其结构简单、经 济方便等优点，在国内外得到了广泛的应用。并联电容器补偿无功功率的方式按 其安装的位置不同，通常有三种：( 1 ) 变电站集中装设电容器组；( 2 ) 低压负载的 就地补偿；( 3 ) 用户集中装设低压电容器组，用户的低压母线上装设能自动投切 的并联电容器成套补偿装置。 投切电容器目前并无统一的准则。根据实践经验，可有下述五种方法：( 1 按母线电压的高低投切；( 2 ) 按无功功率方向投切；( 3 ) 按功率因数大小投切；( 4 ) 按负载无功电流大小投切；( 5 ) 按昼夜时间划分投切。 并联电容器传统的方法是用机械开关投切电容的，所以它不能快速跟踪负荷 无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系统的发 展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。 2 6 3 2 调相机 它实际上是不带机械负荷，空载运行的同步电动机。它从电网中吸取少量有 功功率供应给运转时的机械损耗和铜、铁等损耗。同步调相机有过激和欠激两种 运行方式：过激运行时，向系统提供感性无功功率，为无功电源，这是一种经常 的运行状态：欠激运行时，则从系统中吸收感性无功功率，成为无功负荷，这是 在系统负荷比较轻，无功功率过剩，电压过高时的特殊运行状态。只要改变同步 调相机的励磁，就可以平滑的改变它的无功功率的大小及方向，因而可以平滑的 改变所在地区的电压。5 0 年来，同步调相机在电压和无功控制中发挥了重要作 用。由于其自身的优点，即在系统电压下降时，靠维持或提高本身的出力，可以 给系统提供紧急的电压支持，所以至今仍在高压输电系统中发挥着重要作用。但 由于体积大、噪声高、维护不方便、造价高等原因，目前在中、低压输电区域， 大部分己被并联电容器组取代。 1 2 山东大学硕士学位论文 ! _ i m , 1 1。i ；i - - i 舅 第三章电力系统电压无功控制 随着电网结构的日益复杂，电压等级的不断提高，各种用电设备接入电网消 耗了大量的无功功率，无功功率不足和电压波动大的问题日益突出，这时仅仅依 靠发电机的自动电压无功调节器进行无功补偿已远远不够，必须增强电网本身的 调控能力。 变电站是实现无功分散控制和就地补偿的理想场所。通过对变电站无功功率 的就地平衡能很好的保证电压质量，因此研究变电站的电压无功控制具有重要的 意义。 目前我国在许多变电站中都装设了有载调压变压器和无功补偿并联电容器 组等设备，电压质量有了有效的改善。然而很多变电站仍然采用调度值班人员手 动调节的方法，不能及时跟踪无功负荷的变化，不能始终保持电压和无功所要求 的指标，电容器补偿也达不到应有的经济技术效益，不能充分发挥设备的潜力。 因此，国内外的学者和厂家提出了很多电压无功综合控制的方法，研制了很多相 应的自动控制装置。而且随着变电站综合自动化的发展，电压无功综合自动控制 装置也不断发展成为变电站综合自动化中的一个重要组成部分。 3 1 电压和无功综合控制目标 电力系统中，电压和无功功率的调整对电网的输电能力、安全稳定运行水平 和降低电能损耗有极大的影响。因此要对电压和无功功率进行综合调控，保证实 现包括电力部门和用户在内的总体运行技术指标和经济指标最佳，具体的调控目 标如下： 1 、维持供电电压在规定范围内。根据电力系统电压和无功电力技术导则 中的规定，各级供电母线电压的允许波动范围：5 0 0 ( 3 3 0 ) k v 变电所的2 2 0 k v 母线：正常时o + 1 0 ；事故时一5 + 1 0 。2 2 0 k v 变电所的3 5 - - - , 1 l o k v 母线： 正常时一3 + 7 ；事故时1 0 。配电网的1 0 k v 母线：1 0 o 1 0 7 k v 。 2 、保持电力系统稳定和合适的无功平衡。主输电网络应实现无功分层平衡； 地区供电网络应实现无功分区就地平衡的原则，才能保护各级变电所母线电压 ( 包括用户入口电压) 在导则的规定范围内。 3 、保证在电压合格的前提下使电能损耗最小。为了达到以上目标必须增强 山东大学硕士学位论文 对无功功率和电压的调控能力，充分利用现有的无功补偿设备和调压设备的作用 对它们进行合理调控。 3 2 电力系统电压无功综合控制方式 在变电站中，对电压和无功的综合控制，主要是自动调节有载调压变压器的 分接头位置和自动控制无功补偿设备( 电容器、电抗器和调相机等) 的投切或控 制其运行工况。通过对变电站内相关设备的控制来达到电压调整的目的，具体的 控制方式可以分为以下三种方式： 3 2 1 集中控制方式 集中控制是指在调度中心对各个变电站的主变压器的分接头位置和无功补 偿设备进行统一控制。理论上，这种控制方式是维持系统电压正常，实现无功优 化控制，提高运行可靠性和经济性的最佳方案，但它要求调度中心必须具有符合 实际的电压和无功实时优化控制软件，而且对各变电站要有高可靠性的通讯通 道；在各变电站最好要有智能执行单元。但在我国目前各变电站的基础自动化水 平层次不一的情况下，实现全系统的集中优化控制存在较大的难度。现在一些地 区的调度中心，虽然也自称对电压和无功可以实现集中控制，但实际上多数只是 由操作员通过r t u 执行机构进行远方手动操作，既不能实现自动优化控制，也增 加调度员负担，这是目前集中控制普遍存在的一个问题。 3 2 2 分散控制方式 这是我国当前进行电压、无功综合控制的主要方式。分散控制是指在各个变 电站或发电厂中自动调节有载调压变压器的分接头位置或其它调压设备，以控制 地区的电压和无功功率在规定的范围内。分散控制是在各发电厂、变电站独立进 行的，它可以实现局部地区的优化，对提高变电站供电范围内的电压质量和降低 局部网络和变压器的电能损耗，减少值班员的操作是很有意义的。 3 2 3 关联分散控制方式 电力系统是个复杂的互联系统，其潮流是互相关联的。电压水平是电力系统 稳定运行的一个重要因素，在电力系统运行调度中，往往需要监视并控制某些中 枢点电压和无功功率，使其维持在一个给定的范围内。如何维持这些中枢点的电 压有多种调控决策需要选择。对各个变电站来说，也有各自的优化控制方案选择 1 4 山东大学硕十学位论文 问题，同时还必须考虑许多实际问题。例如一个2 2 0 k v 变电站，要使其1 l o k v 侧 母线电压调整至规定范围内，方法有多种，例如调整分接头位置或投切补偿电容 器都可改变l l o k v 母线电压。必须通过判断和综合分析比较变电站的运行方式、 运行参数、分接头当前位置和各组电容器的投切历史以及低压侧母线的电压水 平、负载情况，才能选择最好的调节决策进行调节。这些调节方案的选择如果集 中由调度中心的计算机负责必然会造成软件复杂，而且不可能对各变电站因地制 宜地考虑得那么细致，因此最好的控制方式是采用关联分散控制。 关联控制是指电力系统正常运行时，由分散安装在各发电厂、变电站的分散 控制装置或控制软件进行自动调控，调控范围和定值是从整个系统的安全、稳定 和经济运行出发，事先由电压、无功优化程序计算好的，而在系统负荷变化较大 或紧急情况或系统运行方式发生大的变动时，可由调度中心直接操作控制，或由 调度中心修改下属变电站所维持的母线电压定值和无功功率定值，以满足系统运 行方式变化后新的要求。因此关联分散控制最大的优点是：在系统正常运行时各 关联分散控制器自动执行对各受控变电站的电压、无功调控，做到责任分散、控 制分散、危险分散；紧急情况下执行应急程序，因而可以从根本上提高系统的可 靠性和经济性。为达到此目的，就要求执行关联分散控制任务的装置除了要具有 齐全的对受控站的分析、判断和控制功能外，还必须具有强的通讯能力和手段。 正常运行情况下能把控制结果向调度中心报告，系统需要时能接收调度中心下发 的命令，自动修改和调整定值或停止执行自己的控制规律，而作为调度下达调控 命令的智能执行单元。对调度中心而言，必须具备应急控制程序。 3 3 变电站电压无功综合控制原理 电力系统长期运行的经验和研究表明，造成系统电压下降的主要原因是系统 的无功功率不足或无功功率分布不合理。所以对发电厂来说主要的调压手段是调 整发电机的励磁；在变电站主要的调压手段是调节有载调压变压器分接头位置和 控制无功补偿电容器。少数2 2 0 k v 以上的高压和超高压变电站装有调相机或静止 无功补偿器，有的变电站既装有并联电容器也装有并联补偿电抗器。 有载调压变压器可以在带负荷的情况下切换分接头位置，从而改变变压器的 变比，起到调整电压和降低损耗的作用。控制无功补偿电容器的投切可改变网络 中无功功率的分布，改善功率因数，减少网损和电压损耗，改善用户的电压质量。 以上两种调控措施都有调整电压和改变无功分布的作用，但它们的作用原理 和后果有所不同。利用改变有载调压变压器的分接头位置进行调压时，调压措施 本身不产生无功功率，但系统消耗的无功功率与电压水平有关，因此在系统无功 山东大学硕士学位论文 功率不足的情况下不能用改变变比的方法来提高系统的电压水平，否则电压调的 越高，该地区的无功功率缺额越大，甚至导致恶性循环。所以在无功功率不足的 情况下，必须利用补偿电容器进行调压，投入补偿电容器既能补充系统的无功功 率，又可以改变网络中的无功分布，从而又有利于系统电压水平的提高。因此必 须把调分接头和投切电容器组结合起来进行合理的调控，才能起到既改善电压水 平，又降低网损的效果。 3 4 常用变电站电压无功控制策略 有载变压器和并联电容器组是变电站电压无功控制的主要设备。变电站电压 无功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。研究变电站电压无功控制的核心是控制策略的选择。合理的选择控制 策略，可以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。 根据电压、无功潮流的变化，利用并联补偿电容器，配以有载调压变压器进 行电压无功的综合调控是目前我国变电站主要的调压方式n 。2 1 。从控制理论角度 上讲，变电站电压无功控制是一个多限值( 包括主变分接头开关日调节次数、电 容器日投切次数、电压上下限、功率因数( 无功) 上下限、有功功率上下限、用 户特殊要求) 、多目标( 电压合格、功率因数最高) 的最优控制问题。 基于变压器分接头调节和电容器投切，国内外提出了不少自动控制方法，较 典型的有以下几种。 1 、按功率因数或电压高低调节 根据用电网功率因数或电压的变化自动投切电容器组，使功率因数维持 在某一整定的范围内，实现无功补偿。这种方法简单、易行，但未考虑变压器分接 头的调节，无功补偿效果较差。 2 、基于人工智能的动态规划方法 通过人工智能的方法，寻找一组变压器分接头和电容器组投切量变量， 使得目标函数有最优解： j = xl v i + x p f + x 。印+ x 。 其中xi v i 为实际电压对额定电压的偏移量： x 。，为无功( 功率因数) 的偏移量：x 。坤为变压器分接头 动作的次数：x 。为电容器组投切动作的次数。 同时，满足不等式约束条件： a 丁乙 ：一天内变压器分接头动作次数之和应不大于限定值： 1 6 山东大学硕士学位论文 曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼鼍曼曼曼舅曼鼍曼曼皇量曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼皇曼皇曼量曼鼍曼曼量璺皇曼皇曼曼i 曼曼曼詈曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼皇曼 b 肥：一天内电容器投切次数之和应不大于限定值： c 1 vm i n i v i vm a x i ：实际电压不大于最大值、不小于最小值： d 1 只l ：功率因数不小于限定值。 由于国内的计算机水平、数据库技术、状态估计、通信、实时监控等软硬件 技术仍有待发展，至今尚无成熟的适用于我国电力系统的全网智能动态规划系 统。目前在工程中使用较多的为九区图控制法。 3 、按传统九域图法实现电压无功控制 按电压和无功上下限值将电压一无功平面划分为9 个区域，各个区域对应不 同的控制策略。实际运行时，系统根据电压、无功运行的区域采取相应的控制方 法。 u 图3 - 1 ：经典九域图 上图的传统经典九域图，也叫九区图或“井”字图，其控制规律为：调节主 变分接头及投切电容器组，使主变尽量运行于区域9 。在另外八个区域调节控制 中，如果纯电压偏差，无功功率正常( 第4 、8 区域) 就只调电压；单纯无功功率越 限，电压正常( 第2 、6 区域) 就只投退电容器；如果电压和无功均越限，若先调分 接头升降电压，会造成无功功率越限得更多时( 第1 、5 区域) 应先调无功功率为原 则，后根据具体情况再调分接头；同理对于( 第3 、7 区域) 应先调分接头再投切电 容器。这种方法简单、易行，被许多变电站采用，但实际应用中还存在动作频繁 及误动等问题。 4 、基于人工智能的九区图法 1 ) 基于专家系统的电压无功调节 实际应用中，运行调试人员预先根据经验和具体要求，根据可能出现的各种情 况制定一套基于规则的专家系统。运行时，专家系统针对具体的变电站配置情况、 电压等级、系统运行时段，模拟专家决策的过程，根据规则综合、智能地调节电压 1 7 山东大学硕士学位论文 曼皇曼曼鼍曼i 一；一h i i 量皇鲁曼曼皇量曼量量鼍曼鼍皇曼舅曼曼曼曼曼皇曼量曼量量置量曼皇曼鼍曼量曼曼曼皇皇曼曼曼曼皇 无功，从而达到预期的控制目标。文献 3 介绍了变电站电压无功控制专家系统的 控制目标和控制策略及其系统的软、硬件结构和实现环境。文献 4 将微机自动 调压装置获取的1 8 0 多条知识，用产生式规则来表达，正向分层推理，建立了电压 无功控制专家系统。 但专家系统还存在一些有待研究和