（电力系统及其自动化专业论文）基于负荷端综合特性调节的svg控制方法的研究与试验.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c ha n de x p e r i m e n to f1 h 匣c o n t i i o ls t e a t e g y o fs v gt ol o a dc o m 口o s i t i v ec h a ra c t e r i s l r i c a b s t r a c t s v gb a s e do n v o l t a g e s o u r c ec o n v e r t e ri sa l l i m p o r t a n t r e a c t i v e c o m p e n s a t o ri nf l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ( f a c t s ) i th a sa p p l i e d e l e c t r i ca n de l e c t r i ct e c h n o l o g y ，t e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e ra n dm o d e mc o n t r o l t e c h n o l o g yt ot h ep o w e rs y s t e m t h ec o m p e n s a t o rc a l li m p l e m e n tf l e x i b l ea n d f a s tc o n t r o lt ot h en e t w o r kp a r a m e t e ra n dn e t w o r ks t r u c t u r eo ft h ep o w e rs y s t e m a n dr e g u l a t ec o n t i n u o u s l yt h er e a c t i v ep o w e ri nt h ew h o l er a n g ef r o mc a p a c i t i v e r e a c t i v ep o w e rt oi n d u c t i v er e a c t i v ep o w e r ，r e a c ht oa v o i dv o l t a g ec o l l a p s ea n d e n h a n c et h ea b i l i t yo fa c t i v ep o w e rt r a n s p o r t a t i o na tt h es a m et i m eo fk e e p i n g t h el o a dc h a r a c t e r i s t i c a tf i r s t ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ev o l t a g e c o l l a p s ei n v o l v e dt h el o a d c h a r a c t e r i s t i ca n dr e a c t i v ep o w e rf r o mt h ep o i n io fs i m p l ep h y s i c st r a c ka n d p u t sf o r w a r dt h ec o n c e p t i o no fr e a c t i v ep o w e ro ns t a n d b y t h e nt h ep r i n c i p l eo f s v ga n dt h ec o n c e p to fr e a c t i v ep o w e ra r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ed i f f e r e n t c o n t r o lw a y si n v o l v e dt h ev a r i a b l e s ( 艿a ) a r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e d ，a n d t h em e t h o di nt h i sp a p e ri sl a t t e r f u r t h e r m o r e ，t h em a i nc i r c u i tw h i c hi n c l u d i n g p r o t e c to ft h ep o w e rt a k i n ge l e c t r i ce l e c t r o n i cc o m p o n e n ti g b ta sk e yd e v i c e ， t h ec o n t r o lc i r c u i tb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s pa n dt h ec o n t r o l s o f t w a r ew i t ht h ek e yc o n t e n ts p w mh a v eb e e nd e s i g n e d t h ec o - c o n t r o lo f c o n t r o la n g l ea n dm o d u l a t i o ni n d e xi sa d o p t e d w i t ht h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dc o n t r o ls o f t w a r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d a b o v e ，a ne x p e r i m e n t a ls v gd e v i c ei sh a sb e e nd e v e l o p e d v a r i o u sk i n d so f c h a r a c t e r i s t i ct e s t s ，w h i c hv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss v gd e v i c e ，h a v eb e e n c a r r i e do n ，t h u st h ee x p e r i m e n ts y s t e mr e a l i z e dt h ef u n c t i o no fg e n e r a t i n g c a p a c i t i v ep o w e ro ra b s o r b i n gi n d u c t i v ep o w e r ，t h e nc h a n g e dt h em a g n i t u d eo f i i a b s t r a c t t h er e a c t i v e t h er e s u l t sa n da n a l y s i si n d i c a t et h ee q u i p m e n tc a na f f e c tt h e n e t w o r ka n di m p r o v e st h ea b i l i t yo fa c t i v ep o w e rt r a n s p o r t a t i o n k e yw o r d s ：v o l t a g es o u r c e c o n v e r t e r ，v o l t a g ec o l l a p s e ，s t a t i c v a t c o m p e n s a t i o n ，c o c o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n i i i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中 包括：( i ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文； ( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图 书馆、资料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏 览部分内容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：j 毁导师签名：j 翌 日期：4 踔掣日期：碰猢幽 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论 二十世纪七十年代以来，世界上不同的电力系统中报告的电压崩溃事 故有许多起。瑞典、法国、日本、美国等都发生过电压崩溃事故，在我国 湖北也有过电压崩溃事故的记录u , 2 i 。电压崩溃可能引起全系统崩溃瓦解， 从而造成巨大经济损失和社会影响，其严重的后果引起了人们的广泛重视 及所有电力科学工作者的警惕。当前借鉴国外恶性电压崩溃事故的经验和 教训，深入探讨电压不稳定起因、原理和特性，研究和加强系统安全性和 事故的应急措施，加深对电压不稳定性现象的理解和认识，对于避免电压 崩溃事故的发生和巨大的经济损失，具有特别重要的理论意义和实用价值 i ，1 。 电压稳定性是整个电力系统稳定性的一个分支。电力系统稳定性问题 有角度稳定、电压稳定，和频率稳定三个方面。对稳定性问题的分析反映 了人们对电力系统本质认识的深化电压稳定性最早是由原苏联学者 m m 马尔科维奇、b a 维尼科夫等研究负荷稳定性时提出的电压稳 定性也称为负荷稳定性 3 , 4 , 5 1 是电力系统在额定运行条件下和遭受扰动之 后系统中所有母线都持续地维持可接受的电压的能力。当有扰动、增加负 荷或改变系统条件造成渐进的、不可控制的电压降落，则系统进入电压不 稳定状态。造成电压不稳定的主要因素是系统不能满足无功功率的需要1 6 l 。 由此可见电压不稳定与无功功率和负荷特性的影响密切相关【7 1 ，从此角度 来考虑如何有效的利用一种可以补偿无功功率的装置在考虑相关负荷特 性情况下保持电压稳定，预防电压失稳的状况出现。 电力系统电压不稳定或崩溃发生的过程往往是这样的，当一个系统在 紧急事故之后经受突然无功需求增加时，增加的无功需求是由发电机和无 功补偿设备的无功储备来平衡的。在电力系统有足够的无功储备时，系统 电压可调整到稳定的电压水平。而在系统无功储备短缺时，附加无功需求 增加时就有可能导致电压不稳定或电压崩溃【o 9 l 。一般情形是电力系统经受 非正常运行功况，接近负荷中心的大发电机组退出运行结果，某些高压 第一章绪论 传输线路负荷加重，网络损耗增加，使无功备用资源处于最小继电保护 动作，跳开重负荷线路，负荷转移到其余相邻的线路。在该线路中的无功 损耗急速增加，电压降低，引起线路级联跳闸。在失去高压传输线路之后， 特别大的无功需求引起邻近负荷中心电压的很大的降低，这将引起负荷的 减少。然而发电机将通过增加励磁快速恢复其端电压，综合结果引起无功 潮流在变压器和线路这些元件两端的电压降落。而在负荷中心和超高压网 电压的降低将反过来会影响配电系统，使其二次侧电压降低。这是，变电 所的变压器将试图恢复配电电压，从而在几分钟之内使负荷达到故障前水 平。变压器分接头每一次动作，都使得高压侧线路上的负荷增加，同时增 加线路损耗，它反过来又引起高压侧线路电压进一步下降。随着每一次分 接头动作，整个系统中发电机的无功输出将增加。慢慢地发电机就一台接 一台地达到他的无功容量极限。当第一台发电机达到它的磁场电流极限 时，它的电压就要降落。要保持电枢电流在允许的限制内，就要进一步减 小无功的输出。该发电机分担的无功就转移到其他的发电机，导致越来越 多的发电机过负荷和更多的发电机失去电压控制，从而系统遭受电压不稳 定。最终将导致电压崩溃或雪崩，还可能导致发电机失去同步和大面积停 电。 负荷特性在电压稳定研究中的影响：就像上边的分析一样，往往因为 负荷的急剧增加，而导致电压下降，无功需求增多，结果反而触发电压进 一步下降，所以负荷对电力系统的稳定性影响非常大 t o , i i l 。负荷特性和配 电系统电压控制设备是影响电压稳定性的一个关键因素。有功和无功分量 随电压变化的负荷和传输特性相互作用，改变整个系统的潮流。系统的电 压稳定性由传输网络和负荷的综合特性所决定。负荷动态响应 8 , 1 1 , 1 2 】是电 力系统电压稳定中的一个关键因素，它激发电压的动态变化，而且在极端 的情况下，可能导致电压崩溃。 1 2 国内外研究现状 有关负荷特性对电压稳定性影响的研究，国内外很少有直接对其影响 可以从数量上或物理公式上来描述的，因为除了各负荷原件外，还近似计 及次传输系统和配电系统线路、电缆、无功功率补偿、t l c 变压器、配电 2 第一章绪论 压调节器、甚至相对小的同步和异步发电机的影响【1 3 l ，各类负荷在动态过 程中的差别又很大，因此对于总体上下个准确的定量定义是很难的。只有 在牵扯到具体的负荷或特定的环境下才可以进行详尽和暂时准确的计算。 1 2 1。国外有关研究现状 国外有关负荷特性的研究，在电力系统稳定和潮流研究中，通常是把 负荷特性表示成从主干功率传递点看出的合成负荷特性，在输电变电站所 指负荷，除了连接的负荷设备外，还包括变电站降压变压器、次输电馈电 线、配电馈电线、配电变压器、电压调节器和无功设备的影响。而负荷特 性又常因负荷对电压和频率变化的响应是否快速达到稳态而分成静态和 动态负荷特性【5 , 1 2 】建立负荷的动静态特性模型来研究电力系统电压稳定 性【l ，这方面前人已做了大量工作，而且积累了相当丰富的经验。但控制 的装置还需要进一步提高，能针对其时间特性做出动态分析从而得到更准 确的结论尚有待发展。 此外，鉴于负荷在电力系统中的稳定性，美国电力研究院( e p r i ) 已经 资助过多个负荷建模研究项目，最终成果即为综合负荷特性的计算机分析 程序( l o a d s y n ) i ”1 利用这个程序来判断负荷特性不足之处我个人认为是 得到的结果往往会因时刻的动态变化、一些扰动以及实际的一些损耗的影 响从而难以比较细致的确定。并且其简单模型在潮流计算和长期动态仿真 中无法考虑变压器分接头的影响，无功损耗和补偿装置作用的大小直接为 高压母线电压的函数，而实际上它们更取决于馈线和变压器的电流。 国际著名电力专家c a r s o nw t a y l o r 在他的专著p o w e rs y s t e m v o l t a g es t a b i l i t y 中提出电压稳定性问题主要涉及负荷区域与负荷特 性l 甜，电压稳定就即被称为负荷稳定，这里“负荷”是指从输电线路高压母 线向负荷侧去的全体。包括次输电系统和配电系统的影响。负荷功率随电 压降低而暂时减小然后又逐渐增加称为负荷的恢复特性 在世界著名电力专家p k u n d u r 博士的论著( p o w e rs y s t e ms t a b i l i t y a n dc o n t r o l 中他提到电力系统的稳定运行取决于系统中发点机组的电 力输出与电力负荷连续匹配的稳定【l 们，从而说明负荷特性对系统稳定性有 重要影响但是负荷因为其本身是由大量设备组成的而负荷的组成变化 又依赖于包括时间、气候条件和经济形势。 第一章绪论 前苏联一些学者还对负荷的电压特性进行了有功负荷电压特性和无 功负荷电压特性的分类研究，得到一些有启发性的结论，例如有功大负荷 电压在电压是额定值的1 1 倍到临界值之间时，近似地，其有功负荷的静 态电压特性的非线性不显著，可大致看为线性。而电力系统的无功负荷则 包括了基本负荷和用于改善功率因数的无功补偿容量。 1 2 2国内有关研究现状 至于国内关于负荷特性及其对电压稳定的影响的研究也已进行了不 少，并且也取得了不少成果。特别是有关负荷建模方面，已经是对各个系 统元器件的负荷特性都有了相当认识。系统的电压一功率传输特性，即卿 或卜口曲线( 通常称为鼻形曲线) 是分析静态电压稳定性的有力工具 1 1 6 1 7 1 8 ，1 9 1 。 传统的静态特性分析方法，1 静态特性即指电压、频率变化不大比较 缓慢时，负荷吸收的功率与电压或频率的关系。负荷的静态特性一般可用 不大于二阶的多项式近似表示如下，这也是国内外广泛采用的模型了 2 0 l 。 即： 毋= a o + a l u + a 2 u 2 + a 3 国 ( 1 1 ) q f = b o + b l u + b 2 u 2 + b 3 ( o 需要指出，上式中各系数由负荷特性决定，不完全代表各类负荷所占 的份额。在电压下降不大( 0 8 1 0 “左右) ，各系数通常可认为是常数。 但a 与b 是不相等的，a 系数一般为正值，但b 系数则可能在很大范围内 ( 包括负值) 变化，特别是与无功补偿情况( c o s 庐) 有很大关系。在电压 下降较大，例如降到电压临界值附近或以下时，上式中各系数值变化很大， 此时不宜再用静态模型，而应采用动态模型，即分析其动态负荷特性。 从动态负荷特性的角度来考虑其对电压的影响。动态特性则是电压、 频率变化范围很大( 例如电压低于电动机f 临界电压值) 的时的特性 1 8 , 2 0 l 。 当电压以较快的速度大范围变化时，采用纯静态模型就会有比较大的误 差，尤其对电压稳定性问题，更要求有比较准确的负荷特性描述总体来 说，负荷的动态特性具有这样的本质特征：当负荷输入的有功功率只与输 出的其他形式的功率耳失去平衡时，会自动调整等效阻抗的大小，以求达 4 第一章绪论 到新的有功功率的平衡。 用导纳和电压之间的关系是描述负荷特性与电压的另一个思考角度 【2 1 1 。但负荷的动态特性还表现在输入输出的功率不平衡时的自动调节过 程尸- ，曲线对极限点以后解释的失败，是因为负荷采用了不恰当模型的 结果，它忽略了对电压稳定性至关重要的某些基本状态量1 2 2 1 。负荷端口等 效阻抗便是所要寻求的基本状态量。反过来，调节过程如何影响其输入输 出的功率也就很重要尸一g 曲线和扩一g 曲线所具有的这两条性质是网络 本身所具有的，与负荷的性质无关。当负荷导纳的变化规律不同，p g 曲线和盯一g 曲线的具体形状会有所不同，但以上两条性质不会改变。 g 图卜1 简单系统及p - g 和u - g 曲线 f i f r l - 1s i m p l es y s t e ma n dp - g u - gc u f v c 负荷的基本类型有照明负荷、电热负荷、整流负荷以及异步电动机和 同步电动机等负荷。负荷的组成是复杂的，往往是通过实测或根据经验估， 计。可以从无功功率负荷和有功功率负荷这一角度来分析问题【7 l 。 把负荷侧和供应侧的u 一，特性联系起来从而来研究负荷特性对电压 稳定的影响 2 3 l 。无论系统如何复杂，从系统中某节点向系统看，在任意瞬 间都可以把系统等值为一个电势源经传输线阻抗向节点供电的一个单机 系统，这样就可得到系统对节点的电压电流关系。 一般地，如果负荷过重时往往要采取一个切负荷的措施来防止电压崩 溃。有不少研究从切负荷的角度出发，可以寻找最小的负荷增长方式，获、 得最小的负荷裕度1 2 4 l ；还有运用内点法对电压稳定问题进行最优预防和紧 急控制；还有人提出基于系统控制参数与系统负荷裕度之间存在的简单近 似的线性关系( 灵敏度) ，对电力系统电压稳定进行控制。由于该方法是基 于简单的线性方程，使计算速度大幅度提高。这也是研究负荷特性与电压 之间关系的一种新的角度，即从灵敏度的角度来考虑。 其他，还有根据模型导出的方式即：分为机理式和输入输出式负荷 5 第一章绪论 ig , 2 5 ，还有根据模型是否是线性分为线性和非线性负荷，根据是受电压影 响还是受频率影响分为电压型和频率型负荷。还有基于辨识的负荷，可以 采取直接综合和加权综合的方式来获得其负荷特性，还有人提出基于分形 理论的对负荷的几何分析方法【2 6 2 7 1 。 1 3 本课题研究的意义 本文是对s v g 的作用从一个新的角度进行了考虑，因电压崩溃现象是 电网的固有输送特性不能与负荷特性相容，由于负荷特性为用户的负荷性 质所确定方面看时的调节负荷的综合特性，使用了这种灵活的静止无功补 偿装置之后，就可能在满足负荷固有特性的情况下，使负荷端的综合特性 与电网的固有输送特性相容。本研究的理论基础和出发点是电压崩溃发生 的起因如前所述是因为负荷的综合特性不能适应输电线路的固有特性，而 s v g 则恰恰具有产生的无功可进行大范围快速调节，由此，利用s v g 的这 种性能可以以不出现电压崩溃为目标在原有的网络参数条件下，大幅度地 提高电网的有功功率输送能力。我们就是在实验室设计简单的试验系统， 通过实际的试验结论来论证此装置确实具有可以大范围调节无功的能力 并可以提高线路的有功输送能力。 1 4 本文主要研究内容 1 ) 输电线路输送特性的分析及防止电压崩溃措施的原理研究； 2 ) 防止电压崩溃、提高线路有功输送能力的控制方法研究； 3 ) s v g 可以调节系统负荷特性的工作原理及无功功率的研究； 4 ) 基于d s p 的s v g 的运行与控制方法； 5 ) 对s t a t c o m 进行性能试验并进行分析。 1 5 本文的主要工作和亮点 论文的主要工作包括以下几个方面： 1 ) 分析了负荷特性对电压稳定的影响 2 ) 研究电压崩溃及无功补偿与电压崩溃的关系并提出防止电压崩溃的措 施 6 第一章绪论 3 ) 详尽分析无功发生器的工作原理 4 ) 采用以新型电力电子元件i g b t 组成的智能功率模块，并以此为基础设计 了功率主电路及保护电路。 5 ) 编写了基于d s p 的c 与汇编的混合程序 6 ) 通过试验来验证装置和控制方法的效果，并研究s v g 的工作特性 论文的亮点在于； 1 ) 以简单的物理支路分析了电压崩溃，并提出利用s v g 无功可大范围调节 ， 的特性调节网络特性，留有无功备用防止电压崩溃。 2 ) 采用高速、高精度和高集成度的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 作为控制器核心，节 省了大量硬件电路。， 3 ) 采用多通道的a d 转换，利用d s p 快速的特点，实时的检测到系统的参数。 4 ) 设计了并网所需的采样及保护电路。 5 ) 采用以瞬时无功功率为基础的无功电流检测方法，利用p a r k 变换可以计 算出无功电流，并采用f f t 算法将采样得到的电压、电流离散值变换成 正弦函数。 6 ) 4 采用双变量协调控制的手段，用到p i d 控制策略，对系统发出的无功进 行控制。， 7 ) 提出了不对称情况下的添加了反馈环节的控制策略。 第二章电压崩溃及其预防措施的研究 第二章电压崩溃及其预防措施的研究 2 1 电压崩溃现象的简单解释 关于这个电压崩溃这个也不算新的名词，在很多有关电压稳定的书中 都可以看到。七十年代后期以来，国际上相继发生了多次电压不稳定( 电 压崩溃) 事故。电压失稳的形式多样，具体到电压崩溃现象是如何发生的 呢，对于这个问题已经有了相关的大量研究并对电压崩溃特征列举如下 1 1 3 1 ： 1 ) 电压崩溃前的系统往往处于重负荷运行状态，系统运形备用( 特 别是无功) 紧张，传输线潮流接近最大功率极限。 2 ) 电压崩溃起因可能不同：系统负荷持续增加；大的突然扰动；失毒 去发电机组；线路重负荷；运行人员判断错误，误操作。 3 ) 电压崩溃问题的核心是系统满足无功需求的不稳定。通常( 但不 都是这样) ，电压崩溃包括系统具有重负荷线路的情况，当从邻 近区域传输无功发生困难时，再要增加无功功率支持就有可能导 致电压崩溃。 4 ) 低电压下，线路距离保护动作，使并行输电线相继跳闸；发电机 励磁限制器动作，引起发电机级联跳闸；低电压下，o l t c 动作， 恢复二次侧负荷，使一次系统电压进一步跌落。 5 ) 电压崩溃常显示为慢的电压衰减，这是有许多电压控制设备和保 护系统作用及相互作用积累过程的结果。电压崩溃可持续几分钟 量级。有些电压崩溃动态时间为几秒钟级，这样的事故通常是由 不利的负荷成分( 感应电动机、直流换流器) 引起的。 6 ) 崩溃可能因过分使用并联电容补偿而恶化。 7 ) 继电保护、低频减载等缺乏协调是导致电压不稳定发展的一个重 要原因。 从此些电压发生崩溃的现象以及核因来说，发生原因是多种多样的， 但其核心之一就是：负荷增加导致负荷端母线电压下降。电力系统中当出 现扰动、负荷增大或系统变更使电压急剧下降或向下漂移，并且运行人员 8 第二章电压崩溃及其预防措施的研究 和自动系统的控制己无法终止这种电压衰落时，系统就会进入电压不稳定 的状态，这种电压的衰落可能只需要几秒钟，也可能长达l o 2 0 m i n ，甚 。 至更长，如果电压不停的衰落下去，电压崩溃就会发生 关于电压崩溃的研究也有多种，其说法和起因更是复杂多样，但普遍。 的有种概念认为电压崩溃的发生是与无功密切相关的【lj 。综合1 9 7 8 年的法， 国，1 9 8 7 年东京的电压崩溃事故和2 0 0 3 年的美国大停电，都给我们敲响 了警种，根本原因就是无功功率补偿不足，前两者是在当无功功率不足时， 一个本可以在较低电压水平下继续维持运行的大供电系统；却因为因要保 证供电质量而有负荷侧的自动电压调整从而导致整个供电系统的全部瓦 解，调度人员再不能及时果断的下令断开部分负荷，就会导致电网电压全 面下降，由相邻系统送电来的联络线过负荷跳闸，就会引起一系列连锁反 应，导致大面积停电的崩溃现象。而美加大停电则是运行人员已采取了增 加发电厂的无功输出、进行发电重新调度、调整有载调压变压器的分接头 和增加补偿电容等措施，但系统还是在一种无功相对缺乏的状态下运行， 表明无功出力和无功储备不足，因为在系统传输功率的某个断面上，一条 线路的开断不仅使其余线路的有功潮流加重j 而且由于输电线路上有功电 流的增加会更显著地增加输电线路上无功功率的损耗和线路上的无功潮 流( 特别是线路送端的无功潮流) ，也使受端电压进一步下降。因此电压 崩溃会出现的重要一方面就是无功储备的不足，裕度不大才会经不起考 验。 一 2 2 基于电路理论的电压崩溃解释 、 ， 、 ， 分析电压崩溃也是研究电压稳定的一部分，而电压则是和线路本身及 负荷密切相关的，由此我们想如何定量的从一种直观的方式可以看出来电 压发生了不正常的状况，从而走向崩溃过程，这是研究电压崩溃的一个角 度。由此考虑从电路的基本理论入手，来进行分析。 对电力系统的准稳态，我们可以列些高维非线性代数方程组，其全面 解的求解是数学难题。代数方程0 = g 似力是电路方程，可由电路理论分析 电路理论中，物理意义最明确的是支路电压方程，所以从简单支路入手分 析从一条最简单的支路可以分析到有关线路的功率、电压、电流以及阻 9 第二章电压崩溃及其预防措施的研究 抗各个参数的简单相互关系，由此推广可得复杂支路的电力特性，并把有 功无功现象合二为一，得到电压崩溃的简单物理解释，简单而又直接。 2 2 1 交流电路的基本方程 联接送端s 、受端r 的支路示于图2 - 1 中，该支路具有电阻、电抗 ( 将该支路两端的接地支路并入该支路的两端节点考虑) ，取s 、r 端的电 压为瞻，支路电流为岛，支路送端输入的功率为、锄，受端输出的 功率为忍，蕊。 v s 彳v s z 盼 r s r j x s r i s r = ls k + l ls 睁 梳吃习言衣：最。一j q , r s+ j 瓯y r = y 妇+ j y 二p r s 图2 - 1 简单交流电路 f i g 2 1s i m p l ea l t e r n a t i n gc u r r e n tc i r c u i t 上图电路的支路电压方程为： v r = v s 一，m ( r s r + 豇m ) ( 2 - 1 ) 即= 一( i s e 。r s r 一，跚x s r )( 2 2 ) v 珊= 一( ，x s r + ，跚，脓) 图2 2 电路受端的输出功率为 p 怂+ j q 酷= vr i ：r 即p 船= 矿服，船，+ 矿母，踟( 2 3 ) 鳓= k 一( 2 4 ) 图2 - 1 电路的运行点为式( 2 1 ) ( 2 4 ) 方程组的解。在式( 2 1 ) ( 2 4 ) 中， 消去其电压分量，该方程组可表示为 p m = v s ，跏一( ，蠡+ ，南) r s r( 2 - 5 ) q 胚= 一v s ，跏一( ，缸+ 南) z 艘 ( 2 6 ) 在式( 2 - 1 ) ( 2 4 ) 中，消去其电流分量后，该方程组又可表示为： 气= 吃+ g 觑一嗑+ k ( 2 7 ) q k = 6 艘瑶一珞+ k 曙+ 踟( 2 8 ) 式( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 中，支路导纳 第二章电压崩溃及其预防措施的研究 g 船+ 弘船。等等 一般输电线路中的电纳球o ，为突出无功功率正负的数学意义， 取g = g s r ，b = - - b s 。 则以电流分量为变量的式( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 的二元二次方程组的圆的标准形式 为 ( ，。一苦 2 + ，南= 苦一等 q _ 9 j 惫+ ( ”苦 2 _ 苦一等 q - 1 以电压分量为变量的式( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 的二元二次方程组的圆的标准形式 为： 、 ( 一爿2 + h 去k ) 2 - 等+ 等寺 q - 1 1 ( 一孚) 2 + ( 一寺) 2 = 孚+ 譬一孕 - 1 2 ， 显然，式( 2 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 方程组的解是式( 2 - 1 ) ( 2 - 4 ) 的解，式( 2 1 1 ) 、 2 2 2 夏流黾跆运仃万槎日可圆圈 令式( 2 - 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 表示的圆和该圆的半径分别为 c p 、r hc o 、r 口、v hr p 、v q 、r a 。圆c p 、c 口、v p 、v q 的圆心坐标分别为 o ，( 岳0 ；d 口：( 0 ，- 岳 。；：( 争，一等k ：( 争鲁) 置，= ( 2 - 1 3 ) 第二章电压崩溃及其预防措施的研究 r q = 。= 俘再 ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 在式( 2 1 3 ) ( 2 一1 6 ) 中，r p 、r r 大于等于零的条件均为k 2 4 r s r ， 肠，n 大于等于零的条件均为q 。2 4 x s r 。圆心的坐标与送端电压和支 路参数有关，与负荷无关，圆的半径随负荷的增大而缩小。 显然，式( 2 - 9 ) 、( 2 1 0 ) 或式( 2 - 1 1 ) 、( 2 - 1 2 ) 有解的条件为两圆的半 径大于或等于零且两圆相交或相切。在这里仅讨论当两圆相交多运行点的 情况，将酝g 相交的情况作于图2 - 2 ( a ) 中，将v ，、v 。相交的情况作于图 2 ( b ) 中。由图2 2 可知，在同一负荷功率下，电路存在两个运行点，且图 2 2 ( a ) 、( b ) 的只是图l 电路的一个运行点在电流、电压方面的表现， 图2 2 ( a ) 、( b ) 的尼是图2 - 1 电路的另一个运行点在电流、电压方面的 表现， is h 。一余v石 1 4 的负荷功率，则将引发 电压崩溃。 因此从以上的分析中可以简单的结论，即只要负荷端可以提供足够的 容性无功( 例如馈电支路的无功补偿) 或提供受端所需的电压( 例如输电 支路的有载调压) ，则电路的有功负荷传输能力可以大幅度的提高，此时， 传输的有功负荷不受电气特性限制，仅受输电线路的效率或者热稳定的限 制。由此可以提高线路的有功输送能力，提高功率因数，提高用电设备的 利用率。 1 4 第二章电压崩溃及其预防措施的研究 2 2 4 电压崩溃与负荷特性的关系及防止电压崩溃的措施 由以上对简单支路的分析可知，对于不同的负荷特性，其发生电压崩 溃的的具体电压和有功负荷的水平都有所不同，当为容性无功负荷特性 时，当有功增大时无功会随之增大，当出现+ 2 1 4 的负荷功率， 就容易发生电压崩溃的现象；而当为感性无功负荷，电路易在有功负荷不 是很大，电压水平较低的情况下发生崩溃现象。 用以上的机理来对比考虑我们现在的实际情况，对于现在的大部分电 网，尤其是比较大的城市电网来说，有以下的负荷特性”： 1 ) 负荷中空调所占比例越来越大，而且随天气变化其数量增减剧烈， 难以预测。故障后，电压越低空调的启动电流越大，吸收的无功 也成倍的增大，引起电压的进一步下降，对电网的电压恢复构成 严重威胁。 2 ) 电网中工业电动机负荷占的比率也不小，如果母线电压能恢复至 8 0 额定值以上，1 6 倍以上启动转矩倍数的电动机可以恢复运行， 但启动电流较大，对无功的需求也大。 。 3 ) 事故低电压时，电动机负荷易引起低电压释放，对电力公司及工 农业生产是一种损失但对薄弱电网提高系统稳定水平却是有益 的。大量结果表明：若母线电压低于0 8 标幺值，则释放的负荷 大致为总负荷的3 0 左右；大部分装有接触器的电动机负荷在暂态 低电压时将释放，仅装有低压开关或自动开关的电动机负荷在暂 态低电压时不会释放。 4 ) 电网恒阻抗负荷如容性无功并联装置( 并联电容器补偿装置、滤 波器等) 数量巨大，在电压降低时发出的无功成平方关系下降， 会进一步恶化系统的电压情况。很多电容器设备是手动定时投切 的，也来不及应对无法预估的突增负荷。 。 5 ) 随着电力电子技术的广泛应用很多负荷特性类似恒功率性质， 不利于电压恢复。 由我们以上的实际负荷特性情况，考虑到我们分析的电压崩溃的物理 机理，可以得到如下的想法，来考虑是否可以防止电压崩溃现象的发生， 并从而提高线路的有功输送能力，因为根据交流电路的电压崩溃特性来 看，随着输送的有功负荷增大，临界电压崩溃的无功负荷相应减小的固有 第二章电压崩溃及其预防措施的研究 特性。因此可以考虑在负荷端提供足够的无功，从而就弥补了负荷特性中 的无功需求，则电路会在有功负荷较大、电压水平较高时发生崩溃，这个 是我们更想要的结果。 对于防止电压崩溃现象的发生，在实际生活中，首先，要做好电力中 长期规划，加强电网建设，确保电源建设和电网建设的协调发展，尽可能 避免电磁环网，电网运行也要有足够的电源备用，避免因大电厂机组事件 事故跳闸引起主要联络通道过载切除，导致电压稳定破坏，并采取提高电 压稳定性的一些措施之外，再者，要重视无功规划，统筹考虑静态、动态 无功平衡； 1 ) 考虑系统负荷、方式的变化以及不同地区负荷的特点对系统电压 的影响，掌握系统的无功需求，提前采取措施，未雨绸缪，建立 无功裕度的概念，保证系统有充足的无功备用容量，在事故时就 可以增强系统应对电压波动的能力，尽可能地避免由于无功调整 手段的不足造成的停电事故。在正常运行中，尽量靠补偿设备来 满足负荷所需无功电力，发电机和调相机适当低励运行储备无功 备用能量。 ， 2 ) 有计划的配置新型动态无功发生装置如s v g 、s v c 等并加强对其自 动投切的管理，能使无功补偿设备根据电网情况及时自动投切， 加快电网事故后的电压恢复，尽可能减少或避免低电压负荷释放， 从而切实的增加无功的调度灵活性，并从而保持系统稳定运行， 达到服务于社会生产的目的。 因此考虑投入静止无功发生装置来为系统提供充足的无功热备用，研 究负荷系统时，选取包含有电动机的三阶模型和表示配电网变压器和线路 的等值阻抗的负荷模型来做动态的时域仿真，对北京上海和广东的电网进 行研究，得到简单的结结论，即当电网在负荷突增发生暂态失稳时，在调 相机组退出运行后，s v g 可以提供较好的动态无功备用和电压支撑，有效 地防止电压崩溃的发生。 由此证明s v g 可以实现动态的无功补偿，为系统的稳定做出贡献。因 此我们就考虑可否利用它的无功发生特性针对负荷特性提供其需求的无 功，从而使电压不致崩溃的同时，大大提高线路的有功输送能力这样就 不用在负荷特性与输电线路的特性不相容时成为必须切除的不利负荷，从 1 6 第二章电压崩溃及其预防措施的研究 而也符合了现在把电力也看为一种满足需要的市场需求。 2 3 本章小结 本章从电压崩溃入手，分析了电压崩溃发生时的种种表现，指出其根 本原因是无功相对缺乏。然后用简单的物理支路，分析到有关线路的功率、 电压、电流以及阻抗各个参数的简单相互关系，由此推广可得复杂支路的 电力特性，并把有功无功现象合二为一，得到电压崩溃的简单物理解释， 得到结论。若负荷为功率型，再增大负荷功率，则负荷要表示原有的功率 特性，电路将无法运行，则负荷也无法保持原有的工作特性，从而发生我 们常说的崩溃现象；继续分析i 临界电压崩溃发生的情况，可得到在容性无 功负荷特性时，电路在有功负荷较大、电压水平较高的情况下崩溃，负荷 端为感性无功负荷时，电路在有功负荷不是很大、电压水平较低的情况下 发生崩溃。通过分析还知道，从理论上讲，只要负荷端可以提供足够的容 性无功，或提供受端所需的电压，则电路的有功输送能力可以大幅度的提 高。用以上的分析再考虑了我们现有情况下电网的负荷特性，就是空调、 电动机及一些恒功率性质的负荷较多，可以和我们以上的分析一一对应， 因其对网络的无功影响较大，易发生崩溃现象，由此要对电网进行合理的 规划，确保电源建设和电网建设的协调发展，尽可能避免电磁环网，电网 运行也要有足够的电源备用，统筹考虑静态、动态无功平衡，而利用s v g 无功可大范围调节的特性，适时的投入不失为一个防止电压崩溃，提高线 路有功输送能力的办法。 第三章无功功率的定义及s v g 的工作原理 第三章无功功率的定义及s v g 的工作原理 静止无功发生器( 简称s v g 一一s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 己成为静止无 功补偿技术的发展方向，是今后柔性交流输电系统( f a c t s 一一f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 的一个重要元件。它的主要功能是在电力系统中起到 动念无功发生、无功补偿、电压支撑和改善系统电压稳定的作用。总的说 来，静止无功发生器( s v g ) 由于具有响应速度快、可以在从感性到容性的 整个范围中进行连续的无功调节，特别是在欠压条件下仍可有效地发出无 功功率和在系统对称运行条件下所需储能电容容量较小，从而可以减小装 置体积等优点而得到了电力工业界越来越大的关注 2 9 , 3 0 l 。 3 1 无功功率的定义及作用 那么什么是无功功率呢，对于这个提到频率颇高，在电力系统中应用 颇多的名词，在这里简单的介绍一下： 。 3 1 1 正旋电路和非正旋电路的无功功率 在正旋电路中，电压和电流都为正旋波形，负荷为线性时，电压和电 流的瞬时值可写成： “=42usincol，(3-1) j = 4 2 1 s m ( 国i t 一咖( 3 2 ) 瞬时功率： p = u i = 2 u l s i n c o l t s i n ( a ，l r 一伊) = u i c o s c p ( 1 一e o s 2 c 0 1 t ) 一凹s i i l 妒s i i l 2 l f( 3 3 ) 其中前者是非正旋周期量，是输入或输出瞬时功率中不可逆的分量； 后者是正旋量，是可逆分量，一个周期内正负交替变化两次，表明周期性 地交换能量。 而有功功率也即平均功率为： p = ；r 础= j 1 ( u ( c o s 伊+ c o s ( 2 c o n t - 力曲= u c o s 伊( 3 - 4 ) 由此表明，有功分量即为瞬时功率中的恒定分量也即不可逆分量，当 1 8 第三章无功功率的定义及s v g 的工作原理 c o s 口, 0 时，表明该网络吸收有功功率，反之则表明发出有功功率。 而相对而言，无功功率则定义为； q卅=uisino(3-5) 由此可以看出，无功功率就是指的瞬时功率中可逆分量的幅值，当 s i n q , 0 ，认为该端口吸收无功功率，反之则认为发出无功功率，但它并 不是像有功功率那样表示单位时间内做的功，而只是反映了内部与外部往 返交换能量的情况。同理，在三相对称电路中，各相电压、电流均为对称， 功率因数也相同。总的功率因数就等于各相的功率因数 对于电网中，电压与电流都是非正旋波的情况，可以把电压电流分解 为傅立叶级数，即： 4 砧( ，) = 壹皿s i n ( n c o l f + ) ( 3 6 ) 月一i 一 f ( d = 2 ls i n ( n c 0 1 r + 尾) ( 3 7 ) n - i 电压电流具有相同的基波频率石 。= 2 砺) ，由于负荷可能为非线性 的，所以电压和电流不一定具有相同阶次的谐波分量。根据有功功率等于 瞬时功率在一个周期内的平均值的定义，并考虑到三角函数的正交性可以 得到有功功率和频域内的无功功率定义： 尸= 亭“i d t = u i c o s ( 3 8 ) 纺- = _ e v a s i n q , ( 3 9 ) 需要说明的是仅有同频率的电压电流才构成有功功率，而q ，实际上没 有明确的物理意义，而且不同次谐波产生无功功率有可能会相互补偿，所 以在非正旋情况下无功功率已没有能量交换的最大量度的物理意义。在三 相不对称电路中，功率现象相对也就复杂一些，还涉及到谐波和电压畸变， 传统的功率理论无法对其进行合理的解释和描述。 3 ，1 2 三相电路瞬时无功功率理论 1 9 8 3 年，赤木泰文将a b c 三相经坐标变换成口一p 两相坐标，引入 菇- - - - - u 。乏+ 甜，己；7 7 = 屯瓦+ 知嘭；p = 露 = 甜。屯+ “口如i 第三章无功功率的定义及s v g 的工作原理 牙= 厅x 4 i = 。i 口一i 。) 瓦，( 乏，e j 和瓦