（电气工程专业论文）綦南电网调相机退出运行后的影响与对策研究.pdf

重庆大学r 程硕+ 学位论文中文摘要 摘要 随着我国电力系统的逐步发展，规模的日益扩大和网络的复杂性对我国的电力 系统建设和控制提出了更为严格的要求，电源建设的高速发展是其中一个方面，更 为重要的是，现有的许多陈旧的控制设备和控制方法已经不能满足现代电力系统的 要求，另外，用户对电力质量要求的提高等因素也要求对现有的电力系统进行改进 和完善，如今电力电子技术和其他新技术在电力系统中的应用也为电力系统的进一 步改进提供了技术支持。 本文首先从理论的角度对电力系统的控制与运行进行了说明，着重探讨了无功 电压问题，从无功功率的产生、传输、消耗等角度出发说明了无功功率在电力系统 稳定运行中的作用，在此基础上，列举了各种无功补偿设备以及无功补偿方法，通 过对比分析了各种无功补偿设备的优缺点，在本文中，根据实际需要，特别对调相 机的运行特性进行了重点说明，并从其运行经济性出发，阐述了调相机在现代电力 系统中起的作用。 针对重庆綦南电网的运行状况，并且考虑到綦南电网作为联接重庆电网和贵州 电网的枢纽，本文对其电网中的唯一的调相机进行了研究，在分析调相机自身运行 特性的基础上讨论了其对綦南电网稳定运行的影响，通过编制潮流计算程序，计算 了此调相机在投入或者切除两种状态下綦南电网的潮流，得到两种状态下的各个节 点的电压幅值和相角以及各条线路的潮流分布，从而总结出调相机对綦南电网稳态 运行的影响；对电力系统的动态过程影响很大。在选择发电机与负荷及补偿器模型 和建立电力系统各元件的数学模型的基础上，通过对此调相机在投入或者切除状态 下的仿真，计算了系统频率与几个主要节点电压的变化 通过以上的分析结果，本文从实际角度出发提出了调相机切除后的替换方案， 在替换方案的选择中，引入了新型的无功控制设备，并且分析对比了各种替换方案 的可行性，以求解决綦南电网的无功电压稳定问题。 关键词：无功电压稳定，调相机，无功补偿，仿真计算 重庆人学_ l 群硕：仁学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fc h i n e s ee l e c t r i cp o w e rm a r k e t ，t h e s c a l eo f i n c r e a s i n g l ye x p a n d sa n dt h ec o m p l e x i t yo f n e t w o r kc a l lf o rs t i l ls t r i c to f c h i n e s e e l e c t r i cp o w e rs y s t e mc o n s t r u c t i o na n dc o n t r o l ，o n eo fw h i c hi st h ec o n s t r u c t i o no f e l e c t r i cp o w e rs u p p l y , w h a ti sm o r ei m p o r t a n ti st h ee x i s t i n gm a n yo b s o l e t ec o n t r o l e q u i p m e n t a n dc o n t r o lm e t h o dc a n ts a t i s f yt h er e q u i r eo fm o d e me l e c t r i cp o w e rs y s t e m ， i na d d i t i o n ，i ti st h a tt h ec o n s u m e rc l a i mt h ee n h a n c eo fe l e c t r i cp o w e r q u a l i t ya n d s oo n c a l lf o rt h ei m p r o v e m e n ta n d p e r f e c t n e s so f t h ee x i s t i n ge l e c t r i cp o w e rs y s t e m n o w a d a y s e l e c t r i cp o w e re l e c t r o nm e t h o da n do t h e rn e wt e c h n o l o g ya r eb e i n ga p p l i e dt oe l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，w h i c ho f f e r st e c h n i c a ls u s t a i nt ot h ep e r f e c t n e s so ft h ee x i s t i n ge l e c t r i c p o w e rs y s t e m t h ed i s s e r t a t i o ne x p l a i n st h ec o n t r o la n df u n c t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mf r o m p o i n to f v i e wo f t h e o r yi nt h ef i r s tp l a c e ，a n de m p h a s i z e s t h er e a c t i v ep o w e r - v o l t a g e ，a n d e x p l a i n s t h ee f f e c to fr e a c t i v e p o w e r i ne l e c t r i c p o w e rs y s t e m f r o mt h e p r o d u c e - t r a n s m i s s i o n - c o n s u m e o fr e a c t i v e p o w e r , o nb a s e o fw h i c ht h ed i s s e r t a t i o n e n u m e r a t e sd i v e r s i f i e dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n ta n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nm e t h o d ，a n da n a l y s e sa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fd i v e r s i f i e dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n tb yc o m p a r i s o n o n b a s eo f p r a c t i c a ln e e d ，t h e d i s s e r t a t i o ne x p l a i n st h ef u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs y n c h r o n o u sc o n d e n s e ri np a r t i c u l a r , a n df r o mw h i c h e x p l a i n st h ef u n c t i o no fs y n c h r o n o u s c o n d e n s e ri nm o d e m p o w e rs y s t e m t h ed i s s e r t a t i o na i m sa tt h ef u n c t i o nc o n d i t i o no fq i n a ns y s t e mi nc h o n g q i n ga n d t a k e si n t o a c c o u n tq i n a ns y s t e mt h a ti st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nc h o n g q i n gs y s t e ma n d g u i z h o us y s t e m ，o nb a s eo fw h i c ht h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c ht h eo n l ys y n c h r o n o u s c o n d e n s e ri nt h i ss y s t e m o nb a s eo fa n a l y s i so ft h ef u n c t i o no f s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r d i s c u s st h eh o ww h i c ha f f e c t st h es t a b i l i t yo f q i n a ns y s t e m t h r o u g hp r o g r a mp o w e rf l o w s y s t e m ，c a l c u l a t e t h ef l o wo f q i n a ns y s t e mw h e ns y n c h r o n o u sc o n d e n s e r i sn o te n e r g i z e d a n d e n e r g i z e d ，a n do b t a i nt h ef l o wd i s t r i b u t i n ga n dv o l t a g eo f t h i st w oc o n d i t i o n s ，t h e n s u m m a r i z et h ei n f l u e n c eo f t h ep o w e r s y s t e mb y t h es y n c h r o n o u sc o n d e n s e r o nt h eb a s e o fc h o o s i n gt h em o d e lo fg e n e r a t o ra n dv a r i o u so fc o m p o n e n t si nt h ep o w e rs y s t e m ， t h r o u g he m u l a t i n g t h es y s t e mw h e n s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r i se n e r g i z e do rn o t ，c a l c u l a t e t h ef r e q u e n c eo f q i n a n s y s t e ma n d t h ec h a n g eo f s o m em a i n n o d e s v o l t a g eo f t h es y s t e m b ya n a l y s i st h er e s u l t sa b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o nt h e s u b s t i t u t i o np r o j e c t sa f t e rt h e i i 重庆人学f 稃硕十学位沧文英文摘要 s y n c h r o n o u s c o n d e n s e ri sn o t e n e r g i z e d ，a m o n g t h e s e c h o i c e s ，i t c o n s i d e r st h en e w r e a c t i v e c o n t r o le q u i p m e n ta n dc o m p a r e st h ef e a s i b i l i t yo ft h e s ec h o i c e st or e s o l v et h e r e a c t i v e v o l t a g ep r o b l e mo f q i n a np o w e r s y s t e m k e y w o r d s ：r e a c t i v e p o w e r - v o l t a g es t a b i l i t y ，s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ， r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，e m l u a t o r i i i 重庆人学工程硕j ：学位论文 1 绪论 1 绪论 随着我国经济建设的持续发展，电力系统作为一个先驱行业，在近几年维持着 高速发展的势头，表现为装机容量的增加，电网规模的扩大，电力质量要求的提高。 随着电网的复杂性日益增加，对电网的稳定性提出了更高的要求，如何在满足电网 基本要求的前提下提高运行的经济性，也成为一个值得探讨的问题。 随着现代电力电子学在电力系统中的应用，在电力系统运行控制中出现了一些 新的设备和控制手段，这些新的设备较电力系统传统设备通常更加可靠和高效，比 如如今在电力系统无功控制中应用广泛的静止无功补偿器等等。所以，在现有技术 条件下，如何在现有的电网基础上进行改进，同时满足电力系统运行的经济性，是 一个迫切需要解决的问题。 綦南电网作为一个联接重庆电网和贵州电网的纽带，有着十分重要的意义，其 中，綦南电网的调相机作为无功电压调节的传统设备，有着重要的作用，但是，调 相机存在其自身的缺陷，加上运行年限己久，其运行检修费用十分庞大，本文通过 对电网稳态和暂态的分析与计算，研究调相机在綦南电网中投入和切除后对电网的 影响，然后根据工程实践提出切实可行的解决方法。 1 1 电力系统的无功电压稳定 无功功率是电力系统中的一个重要的概念，其在电力系统运行中的冗余或者缺 乏都对电力系统有极大的影响，甚至造成电力系统电压的崩溃，所以，无功功率平 衡是系统电压质量的根本保证。 1 1 1 电力系统的无功电源和无功负荷 在电力系统中，无功功率电源除发电机外，还有调相机、电容器和静止补偿器 等，而无功功率负荷却很多，各种用电设备中，除相对很少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功率因数运行，其值约为o 6 - - 0 9 。除 无功功率负荷外，变压器、线路也要消耗无功功率，变压器中的无功功率损耗分两 部分：励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗，对单级电压网络，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。但目前电力系统均是多电压级网络， 这样变压器中的无功功率损耗就相当可观。输电线路上的无功功率损耗也有两部分： 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又称充电功率，与 线路电压的平方成正比，呈容性，串联电抗中的这种损耗与负荷电流的平方成e 比， 呈感性。散对超高压、长距离输电线路，其容性无功较大，使线路电压升高，有 熏庆大学i 程硕十学位论文 绪论 可能出现工频过电压，而在配电网络中，一般电压等级不高，输电距离也小长，以 感性无功为主，消耗无功，出现电压损失，电压降低。因此必需进行无功补偿 【1 【2 1 1 3 1 1 4 1 。 1 1 2 电力系统无功补偿与电压控制 合理的无功补偿和有效的电压控制，不仅可以保证电压控制，而且可提高电力 系统的稳定性，安全性，降低线损，提高经济效益。由于无功功率不能长距离的传 输，因此随着电网的扩大，无功与电压的控制显得更为重要。 就整个系统而言，无功功率必须保持平衡即有 q g c 一9 ，一姨= 0 ( 1 1 ) 式中，绋。系统供应的无功功率总和 q 。一负荷消耗的无功功率总和 q z 一无功功率损耗 但由于无功功率负荷q 。变化剧烈，使得系统电压剧烈波动。系统在高电压区无 功功率负荷本身的具有f 值的电压调节效应，当系统中无功电源不足时，系统电压 水平的下降，负荷在低电压下消耗的无功减少，从而在一个较低的电压下全系统的 无功功率达到新平衡。 无功功率平衡和系统电压水平的关系见图1 1 。 q 。 绋。 臻。 ， 怼l + a q 。 u u u 一i t i “ f i g1 1t h e r e l a t i o no f t h e s y s t e mv o l t a g ea n d b a l a n c eo f r e a c t i v ep o w e r 1 1 3 电力系统中的无功补偿措施 传统的无功补偿设备包括电力系统中的并联电容器，串联电容器，并联电抗器， 同步调相机和静止型无功补偿装置等。近年来随蓿电力电子技术的发展，新型的静 重庆大学：稗硕十学位论文1 绪论 止无功补偿装置i 扭随之发展。但由于国内生产能力不够，进口设备价格昂贵等多方 而的原因，一时_ i 能广泛应用。 电力系统中的无功功率及电压控制是一个十分重要的问题。电力系统正常运行 时全网电压分散，依靠电压的分散来实现无功的传输。因此电压的控制的难度较大。 实施对电网各点的电压的控制主要是通过在不同地点安装无功补偿装置实现的。设 置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法，目前在国内外均获广泛应用，具有 结构简单、方便、经济等优点。但其阻抗是固定的，故不能跟踪负荷无功需求的变 化，即不能实现对无功功率的动态补偿。调相机，是专门用来产生无功功率的同步 电机，在过励磁或欠励磁的情况下，能够分别发出不同大小的容性或感性无功功率。 然而，它是旋转电机，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂。随着电力电 子技术的发展，新型静止无功补偿器的出现，丰富了无功电压的控制手段。其控制 速度快，运行维护简单。随着电力电子元件的发展，其制造的容量逐渐增大，成本 也会逐渐降低。它将可能取代同步调相机而在电力系统中逐步推广应用。 在系统的无功充足时，及时调整变压器的分接头的位置，不仅能优化无功分布， 同时也能改善变压器各侧的电压质量，但是当系统的无功缺额较大时，用调整变压 器的分接头来保证某一级的运行电压的方法，将对系统的稳定性带来负面影响，可 能引起电压崩溃1 5 1 1 6 1 1 7 1 1 8 1 。 配电系统无功补偿方案有以下的几种： 变电站集中的补偿方式，补偿装置一般连接在l o k v 母线上，优点是管理容易， 维护方便，缺点是对配电网的降损起不到什么作用。 为了调整变电站的电压，通常利用无功补偿装置结合有载调压抽头来调节。通 过两者的协调来进行电压和无功功率的控制。九分区图便是一种方法，但是因为限 值需要随不同的运行方式进行相应的调整，在某些区上会产生振荡现象，在实际的 操作中，抽头调节和电容器的投切次数是有限的，但九分区没有相应的判断。 目前国内外普遍采用的另外一种无功补偿方法是在配电变压器3 8 0 v 侧进行集 中补偿。在这种方式下，补偿装置通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在 几十至几百个千乏不等，他是根据用户负荷水平的波动，投入相应数量的电容器进 行跟踪补偿。目前国内各厂家生产的自动补偿装置通常是根据功率因数进行电容器 的自动投切。有文献提出在配电系统杆上进行无功补偿的方法，杆上无功功率优化 补偿必须结合以下实际工程要求来进行：补偿点要少；接线、控制简单；补偿量不 易过大；防止安装后电容器的谐振现象。并且杆上安装的并联电容器远离变电站， 维护的工作量大，受安装环境和空间等客观条件的限制。 无功与电压控制的目标之一是保证电压质量和降低功率损耗。目前，国内外对 优化运行的研究比较深入。解决配电网中并联电容器的优化配置问题，日前也有了 晴庆大学r 程硕十学位沦文 y l ：多种方法，从早期的传统优化于段到启发式和近全局寻优技术，再到近期的人工 智能技术。无功优化配置的目标是在保证配网电压水平的同时，尽可能的降低网损。 由于它要对补偿后的运行费用以及响应的安装成本同时达到最小化，计算过程相当 复杂。以前的文献中通常采取了许多不切实际的假设，比如固定负荷水平，统一线 径，把树状配电网简化成梳状网，这样的结果并不理想。 从理论上讲调度自动化系统可以按最优控制理论来实施，这样可以既保证电网 节点电压达到合格，又可使全网的线损为最小。这是电力系统运行的理想状态，目 前新的电网调度自动化系统大多包含无功优化软件，但是真正去实现控制还有很多 的困难。 实际中，电力系统的负荷是每时每刻都在波动的，所以按最优理论的调节有可 能十分的频繁，过分频繁的调节是不合适的，所以一般在控制目标值的两边设有死 区，死区过小，动作过于频繁；死区过大，调节目标偏差较大，影响效果，由于系 统情况不断在变化，合适的死区不易选择，厂站端的信息不能大量送到调度端的缘 故，即使有完全的信息，也不可能保证完全的无误，测量的准确性和同时性无法保 证对配电网的潮流计算和无功优化计算带来了很大的困难。 国内外电力专家一致认为：无功功率补偿的设计，一般需要研究两大类系统结 构情况下的三种运行方试。两大类系统结构是：1 ) 正常的电网结构，包括正常计划 检修情况时的电网结构；2 ) 电网中某一元件( 例如断开线路、变压器、发电机及大 型无功功率补偿设备) 突然断开的情况。三种系统运行方式是：1 ) 系统高峰负荷；2 ) 系统低谷负荷；3 ) 可能的潮流倒送情况。保证大干扰下的电压稳定性因为电网电 压崩溃事故的频繁发生并造成巨大损失而受到高度重视【9 1 【o 1 “】 1 2 】。 1 2 调相机的撤除问题 同步调相机是重庆电网中唯一可以连续、快速双向自动调节无功的设备。但是 由于维护复杂，加之运行年限己久，大多已经撤除。在重庆电力系统中，目前用于 无功补偿的调相机在运行的只有我局的綦江变电站。由于我局电网远离电源点，电 网的无功平衡比较困难，是否撤除调相机是一个需要慎重研究的问题。 1 2 1 调相机运行特性优点 与电容器相比较，调相机在运行特性上有很多优点。例如，当电网发生故障时， 此时应补偿无功来促使系统的电压提高。电容器无功输出的能力与其端电压的平方 成j f 比，因此电容器在电网故障时，其无功输出能力急剧下降。而调相机则不同， 调相机通过励磁控制可向系统提供快速，连续，双向的无功功率。调相机在过励运 行时，向系统提供无功功率，达到支持机端电压的作用，在系统故障引起电压下降 叫，这一特点很重要；欠励运行时，则从系统吸收多余的无功功率，这对于线路轻 重庆人学= 群硕士学位论文 绪论 载时抑制线路的电容效应是有利的。并且在系统振荡时，可以提高稳定性3 】。 1 2 2 綦南电网的网络结构 目前綦南高压电网的网架结构如图1 2 所示。电网中有2 个2 2 0 k v 变电站、l o 个1 1 0 k v 变电站( 不含用户两个1 1 0 k v 变电站和地方电力公司的两个1 1 0 k v 变电 站) ，其中綦江站为枢纽站，额定功率为6 0 0 0 k v a 的调相机安装在 f l 主变1 0 k v 侧。 有1 7 个3 5 k v 变电站，系统内有5 个比较大的发电厂( 装机容量在1 0 m w 以上) ， 还有近5 0 个小水电站挂在网上运行。电网延伸距离较远，从綦江站到最远的酒店站 有1 2 0 k m 的距离。电网有的地带比较薄弱，比如北固到酒店只有一条北酒线连接， 因此綦南电网的电压控制比较复杂。 至贵州桐摔 图1 2 綦南高压电网的网架结构 f i g1 2t h e s t r u c t u r eo f t h eq i n a n h i g hv o l t a g e n e t w o r k 綦南2 2 0 k v 主网电源具有特殊性。运行中在市调的统安排下，綦江地区部分 或全部的负荷可在重庆电网和贵州电网间倒换。电源的倒闸操作为停电换电。綦江 地区正常运行方式可采用贵州和重庆电网分别供电方式。即贵州供綦江水井湾站负 荷，重庆系统供天桥、中坝、北固、酒店、桥河、三江、小渔沱、麒麟坝、先锋站 重庆人学 程硕士学位论文 1 绪论 负荷；或者贵州或重庆系统供綦南电网的全部负荷方式。极端情况下也可以通过氏 寿供电局的1 1 0 k v 詹家沱变电站供酒店、北固、先锋、麒麟坝以致中坝，通过南岸 供电局的l l o k v 桥口坝变电站供水井湾、天桥、桥河、三江、小渔沱以及两个1 1 0 k v 电铁变电站。綦南电网不仅与主网连接具有特殊性，而且1 1 0 k v 系统网架结构薄弱， 限制了电力的传输。由于地方的小水电、火电的装机容量较大，这些小水、火电机 组发电不稳定，对3 5 k v 和l o k v 系统电压有一定的影响。又因为綦江电网供有两个 1 1 0 k v 的铁路牵引站，不仅停电换电的操作受其限制，而且它的负荷特性对电网电 压也会电网电压产生不良的影响。由于以上的诸多原因增加了电网运行方式的复杂 性，以及控制电网电压的难度。 1 2 3 调相机运行的不利因素 由于綦江站6 0 0 0 k v a 的调相机已经投运2 0 多年，各种部件老化严重，设备的 运行维护、检修、消缺都比较困难，关键的备品备件非常稀缺，系统的运行成本非 常高，这无疑加大了电网的运行维护成本。随着电网各种新技术、新设备不断应用， 电网就地无功补偿技术日益成熟，调相机退出电网运行将是为期不远的事情 1 6 1 7 1 1 8 1 1 9 1 。 l _ 3 本文研究的主要内容 调相机对綦南电网安全稳定的运行具有重要的意义。调相机已经投运2 0 多年， 随着电力电子技术以及控制技术的发展，调相机的退出运行为期不远。綦南电网网 架结构较薄弱，负荷变动较大，调相机的拆除对配电网的电压质量也会产生影响。 本课题将对綦南电网目前的无功电压状况作出评价，分析调相机拆除后的无功一电压 状态，如何补偿，是否存在重大隐患，以及将来采用新型无功补偿装置的效果，这 些问题必需通过科学的研究才能作出决定，避免发生电压质量严重超标甚至发生电 网瓦解事故。近年来配电网的无功补偿理论的研究逐渐深入，许多新型的无功一电压 的控制装置不断出现。为确定补偿的最佳位置和最佳的容量、选型提供了理论依据 和更多可供选择的手段，能够尽量实现无功的就地平衡。因此，研究綦南电网调相 机退出运行后的影响与对策，具有一定的理论意义和重要的工程实用价值。 本文在占有大量资料的基础上，研究以下主要内容： 对綦南电网的网络结构进行深入的分析，对綦南电网目前的无功电压状况作 出评价。 调相机拆除后的无功电压状态及稳定性分析。 调相机退出后采用电容器补偿的方案及稳定性分析。 基于现代无功电压控制技术的綦南电网就地无功补偿规划研究。 可行性论证。 重庆大学r 程硕十学位论文2 电力系统无功补偿装置的运行特性 2 电力系统无功补偿装置的运行特- 生 如前所述，电力系统的电压稳定性与无功功率密切相关，若系统中无功功率小 足，则会造成电压的下降甚至造成电压的崩溃，电力系统发展至今，无功电压的问 题也日益得到重视，出现了各种无功补偿装置以解决无功电压问题，各种装置有其 固定的电气特性，所适宜的使用范围也不尽相同，所以，有必要在此进行讨论与说 明。 2 1 电力系统无功补偿装置的发展状况 电力系统中的无功功率及电压控制是一个十分重要的问题，其对系统稳定性有 很大影响，而且由于无功功率不能长距离的传输，因此随着电网的扩大，无功与电 压的控制显得更为重要，电力系统电压和无功功率的控制应使系统中所有装置的端 电压均在可接受的范围内。在电力系统中，常见的用于改善电压质量的传统的无功 设备包括：电容器、电抗器、同步调相机等。 设置并联无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法，它在无功功率不足的时 候发出感性无功功率，补偿负荷所需，目前在国内外均获广泛应用，具有结构简单、 方便、经济等优点。但其阻抗是固定的，故不能跟踪负荷无功需求的变化，只能分 组投切以改变其供应的感性无功功率，不能实现对无功功率的动态补偿。而且如前 所述，在电力系统故障，电压急剧下降时，并联电容补偿器的补偿能力也随之急剧 下降，这些问题都不利于电力系统的稳定。 对于并联电抗器，它的特点与并联电容器相似，考虑到电力系统可能出现过电 压问题，在大型电力网络中自耦变压器的第三绕组上倾向于采用并联电抗器。 调相机是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的情况下，能 够分别发出不同大小的容性或感性无功功率。调相机对于并联电容器和电抗器有其 自身的优点，调相机损耗小( 约占本身容量的o 3 ) ，效率高( 有功损耗为其容量 的1 5 一5 5 ) ，调相机有自励磁装置，在故障时能保证电力系统电压，从而提高 系统的稳定性，而电容器起不到这个作用。然而，调相机也有其缺点，它是旋转电 机，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，而且调相机只有在需补偿容量 较大，超过一定限度时才经济，因而只能装在负荷中心，而电容器容量可大町小， 可集中安装，也可分散安装，适应性好。 随着电力电子技术的发展，近年来出现了柔性交流输电系统( f a c t s ) 技术， 指的是装有电力电子型或其他静止型控制器以加强系统可控性和增加功率传输能力 重庆人学 程硕士学位论文2 电力系统无功补偿装置的运行特性 的交流输电系统。它对交流电的无功( 电压) 、电抗和相角可以进行控制，从而能有 效提高交流系统的安全稳定性，使传统的交流输电系统具有更市制柔性和灵活性， 使输电线路得到充分利用，以满足电力系统安全、可靠和经济运行的目标。f a c t s 技术得到了极大的发展，相继出现了多种f a c t s 设备，如统一潮流控制器、可控 串联补偿、静止补偿器等【2 0 】【2 1 】【2 2 1 。 目前s v c 已在全世界得到广泛应用，世界上装设于超高压输电系统的s v c 已 接近于1 8 0 多台。我国对s v c 的研究与应用始于7 0 年代末，至今已积累了较多的 s v c 运行经验，其制造技术也已相当成熟。目前我国大陆在5 0 0 k v 系统中运行的进 口s v c 有6 台，在钢铁企业中也有较多的应用。 f a c t s 家族已获得工业应用的最重要的2 处设备是静止无功补偿器( s v c ) 和 静止调相机( s t a t c 0 m ) ，两者都是并联在电网中，起无功支撑的作用。我国电力 系统发展非常迅速，目前所发电量已居世界第2 位，我国电网也将从6 0 年代中期的 高参数、大机组、高电压、大电网时期，发展到现在的大区电网互联、全国统一联 合电网的新阶段。但从技术上看，目前我国电网的控制手段缺乏且水平低，安装在 电网中的绝大多数是提供静态电压调节和补偿无功的电容和变压器分接头调节，缺 乏对除发电机处在电位上的电压支持，电网安全稳定问题仍很突出，它是限制电力 传输的重要因素，也是可能发生电力系统崩溃的隐患。所以，中国对f a c t s 技术 有着很大的需求。 2 2 传统无功补偿装置的运行特。眭 2 2 1 并联电容器的运行特性 并联电容补偿的作用原理：电力系统中的大部分负荷大部分是电感性的，总电 流相量i 滞后电压u 一个角度中，总电流可以分为有功电流j 。和无功电流，。分量， 其中，滞后电压9 0 度。将一电容器连接于电网上时，在外加正弦交变电压的作用 下，电容器回路将同时产生一按正弦变化的电流，其中电流0 将超前电压u9 0 度。 当把电容器并接于感性负荷回路中时，容性电流i c 与感性电流分量，恰好相 反，从而可以抵消一部分感性电流，或者说补偿一部分无功电流。 当电容器两端施以正弦交流电压时，它发出的无功容量( 或无功功率) q 为： rr 2 9 = = 2 月f c u 2 ( 2 1 ) 五 式中x c 3 去。斋 ( 2 2 ) 重庆大学工程硕： 学位论文2 电力系统无功补偿装置的运行特性 f 一电源频率，h z c 一电容器电容值，若u 的单位为千伏( k v ) ，c 的单位为微法( 心) ，f = 5 0 h z 时， 则q = 0 3 1 4 c u2 式中，q 的单位为千乏( k v a r ) 可见，电容器的无功容量与施加于其两端电压的平方成正比，因而电压凋节性 差。当电压降低时，其无功容量将按电压的平方成正比减少。 2 2 _ 2 调相机的运行特性 同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，调节其励磁，可发出无 功功率，又可吸收无功功率。它在过激运行时向系统供应感性无功功率，欠激运行 时从系统吸取感性无功功率。在其电压调节器的作用下，它可以自动地调整无功功率 输出以便维持端电压为常数，它象异步电动机那样起动然后进入同步。其欠激运行时 的容量约为过激运行时容量的5 0 。这也是作为无功功率电源的同步调相机的运行 极限。 同步调相机是最早采用的一种无功补偿设备，在输电和配电两个电压等级上作 电压和无功功率控制，一般它是与变压器第三绕组连接。在并联电容器得到大量采 用后，它居到次要地位。其主要缺点是投资大，运行维护复杂，反应速度慢且有较 高的损失。因此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。同步调相机的 优点是，在系统发生故障引起电压降低，同步调相机可以提供电压支撑，还可以在 短时间内进行强行励磁，对提高电力系统的稳定性有很大好处。在以下场合，同步 调相机能起到良好的作用： 在接受远方大容量电源送电的弱受端系统中，可以在系统故障时提供 电压支持。 对于较弱的受端系统，在传送大容量电力的超高压长距离输电线的中途， 装设同步调相机作并联补偿，提供动态无功功率支持提高送电容量和系统 稳定性。 高压直流输电出现后，为了对较弱的受电端提供足够的路路电流和电压支 撑，也需要在交流受电侧装设足够容量的同步调相机。 同步调相机作为一般的无功功率补偿设备已经过时，但在有些情况下，仍然有 其独特的作用。同步调相机容量越大，经济指标也越好，这是国外采用大容量同步 调相机的原因。 调相机的调节方式是借改变其励磁电流i ，来改变其供应或吸取的感性无功功 率。当端电压为定值时，这种无功功率与励磁电流f ，之间有线性关系，如图2 1 所 不。 重庆大学工程硕士学位论文2 电力系统无功补偿装置的运行特性 绞 l 一 0 o 一 图2 1 当端电压为定值时，无功功率与励磁电流f ，之间有线性关系 f i g 2 1t h el i n e a rr e l a t i o no f t h er e a c t i v ep o w e ra n de x c i t a t i v ec u r r e n t w h e nt h ev o l t a g ei sf i x e d 2 3 现代无功补偿装置的运行特性 静止无功补偿器( s v c ) 和静止同步补偿器( s t a t c o m ) 是应用得极为广泛 的f a c t s 装嚣，现在对以上两种无功补偿装置分别予以讨论。 2 3 1 静止无功补偿器( s v c ) 静止无功补偿器( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ) 简称s v c ，是一种并联无功补偿装 置，其结构示于图2 2 。为电抗器，c 为电容器，s c r 为可控硅。 图2 2s v c 的结构图 f i g 2 2 s t r u c t u r ec h a r to fs v c 由图2 2 可见，静止无功补偿器测量电压、电流、控制可控硅( s v c ) 的触发 角口，用口来改变s c r 中的电流，也就是改变电感中的电流，进而达到用。床调节无 功9 的目的。 控制导通角口与可变电感的关系如下： ( a ) = l ，( )( 2 3 ) l ) = 盖厂( d )( 2 4 ) 式巾厂( 。) = i _ _ 为变换函数，它是形成解析式控制方法的基础。 口斤一a l + s i n 2 口 假设电感两端电压为u 。= u 。s i n 删，则流过其中的电流为 t l + 重庆人学= 科tl 硕士学位论文 2 电力系统无功补偿装置的运行特性 铲圭f u ! f l t = 圭乓等咖酬d 耐( 2 5 ) = 一( u ， ) c o s a * = 一i ，c o s c z f = i l ( c o t ) 如用s c r 来控制电感电流使其为断续时，对于口的可行工作区，下式成立： t ( o x ，口) = 挚f s i n 蒯耐= 一，。c o s 删+ ，。c 。s 口 ( 2 6 ) 即i l ( c o t ，a ) = i ) + i o 。可见，i t ，a ) 是将乇( 倒) 波形上下平移o = ，。c o s 口的结果。 由于f ，( o x ，a ) 是f 。似) = 一，c o s c o t 波形的一部分，所以只有余弦分量，而且含有1 、 3 、5 、7 等奇次谐波的余弦分量，印 i l ( 耐) = i l ( o x ，口) = z i h c o s k a v( 2 7 ) 式中k = l 、3 、5 、7 、为谐波次数，其中基波振幅为 l l m = l 广 i l ( 螂卜c o s 肼) d w t = i m 塾竺坐- i m ( a ) ( 2 8 ) 式中 ( a ) = 厅 。2 。( 。7 。r 。- 。a 。) 。+ 。s 。i n 。2 a 基波电流为 “似) = l l m ( - - c o s o 甜) = - - i m 斤l ( a ) c o s o j = - - 蠢c o 唰 ( 2 9 ) 故等效基波电抗为 “( a ) = x l f l ( a ) ( 2 1 0 ) 一般的k 次谐波振幅为 k = 土e 。i l ( o x ，州- - c o s 删) d 耐 吐 c o s as i n 女a 一击s i n ( ) a 一击s i n ( 扛1 ) 叫z ( 2 1 1 ) = ，。 _ 1 ( 口) ( 咖 4 c o s o t s i n k 9 一击s i n ( t + 1 ) “一击s i n ( ) a ( 2 - 1 2 ) 典型的控制算法为： 电压稳定控制 s v c 的供电系统电压降a u 与a 2 _ 间的关系为： 肌吲丢等一刺l + 竖掣- ，( b 州2 t 1 3 ) 式巾为负载工作电压；蜀为线路电抗；r 2 、局为负载电阻、电抗。 上式即为该系统的数学模型，然后根据工作电压u 2 项保持为某个恒定值的要 求，从u ：f ( u ：，x ：，a ) 中解出为补偿电压波动所需的控制角口。这就是电压稳定控 制的原理。 恒功率因数控制 重庆人学l 群硕士学位论文2 电力系统无功补偿装置的运行特性 对j i 给定的供电系统，能使e o s t p = 常量所需的a 可按c o s p 定义由下式求 h ： 当c = o 时 导( r ：2 + x ：2 ) 也2 气蠹 q 1 4 ， 1 一c o s 口 当c 0 时 删2 鬲嚣蔫丽 嘲 其中： x l ( 口) ：娑l( 2 1 6 ) 、7 2 ( u 一口1 + s i n 2 a 、 电力系统稳定控制 当电力系统中发生故障，出现有功缺额a p 时，利用s v c 快速调整无功的特点， 能迅速提供系统所需的缺额a p ( 以稳定电压、防止发生振荡) 由下式确定： a p = l s i n 融q( 2 1 7 ) a u 。 、7 此式说明，在保持发电机运行状态不变的情况下，也能处理好供需平衡问题。 综上所述可见，只要按照不同的运行要求调整，就能实现多种预期的控制目标。 2 3 2 静止同步补偿器( s t a t c o m ) 静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r y ) ，简称为s t a t c o m 。国内 曾将其称为新型静止无功发生器( a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ) ，简称为a s v g 。 s t a t c o m 的原理接区如图2 3 所示。 h 2 3s t a t c o m 结构阁 f i g 2 3s c h e m e d i a g r a mo f s t a t c o m 1 2 重庆大学工程硕士学位论文2 电力系统无功补偿装置的运行特性 图中现、d b 、d c 为整流器，乃、为逆变器。c 为储能电容。其中逆变 器采用门极可关断晶闸管( g e t et u r n o f ft h y r i s t o r y ) ，简称为g t o 。t 为整流变压 器。由于采用了由g t o 控制的逆变器，既可以输出无功，也可以吸收无功。 图2 4 为清华大学与河南省电力公司共同研制的2 0 m 心s t a t c o m 的总体结 构图。 l o k v 母线 蒸 麴逃骂因 早孽毕 交 控制割氐压柜 、控制、保护、4 测、 2 2 0 k v 至堡竺型皇i11 查竺竺皇l 图2 4 + 2 0 m v a rs t a t c o m 的总体构成框图 f i g 2 4 s y s t e mc o n f i g u r a t i o no f t h e + 2 0 m v a rs t a t c o m 装置的输出通过1 0 k v 断路器与1 以2 2 0 k v 三绕组的主变压器的1 0 k v 输出侧 相连，该变压器的另一绕组输出电压为1 1 0 k v 。装置由启动整流器、g t o 逆变桥、 直流电容器组、多重逆变输出变压器、高压开关柜、控制单元、监测单元、保护单 元及屯水冷却系统等组成。4 台变压器及纯水冷却系统散热装置安装于室外，室内 分为高压室、控制室、逆变室、水冷系统及备件室。直流电容器、环流电流电路及 g t o 逆变桥分成4 组，每组分别对应0 。、一1 5 。、一3 0 。、_ 4 5 。三相逆变桥。装 置设有变电站中央控制室监控台及远程监测通信口。 为了实现s t a t c o m 提高系统暂