（电力系统及其自动化专业论文）福建电网电压稳定运行及控制技术研究(1).pdf

a b s t r a c t t h i st h e s i s 翻】i n n 埔r i z e dt h et e c h n o l o g i e sa n dm e a s u r e so fp o w e rg r i dr e a c t i v e p o w e rv o l t a g ep r o g r a m m i n g o p e r a t i o n , w a t c h , c o n 血 o le t c i n s i d ea n do u t s i d e f o r f u j i a np o w e rg r i d s o m ep r o b l e m sa r es t u d i e da n dd i s c u s s e d , s u c ha sr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o na n da d j u s t , s t a t i ca n dd y n a m i cv o l t a g es t a b i l i t yl e v e la n a l y s i s ，d y m m i c r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dc e n 舡a l i z e dd e c i s i o n - m a k i n ga u t o m a t i cv o l t a g e c o n t r o lt e c h n o l o g y ，o n l i n ev o l t a g es t a b i l i t yw a t c ha n dg u a r dc o n t r o l ，v o l t a g ea n d r e a c t i v ep o w e rc o n 的li ne l e c t r i cm a r k c tc i r c u m s t a n c e ， t h i st h e s i se x p o u n d e du n i v e r s a lp r o b l e m so fo p e r a t i o n , a d j u s t m e n ta n dc o n t r o l o fp o w e r 鲥dv o l t a g e b a s e do nf u j i a np o w e rg r i da c t u a lc i t e s ，c o m b i n e dw i t h u n d e r s t a n d i n go fo w nm a n yy e a r s d i s p a t c h , o p e r a t i o n , m a n a g e m e n tp r a c t i c e ，s o m e m a n a g e m e n tf u n d a m e n t a la n dt e c h n o l o g ym e a s u r e so ff u j i a np o w e rg r i da r er a i s e d , i n c l u d i n gr e a c t i v ep o w e rp r o g r a m m i n g ，o p e r a t i o na n da d j u s t i n g ，a u t o m a t i cc o n t r o l ， w a t c ha n dg u a r d , e t c 。 i nt h i st h e s i s ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cv o l t a g es t a b i l i t yl e v e l so f f 吗i a np o w e rg r i d a r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d , s o m em e a s u r e sa n ds c h e m e sc o u l di m p r o v ev o l t a g e s t a b i l i t ya r ep u tf o r w a r d , t h ee f f e c t so fs v cd y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt o i n a 昭a s ev o l t a g es t a b i l i t ya n dp r e v e n tv o l t a g ec o l l a p s ea r es t u d i e d , c e n t r a l i z e da n d d e c e n t r a l i z e dd y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ( s v c ) s c h e m e sa r eb r o u g h t f o r w a r d ht h i st h e s i s t h ei m p m v e dp r a c t i c a lg e n e t i ca r i t h m e t i ci s a d o p t e da n dt h e c e n t r a l i z e dd e c i s i o n - m a k i n ga u t o m a t i cv o l t a g ec o n t r o ls y s t e m ( a v e ) a c h e m ei sp u t f o r w a r d t h r o u g ha d j u s t i n ga u t o m a t i c a l l y t h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls e t so fb i g h y d r o - p l a n t , s t e a mp l a n ta n dt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ns e t so ft r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n , a l lt h eb u sv o l t a g e sa r em a i n t a i n e dt oa l l o w e dr a n g e ，t h ep o w e r 面d s o p t i m i z a t i o na n ds e m i - o p t i m i z a t i o nr e a c t i v ep o w e rl o a df l o wa d o n e t h ea i mo f i m p r o v i n gt h ev o l t a g ee l i g i b i l i t ym t eo ft h ep o w e rg r i dc h e c kp o i n ta n dr e d u c i n gt h e p o w e r l o s sm t eo f t h ep o w e rg i di sg o t i nt h i st h e s i s ，i ti sd i s e a s e do u l i n ev o l t a g es t a b i l i t yi n s p e c t i o na n dd e f e n s ei i l d e t a i li nf i i i 姐p o w e r 西d sc o n t r o ls y s t e m i tp r o p o s e so n l i n ev o l t a g es t a b i l i t y c o r r e c t i o nm e a s u r et h r o u g hs e n s i t i v i t ya n a l y s i s i tu s e sf a u l to r d e rt om a k es u r et h e s e v e r ef a u l tw h i c ha f f e c tv o l t a g es t a b i l i t y i ti sa l s op o s s i b l et op r e d i c tt h er i s ko f v o l t a g e ，i n s p e c tr e g i o nd y n a m i cs p a r er e a c t i v et h o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e s t a t i cv o l t a g es t a b i l i t yl e v e lb e f o r et h ef a u l ta n da f t e rt h ef a u l t t h et h e s i sg i v e sar e s e a r c ha b o u tt h ep o w e rm a r k e ti n s i d ea n do u t s i d e ，w l d c h f o c u s0 1 1t h eb a l a n c eo f t h es t a b i l i t ya n dt h ep r a c t i c a b i l i t y i tf m d st h a tv o l t a g em a i n l y t a k e so nt w oa s p e c t s ：t h er e q u i r e m e n to fv o l t a g es t a b i l i t ya n dt h es e r v i c eo ft h e r e a c t i v ep o w e r a l s o ，t h ea u t h o rp r e s e n t sh i so w ni n t e r p r e t a t i o na n d e x p e c t a t i o na b o u t t h ec o n t r o lo f v o l t a g es t a b i l i t ya n dt h es e r v i c eo f r e a c t i v ep o w e r t h el a s tp a r to f t h et h e s i ss u m m a r i z e dt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h , s o l v ep r o b l e m s s h o u l db es o l v e da l eb r o u g h tf o r w a r df o rm o l er e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ： p o w e rs y s t e m ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , v o l t a g es t a b i l i t y , d i s p a t c ha n d o p e r a t i o n , w a t c ha n dg u a r dm e a s u r e s h i 中国电力科学研究院硕士学位论文 致谢 衷心感谢导师汤涌，刘肇旭教授对本人的精心指导! 感谢国家电力科学研究 院马世英高工、浙江大学郭瑞鹏博士对本论文工作的帮助! = = = = = = = = = 昌= = 昌= 昌= = = = 譬= = = = = = = = = 昌毒= = = 皇= = ；= ；= = = = ；= = = 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的 其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名： 中国电力科学研究院硕士学位论文 第一章概述 1 1 开展电压运行及控制技术研究的必要性 随着世界电力工业的飞速发展，在对电力系统功角稳定问题进行了大量的研 究之后，电压稳定问题作为电力系统稳定性的另一个重要方面，从2 0 世纪7 0 年 代以后逐渐受到了广泛的关注。国际上一些大电网，都曾因为电压稳定破坏而引 发长时间的停电事故，如：1 9 7 7 年美国纽约屯网、1 9 7 8 年法国电网、1 9 8 2 年比 利时电网和加拿大魁北克电网、1 9 8 3 年瑞典电网、1 9 8 7 年日本东京电网、1 9 8 9 年加拿大魁北克电网，1 9 9 6 年美国西部联合电网等，造成了巨大经济损失和负 面社会影响。包括2 0 0 3 年8 1 4 的美加大停电事故，其严重后果引起国际各界的 震惊。对电压稳定问题的研究，成为全世界电力工程师们的研究热点。 伴随着我国经济的迅速发展，我国的电力工业迸入了高电压、大机组、远距 离传输并逐步实现全国大联网的阶段。我国互联电网结构日趋复杂，跨区域的长 距离集中送电的交流输电通道或交直流并联输电通道越来越多，由于新型输电技 术的采用和峰谷负荷差的加大，使电压的调控难度越来越大；在有些互联电网中 受端负荷中心动态无功备用不足和送电通道过于集中同时并存，这增加了电压崩 溃事故的危险性，在输电通道上出现多重严重故障时，容易发展成为全网性的电 压崩溃事故。近几年全国联网系统的运行情况来看，具有一定普遍性的电压无功 问题主要体现为以下几个方面： 一、主网架的电压支持能力不足，影响电网的稳定水平和大事故扰动后系统 电压恢复能力，在大区电网互联以后，中间支持系统的动态电压支持能力不足还 将会影响到互联电网的阻尼特性。 二、受端电网外受电力比重较大，动态无功支持能力不足，方面限制了外 受电力的能力，另一方面降低了受端系统抵御大事故的能力。大部分电网的电压 控制手段粗放、单一，无功分层分区不到位，大量无功往往从高电压等级向低电 压等级电网下泻，特别是用户侧无功补偿容量不足。近年来，由于负荷的迅猛增 长，华东电网负荷中心地区的无功补偿明显不足，苏锡常地区和浙江西南金华、 温州地区、上海黄渡分区、福建厦门泉州地区等受端枢纽5 0 0 k v 变电站2 2 0 k v 变电站无功大量下送，局部电网的低电压问题十分突出，在用电高峰期间，出现 局部地区的电压调节能力差，在大故障扰动下有发生电压失稳事故的危险。三、 峰谷负荷差加大，无功调节手段不足，使电压调控难度越来越大，表现为低谷负 荷期间部分地区电压偏高、高峰负荷期间部分地区电压偏低。全网充电功率补偿 度满足要求，但局部电网补偿度不足，在系统负荷较低情况下可能出现局部电压 中国电力科学研究院硕士学位论文 偏高的问题。 四、目前电力供应的的紧张局面使联网系统的主要输送通道更加接近极限运 行。近年来，随着“厂网分开、竞价上网”的电力工业市场化改革的深入，电力 系统的生产和组织形式将会发生深刻的变化，调度方式也会转向市场化的经济型 调度，辅助服务要实现有偿化。发电企业追求发电效益和电力用户对供电质量和 可靠性的要求会越来越高，电网潮流的快速变化对电网的安全稳定运行提出了更 高要求，要求电网有更高的输电裕度，电压稳定可能成为导致输电阻塞、制约电 力市场充分竞争的重要原因之一；而无功和电压调整是电力市场辅助服务内容的 重要方面。 五、以下电力系统元件和设备都对电压稳定产生影响： ( 1 ) 负荷的动态特性对系统的电压稳定性有着十分显著的影响。其中特别 重要的是电动机负荷、低惯量空调负荷、电压不灵敏负荷等。 ( 2 ) 有载调压变压器( o l t c ) 在低电压下的负调压作用或连续调节是电压失 稳的主要原因之一。低电压时，o l t c 动作使副边电压升高，原边电压下降，电 流增大。当o l t c 连续动作使发电机无、功越限或使动态负荷失稳时，造成电压 水平的急剧下降，从而导致电压崩溃。o l t c 的作用应和负荷特性结合，否则会 得出截然不同的结果。 ( 3 ) 发电机是系统中主要的有功、无功源，其中的励磁调节器又是系统中 最主要的电压控制手段。发电机充足的无功容量和良好的励磁控制对电压和无功 起支持作用，而发电机达到励磁限制后，失去了电压和无功的控制作用，造成系 统无功短缺和局部电压下降，可能触发电压不稳定事故，导致电压崩溃。同时发 电机定子电流限制器动作也会恶化电压稳定性。 ( 4 ) 静止无功补偿装置( s v c ) 及高压直流输电系统( h v d c ) 对电压失稳也有 较大的影响。m 仍c 的整流和逆变环节都要消耗大量的无功，h v d c 与弱交流 系统相联时，将对电压稳定产生不利的影响；而s v c 向系统输入无功，有利于 电压稳定，但受到s v c 容量的限制，一旦达到容量极限，就丧失调节无功的能 力。 ( 5 ) 电力系统中其他一些控制装置( 如低压、低频减载装置以及二级电压控 制等) 及控制措施( 如投切电容，发电机的投入、切除，发电机出力的重新分配， 线路的切除等) 以及新型f a c t s 设备都会对电压稳定产生较大的影响。 ( 6 ) 抽水蓄能电站在运行方式改变的过程中，对电网运行电压波动产生较 大影响。 以上六个方面反映了我国电网电压无功的主要问题，随着国民经济对电力负 荷的增长需求，各大区电网逐步实现互联，全国联网初具规模。同时由于新型输 2 中国电力科学研究院硕士学位论文 电技术的采用，如大规模电力电子器件的采用和灵活交流输电技术( f a c t s ) 的 发展使得机组与系统的控制状态日趋复杂，许多新的稳定性问题也就随之而来， 近年来在世界范围内发生的多起大停电事故，很多表现为电压崩溃性事故 长期以来，我国输变电工程建设落后于发电工程，而发电工程又远落后于负 荷增长的需要，电网结构相对薄弱。电网的发展和运行都有系列新的问题，大 容量机组投入运行又要求与大系统的运行进一步互相协调。这些情况在今后相当 长时期还将继续存在。与此同时我国电力系统的容量不断增长，如何保证日益发 展的大容量电力系统的安全稳定运行，是一项紧急而又重大的任务。因此，借鉴 国内外大电网运行实践中的经验教训，深入开展电压运行及控制技术研究是十分 必要的。 1 2 福建电网开展电压运行及控制技术研究的必要性 目前我国的电压运行标准可参照 电力系统电压和无功技术导则中的要求。 对5 0 0 k v 系统，在正常运行方式时电压运行偏差为啦l o ，事故运行方式时 为5 斗1 0 ，对2 2 0 ( 3 3 0 ) k v 系统，在正常运行方式时为3 - - - + 7 ，事故运 行方式为1 0 。技术导则中对电压运行标准的规定是维持电网安全稳定运行的 必要条件之一，在正常运行方式下，系统各点电压能保持在一定水平值范围之内， 并保证在不同送电功率和负荷水平下，网损较小，电网中不出现大的无功环流。 福建电网运行控制中出现的无功电压问题主要有以下几个方面： ( 1 ) 随着沿海地区负荷的快速增长，网供无功量也随着增加，福建电网部 分地区的电压运行水平呈下降趋势，主要表现在泉州、厦门等地区，运行电压水 平已经接近下限。 ( 2 ) 元件检修方式或机组停运方式下，电压运行水平难以满足考核标准 ( 2 1 3 4 k v ) ，如厦门、泉州联变检修最低电压为2 0 5 7 k v 。若嵩屿电厂停运l - - 2 台机组，厦门地区电压处在电压合格下线运行；如果嵩屿机组全停，厦门地 区电压水平降低至一类障碍，如半兰山、安兜、东渡、厦禾变运行电压在2 0 2 2 0 6 k v 之间，厦门地区要拉荷限电。 ( 3 ) 在大方式下电网容性无功补偿缺额较大地区分别是泉州、福州、厦门、 漳州、宁德。华能、嵩屿、湄洲湾电厂无功出力都接近0 9 力率运行，正常调度 运行要求留有一定无功储备，以保证电网安全稳定运行。 ( 4 ) 福建电网水电比重大，运行方式受来水影响严重，汛期水电大发时， 龙岩、三明、南平等地区容性过补偿，机组需迸相运行以控制电压，降低了电 中国电力科学研究院硕士学位论文 网的稳定水平。 ( 5 ) 福建电网的a v c 系统对各大水、火电厂励磁控制装置和变电站无功补 偿设备进行自动调控，维持电网母线电压在允许值范围内，实现电网最优或次优 无功潮流，但未考虑电网电压稳定约束。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文总结了国内外电网无功电压规划、运行、控制等方面的技术和措施， 包括：改善电压水平的预防性措施、动态无功补偿设备和技术、在线电压稳定监 铡系统和广域测量新技术的应用等，并针对福建电网的一些问题做了研究，主要 包括以下几个方面； ( 1 ) 阐述了电网电压运行及控制的各方面问题，涉及电网无功规划、电压 稳定运行和电压控制，并结合自己多年工作实践，提出结合电网实际运行的无功 规划、运行、控制的原则及管理方法和技术措旅。 ( 2 ) 结合福建电网运行情况，分析了福建电网静态、动态电压稳定性，提 出增加无功补偿、改善电压稳定性的措施和建议，同时考虑s v c 动态无功补偿 对提高电压稳定性和预防电压崩溃性事故的影响，分别研究了集中型和分散型动 态无功补偿( s v c ) 的配置，并提出福建电网集中决策自动电压控制系统( a v c ) 实施方案。 ( 3 ) 详细研究了福建电网在线电压稳定监测系统。包括了电压失稳临界点 位置和电压稳定裕度指标在线计算、电压稳定薄弱环节及关键发电机组及关键线 路的确定，通过灵敏度指标的分析提出在线电压稳定的校正措施及对策、通过对 电压稳定的故障排序确定对电压稳定有影响的严重故障方式，并进行事故后与事 故前的静态电压稳定水平比较和直观的可视化界面，实现电压安全预警、区域动 态无功备用指标监测等功能。 ( 4 ) 电力体制改革给电网安全稳定带来了深刻的影响，论文关注国内外电 力机构对电力市场环境下稳定性与经济性的矛盾研究，提出对电力市场环境下的 电压稳定控制和无功辅助服务管理的理解和展望。 ( 5 ) 最后，论文还对目前电压运行及控制技术领域存在的一些悬而未决的 问题进行了思考，提出在耩准的负荷模型研究和暂态及动态电压稳定研究的算法 和模型等方面都需要开展进一步的工作。 4 中国电力科学研究院硕士学位论文 第二章国内外电压运行及控制动向 电网电压运行及控制涉及规划、运行、控制等多方面的内容，又以无功功率 平衡和电压稳定性为基础。 2 1 电网无功的功率平衡原则及注意的问题 无功规划应包括无功功率补偿设备容量及其在电网中的合理配置，以保证无 功功率的分层、分区就地平衡；还应包括无功功率及电压调节设备的调节能力和 从全网出发的控制思路随着我国电网的建设，输电容量越来越大，输送距离越 来越远，出现了明显的大受端电网电压稳定问题，这也是无功功率规划和无功电 压的综合调控成为目前倍受关注的原因之一。 2 1 1 无功功率平衡原则 电力系统的无功平衡是系统电压质量的根本保证。在电力系统中，整个系统 的自然无功负荷总大于原有的无功电源，因此必须进行无功补偿。合理的无功补 偿和有效的电压控制，不仅可保证电压质量，而且将提高电力系统运行的稳定性、 安全性和经济性。 自然无功负荷包括电力用户补偿前的无功负荷、各电压级变压器及送电线路 的无功损耗、发电厂自用无功负荷、各种电抗器的无功损耗等。无功电源包括发 电机实际可调无功容量、线路充电功率、无功补偿设备中的容性无功功率容量等。 无功平衡的主要原则有如下几点： ( 1 ) 电力系统在正常运行方式下满足无功的分层、分区平衡原则。 电网的负荷分布受地区经济发展因素的影响，随机性很大，电源点的选择受 能源分布、交通运输、环境保护等诸多因素的影响，负荷和电源点的分布决定了 电力的流向。电网规划就是在负荷预测基础上，根据电力流向确定合理的输电网 架。有功潮流的大容量远距离传输是现代大区互联电网发展的必然趋势，由于电 力市场化的发展趋势，电网的潮流变化更加频繁和无规律。在电网运行中，无功 的远距离传输不仅会加大输电网架的损耗，而且使电网的电压水平难以控制。因 中田电力科学研究院硕士学位论文 此，要维持各点电压水平，就必须使无功电源和无功负荷在任意时刻都相互平衡， 即使在电源附近，也应考虑适当的补偿，做到在不同电压等级的平衡，并且做到 各分区内相互平衡，从而避免多级变压器之传输大量无功电力。 无功平衡是针对不同运行点而言的，无功负荷和无功电源的出力随运行方式 千变万化。在运行方式的变化过程中，要控制电压水平在要求的范围内，必须使 无功的配置容量满足上下限的要求，依据有代表性的设计水平年和典型运行方式 选择配置容量。一般总是按照最大无功负荷时间点和最小无功负荷时间点作为平 衡对象。前者对应于典型大方式，由于系统潮流重，无功不足而引起电压下降， 需要考虑补偿容性无功；后者对应于典型小方式，由于系统潮流轻，充电功率不 能平衡，引起系统电压升高，需要考虑补偿感性无功。 ( 2 ) 事故方式下满足动态的无功平衡和快速的无功调节需求。 电网充足的静态无功补偿是保障事故状态下电压快速恢复的基础。系统遇到 大的事故扰动后，需要重新建立新的平衡点，伴随着大量的潮流转移，系统电压 会出现大幅度的跌落，有功平衡过程中需要动态的无功备用提供电压支持，因此， 紧急的无功备用对于故障后系统电压的恢复和预防大的电网崩溃性事故至关重 要。发生大的事故扰动后，采取必要切机、切负荷措施后，系统应能保持电压稳 定和正常供电 建立动态的无功平衡需要有快速调节能力的无功补偿设备，系统内发电机和 同步调相机具有快速调节性能，通常可以预留出部分容量作为紧急的动态无功备 用。另外，静止无功补偿设备s v c 、静止无功发生器s 1 肖r c o m 及其它快速可 投切的无功补偿设备也可以作为系统中的动态无功备用。 2 1 2 无功平衡应注意的几个问题 ( 1 ) 考虑运用市场经济手段，加强无功电压管理 随着市场经济的发展和电力体制改革的深入，传统的调度模式和管理办法已 经无法适应新形势的要求，因此在遵循电网发展规律的前提下，积极探索适应当 前形势的无功电压管理办法有着重要的意义。今后应在仔细研究国家相关政策和 电网协调运行的基础上，制定完善的经济奖惩办法，加大考核力度，运用市场经 济手段加强无功电压管理，减少电压波动，提高电网的管理水平。 ( 2 ) 推行用户就地无功补偿 6 中国电力科学研究院硕士学位论文 由于长期受有功短缺的影响，许多用户忽视用电功率因数，未能根据电力负 荷的变化投切电容器，造成电网无功功率分层分区平衡失控，使原由用户承担的 调压责任和补偿容量由电网来承担，客观上增加了电网的负担，影响了电网的经 济性和安全性。上海电网无功补偿经验是：整个系统的安全，用户就地补偿是最 大的原则。要求变电站一次侧的受电功率因数在低谷负荷时不得高于o 9 5 ，高峰 负荷时不得低于o 9 5 ，大大减缓了因负荷大起大落造成的大的电压波动。电网只 解决用户解决不了的问题，即补偿电网本身产生和消耗的无功( 一般电网补偿为 过补偿) 。无功储备留在发电机中以便事故情况下迅速调出。这样，系统调压是 主动、经济、高效的，且有较强的抗事故冲击能力。 ( 3 ) 开展对电网无功电压实时平衡的研究 从运行上看，由于无功电压运行管理上的复杂性，多年来多数调度部门把对 无功补偿设备的控制权限下放给电厂和变电站，要求其按照下达的电压和功率因 数曲线执行，较少从系统角度考虑无功电压的实时平衡。各网省调的运行经验证 明：实行电网无功电压统一管理与调整，分区实现无功电压的实时平衡，可以有 效地改善电网的电压水平【l j 。 2 2 全局性的电网无功补偿、控制及调整 2 2 1 无功补偿和调节 对于送电主网，如5 0 0 k v 电网，需要在全系统的基础上进行无功功率补偿 设备的协调配置，有两种做法：一是在全系统的基础上先安排最高级主网的无功 功率规划，如法国、意大利等，先求得在每一最高电压电冈应当安排的总补偿容 量，然后补充特定地区的无功功率规划，在较低电压电网中合理分配这些容量， 并与无功功率补偿需要相协调；另一种方法是先预测各地区的无功功率需求，如 英国、瑞典、德国等，然后将各地区的要求与最高电压电网的无功要求相协调。 我国，包括福建省，在无功补偿配置方面，综合考虑了以上两种方法，在具体实 施中还必须考虑到电网拓扑结构的变化、系统运行方式的变化等。 无功与电压调节中为了保证事故后系统最低电压高于规定的最低值，防止出 现电压崩溃事故和同步稳定破坏，必须保证规定的无功功率储备。联络线传输无 功功率产生的无功损耗有两部分：一部分是因为沿电抗传输有功功率而产生的， 7 中国电力科学研究院硕士学位论文 这是不可避免的，另一部分则是因为经联络线传输无功功率，传输的无功功率越 大无功损耗就越大，同时无功损耗的增加也增加了有功损耗。这要求无功功率的 分区平衡，尽可能不大量的输送无功功率，要求整个电网具有灵活的无功功率调 节能力，要求电网具有分布的无功备用容量，以满足事故后系统的恢复。为了保 证事故后系统电压和电网同步运行的稳定性，无功功率备用容量需要能够在电压 降低后自动的、无时延的使用，利用电力电子技术的静止无功补偿装置具有快速 响应的灵活无功电压调节能力，在电网中受到愈来愈多的应用。特别是在我国目 前形成的多个大受端电网，如果受端电网没有足够的无功电压支持和调节手段， 当主要输电线路发生故障后，会造成受端系统电压失稳，而酿成连锁反应故障， 造成大面积停电。 2 2 2 合理无功电源配置与无功潮流分布 系统中的无功电源包括发电机、调相机、补偿电容器、静止补偿器等的无功 输出功率。一般用电设备消耗的无功功率大约是它们所消耗有功功率的5 0 1 0 0 ，输配电各环节所消耗的无功功率与用电设备消耗的无功功率大致相同【5 】， 这样，需要无功电源提供的无功功率将达到用电设备消耗无功功率的两倍。如果 无功功率不能够分区、分层就地平衡，就会造成大量的无功功率通过线路输送到 用电设备处。从整个电网来看，无功功率将从无功电源充足的区域送往无功电源 不足的地区，需要输入的无功功率越多，则需要两侧的母线电压差越大，在无功 电源分布不合理的情况下，会造成一些地区母线电压偏高，而另一些地区母线电 压偏低，同时大量无功功率的输入也使网损增加。因此，为改善电压质量和减小 网损，必须尽可能减小无功潮流，这就要求无功电源必须尽可能靠近用电设备， 使无功功率就地平衡。 变电站中有载调压变压器通过切换分接头，起到调整电压和降低损耗的作 用，但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 用这种方法来提高系统的电压水平。有载调压变压器的应用是有条件的，有载调 压变压器所处的系统必须是一个无功充足又相对比较平衡的系统。因此只有将无 功就地补偿和变压器有载调压这两种方式结合起来，采用有载调压变压器和并联 无功补偿器综合控制，根据运行情况进行电压无功自动调整，以保证负荷侧母线 电压合格，这是分散的局部最优控制。尽管达到分散局部最优，对于全网来说未 必最优，所以还必须通过集中控制来解决，这包括无功电压静特性的实时辨识、 中国电力科学研究院硕士学位论文 网络拓扑确定和最优化计算的数学模型。 无功电压静态特性和实时辨识：不同运行电压与用电设备取用无功功率之间 的关系称为用电设备的无功电压静态特性。不同设备以及同一设备在不同电压下 的无功电压静态特性不同，因此在实时控制中必须对无功电压静态特性的相关参 数进行实时辨识，以便达到精确的控制。 电网的网络拓扑结构：随着运行方式变化、设备检修以及故障等原因而造成 变电站主接线的变化，即变电站的拓扑结构发生变化。电网也会由于相同的原因 而发生网络拓扑结构的变化。由于网络的组态是动态的，断路器可能在任何时刻 发生变化，使网络分成几个独力的予系统，因此对于电两的全局无功电压控制， 必须实时了解嚼络拓扑结构的变化。 无功电压优化控制的数学模型：优化控制的目标一般有：网损最小、补偿容 量最小、补偿效果最大及经济效益最大。以无功补偿设备安装地点、安装容量及 变压器有载分接头为控制手段，以系统各节点运行电压为约束条件，通过求解数 学模型而得到最优化结果。 2 2 3 电压无功控制措施 ( 1 ) 基于全局模式的无功电压控制措施 从对目前实际系统中采用的三级电压控制模式来看，如果采用动态分区和枢 纽节点选择，并同时在各区域的控制过程中考虑对区域联络线的控制，各区域控 制中心的二级电压控制任务由软件完成，则既可兼顾三级电压控制模式的优点， 也避免了该控制方式的主要缺点。无功电压控制系统由设置在省调端的主站系统 和分散在各主力发电厂、枢纽变电站的子站系统组成，主站和子站系统之间通过 现有数据采集系统或数据通信网互连。 主站系统中无功电压控制嵌入能量管理系统( e m s ) ，主要功能包括：电压 稳定的安全监视和预警、电网的无功电压优化控制和二级电压控制。子站系统采 用遥控或当地的控制模式实现对主站侧电压设定值的自动跟踪和调整。 基于全局模式的无功电压控制系统基本结构如图2 i 所示。和三级电压控制 相似，系统采用了分级递阶的控制方式，由主站侧无功电压优化控制协调各区域 的二级电压控制；各区域的二级电压控制主要负责对该区域内的无功资源进行协 调控制，并尽可能地保留较大的无功储备以应付紧急情况的发生；而各无功设备 9 中国电力科学研究院硕士学位论文 的一次控制主要负责对该设备安装点的无功电压调整 图2 1 基于全局模式的无功电压控制系统的基本结构 ( 2 ) 无功电压优化控制 无功电压优化控制的主要作用是以全系统的经济运行为优化目标，并考虑安 全性指标，通过实时在线无功优化程序，最后给出各区域的枢纽母线的设定参考 值以及联络线的无功潮流设定值，供二级电压控制使用。用户可以修改给出的枢 纽母线的设定参考值以及联络线的无功潮流设定值。如果只有部分网络参与控 制，在无功优化时，把这部分网络和电网其它部分的联络线无功作为优化的对象， 而电网其他部分的数值可以保持当前数值，或者由用户指定，保证优化的结果既 优化控制区域，又不影响非控制区域。 在进行无功优化计算时，不一定每次计算都能得到最优解，当无功优化程序 由于不收敛等其他原因无法给出可行解时，可由调度人员设定枢纽母线的参考 值，或者保持上个时段各区域枢纽点的电压参考设定值。全网无功电压优化计算 的频率宜在半小时左右。如果无功优化计算成功，则可通过二级电压控制层实现 闭环的无功电压优化控制。 ( 3 ) 厂站侧无功电压控制 厂站侧无功电压调节装置的主要作用是根据该区域的二级电压控制器给定 的电压设定值实现对无功设备的实时调整。厂站侧的无功电压控制主要包括“闭 l o 中国电力科学研究院硕士学位论文 环遥控”和“当地控制”两种控制模式。 f j 环遥控模式指主站端和厂站端通过省调与厂站端的数据通道完成电网无 功电压闭环调整的运行方式。该方式为正常运行时采用的方式。在该控制模式下， 厂站侧无功电压调节装置接收主站下发的无功电压控制指令完成对控制指令的 自动跟踪。 当地控制模式指主站端不下发无功电压的控制指令而仅由厂站端自行根据 历史设定的电压曲线或在人工干预下做当地无功电压调整的运行方式。该方式为 非正常运行时采用的方式，如厂站a v c 装置调试或通道异常等情况。在该控制 模式下，如果通道正常，则主站端仍应当实施对厂站无功电压控制情况的动态监 控，只是不下发控制指令而己。 2 3 电压稳定及运行 2 3 1 电压稳定及其分析方法 i ，电压稳定 电压稳定虽然研究了很多年，但到目前为止，学术界对它还没有公认的严格 定义。c h a r l e sc o n c o r d i a 【2 】将电压稳定定义为“电力系统在合适的无功支持下维 持负荷点电压在规定范围内的能力。它使得负荷导纳增加时，负荷功率也增加， 功率和电压都是可控的。”“电压不稳定表示为负荷导纳增加时，负荷电压降 低很多以至负荷功率降低或至少不增加。”与此相应，c w 1 a y j o l j 刃将电压失稳 定义为“电压稳定的丧失，导致电压逐步衰减的过程”，而电压崩溃则为“故障 或扰动后的节点电压值已超出了可接受的范围”。p k u n d m j 4 将电压稳定性定义 为“电力系统在正常运行或经受扰动后维持所有节点电压为可接受值的能力”。 而电压失稳是指“扰动引起的持续且不可控制的电压下降过程”，至于电压崩溃 则是指“伴随着电压失稳的一系列事件导致系统趵部分电压低到不可接受的过 程”。 我国在2 0 0 1 年由国家经贸委颁发的电力系统安全稳定导则中，参照了 国际电力界对电压稳定的定义和分类，并结合我国的实际情况，将电压稳定定义 为：电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内， 不发生电压崩溃的能力。并指出：电压失稳可以发生在正常工况，即电压基本正 常的情况下；也可能发生在不正常工况，即母线电压已明显降低的情况下：还可 能发生在扰动以后旧。这与2 0 0 3 年i e e e c i o r e 发布的电压稳定性定义与分类【6 1 有相似之处，在那份报告中，电压稳定性分成下列两类： 中国电力科学研究院硕士学位论文 大扰动电压稳定性指的是系统受大扰动( 如系统故障、失去发电机、或电路 事故等) 后维持稳定电压的能力。这种稳定性是由系统和负荷特性以及连续或断 续的控制和保护的相互作用决定的。确定大扰动电压稳定性需要通过足够时间周 期上电力系统非线性响应的检验，只有足够长的时间才能捕捉如电动机、带负荷 调分接头变压器和发电机磁场电流限制器等设备的特性和相互作用。大扰动研究 关注的研究周期从几秒钟到数十秒钟。 小扰动电压稳定性指的是当系统遭受小扰动( 如系统负荷不断增加) 后维持 稳定电压的能力。这种稳定性是由系统和负荷特性以及连续或断续的控制和保护 的相互作用决定的。这种稳定形式受在给定时刻的负荷特性、连续控制和断续控 制的影响。确定在任何时刻系统电压如何响应于系统小的变化的概念是很有用 的。为了分析，采用合适的假定，系统方程可以线性化，因此有价值的灵敏度信 息的计算在识别影响稳定性的因素中很有用。然而，这种线性化不能考虑如变压 器分接头改变控制( 有死区、离散的时步、时间延时) 等非线性影响，因此，线 性和非线性分析结合作为一种补充方法使用1 7 - 8 j 。 如上所说，电压稳定性问题关注的时间框架可从几秒钟到数十分钟变化，因 此，电压稳定性可以是短期的或长期的现象，即： ( 1 ) 短期电压稳定性包括快速作用负荷元件如电动机、电子控制负荷以及 h v d c 换流器等的动态。关注的研究周期是几秒量级，分析要求解合适的系统微 分方程组。这类似于转子角度稳定性分析。负荷的动态模型常常是基本的。 ( 2 ) 长期电压稳定性包括慢作用的设备如分接头可调变压器、恒温控制负 荷以及发电机电流限制器。关注的研究周期可以扩展至几分钟或许多分钟。为了 分析系统动态特性，需要长期仿真【9 - 1 1 l 。稳定性通常是由导致设备退出来确定的， 而不是起始扰动的严重程度。不稳定是由于失去长期平衡点( 例如，当负荷力图 恢复其功率超过传输网络和相连发电机的能力的时候) ，扰动后稳态运行点是小 扰动不稳定的或缺乏向着稳定的扰动后平衡点的吸引力( 例如，当补救措拖施加 得太晚时) 【l 3 1 。扰动也可能是持续的负荷积累( 例如早晨负荷增加) 。 不论表达方式如何，电压稳定问题的确是电力系统中与发电机转予相对运动 的功角稳定不同的客观现象。电压稳定问题引起了世界各国研究者和电力界工程 师的关注，随着研究的不断深入，得出了一些重要理论成果，主要包括： ( 1 ) 时间框架类。一般来说，电压不稳定事件的时间框架在几秒到几十分 钟的范围内，因此一般定义三种时间框架以便于建立模型和进行机理分析，它们 是：暂态电压稳定性；经典电压稳定性和长期电压不稳定性。 ( 2 ) 系统模型类。电压崩溃分析中通常采用两种模型：一种是静态潮流模 型；这种方法认为，尽管负荷是连续增加的，但电压崩溃主要是几个顺序瞬象作 中国电力科学研究院硕士学位论文 用的结果；另外一种是简化动态模型；它可以捕捉系统的暂态特性。 ( 3 ) 电压崩溃辩识类。利用线性化潮流方程组系数矩阵在电压崩溃点处奇 异这一特性，许多文献采用分岔理论来辩识系统电压崩溃点。 目前电压稳定研究的内容按其研究的目的不同，主要分为电压崩溃机理的探 讨、电压稳定安全指标计算和预防校正措施等三方面的研究。 2 、电压稳定性的分析方法 电压稳定研究的范畴和目标来看，包括电压稳定机理研究、电压稳定安全性 评价、电压稳定预防性对策等几个方面，电压稳定安全性评价和预防性对策对实 际电网的运行控制更为重要，目前应用的较为广泛的主要有基于稳态潮流的静态 电压稳定分析方法和动态仿真方法。 ( 1 ) 静态电压稳定分析方法 静态电压稳定性分析方法是建立在常规潮流方程基础上的。通常静态方法是 要回答电压稳定性裕度和电压稳定性机理两方面的问题。 静态电压稳定的研究方法在获取电网的极限运行状态，指导生产调度方面起 到了重要作用。静态电压稳定水平主要由无功功率平衡条件决定，静态稳定判据 一般都是以电力系统的极限输送能力作为静态电压稳定的临界点。当负荷大幅度 上涨后，如果系统的无功补偿能力严重不足，调度运行部门在全网电压下降过程 中应果断切除部分负荷；当系统无功功率供应不足时，如果继续保持负荷侧的电 压水平，势必造成上一级电网电压下降，严重时会拖垮高压电网电压，发展为电 压崩溃。负荷的缓慢增加导致负荷端母线电压缓慢下降，在到达电力系统承受负 荷增加能力的临界值或接近临界值时，任何使系统状态越出临界值的扰动：如负 荷的继续增加、系统故障或系统运行的正常操作等都有可能使负荷母线电压发生 不可逆转的突然下降，而在电压突然下降之前的整个过程中，发电机转子角度和 母线电压相角并未发生十分明显的变化。这种特点的电压稳定的丧失是不易被运 行人员察觉的。 静态电压稳定研究的内容主要为评估当前运行状态下的电压稳定指标、控制 手段的效果、系统薄弱环节和危及系统安全的故障、拟定提高系统电压稳定裕度 的预防校正控制措施、求取在给定系统变化模式下的极限状态以及当前点与最近 电压崩溃点的距离等。主要归结为：电压稳定安全指标的计算【1 4 、电压稳定的 控制【”】、电压稳定的故障选择和筛选【16 】等三