（控制理论与控制工程专业论文）基于超短期负荷预测的变电站综合调压研究.pdf

摘要 随着我国城乡电网改造，对配电网建设的越来越重视和无功补偿技术的发展， 低压侧无功补偿技术在配电系统中也开始普及，从静态补偿到动态补偿，从有触 点投切到无触点投切，都取得了丰富的运行经验。目前无功补偿控制装置控制物 理量主要有：无功功率控制、功率因数控制以及电压、无功综合控制。从控制策 略来看，无功功率控制或电压、无功综合控制的控制器控制比较合理，而采用功 率因数控制虽比较简单明了，但如不采取相应措施，则可能产生投切振荡问题。 首先从理论上分析了电力系统无功功率平衡和电压调整关系，对目前各种电 压调整手段优缺点进行了比较，重点探讨了典型电压无功调整装置( v q c ) 的 控制策略，结合所从事电网运行和管理实际工作经验，指出目前多数电压无功补 偿控制装置的控制策略不完善，没有进行优化，主要表现在变压器分接头和补偿 电容器调整次数过多、影响设备寿命和安全以及负荷波动时的投切振荡问题。 提出将超短期负荷预测引入变电站综合调压，重点在综合调压控制策略的优 化上进行了深入研究。首先对变压器分接头调节和补偿电容器投切控制策略进行 优化，充分利用二者的优势，实现优化的综合调压；其前提是必须能判断负荷波 动的情况，掌握负荷变化趋势。因此，一种可行的方法是采用超短期负荷预测的 控制策略，基本思路是建立一种闭环控制，将实际负荷同预测曲线相比较，通过 优化计算，判断是否投切电容器和调整变压器分接头，并充分利用变压器的过负 荷能力，从而达到综合优化的目的。 准确的电力系统超短期负荷预测是实现上述方法的前提和基础，比较了各种 负荷预测方法，分析了负荷特点和变化规律。为提高预测精度和智能化水平，采 用人工神经网、一元线性回归法和指数平滑法相结合的综合短期负荷预测方法。 具有较强的学习、计算、变结构适应、复杂映射、记忆、容错及各种智能处理能 力，能很好的适应负荷变化，计算精度高，能满足实际需要。 在上述研究成果的基础上，建立了无功补偿实时控制解决方案，给出了系统 框图，对典型电压无功控制装置从控制策略上进行了优化，做了软件和硬件的改 进工作。该方法不仅能提高变电站母线电压合格率和功率因数，同时有效地减少 了开关操作次数，延长了设备寿命，减少对系统安全的影响。 关键宇：超短期负荷预测、电压调整、优化 a b s t r a c t w i t l lt h er e f o r mo fp o w e rs y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g y ，r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yo nt h el o wv o l t a g es i d eh a sb e c o m e p o p u l a r i z e d b o t hf r o ms t a t i cc o m p e n s a t i o nt ot h ed y n a m i cc o m p e n s a t i o na n dc o n t a c t t h r o w - c u tt ow i t h o u tc o n t a c tt h r o w - c u th a v eg o tr i c ho p e r a t i o ne x p e r i e n c e a tp r e s e n t 。 t h er e a c t i v ec o m p e n s a t ec o n t r o li sm a i n l yo nr e a c t i v ep o w e rc o n t r 0 1 p o w e rf a c t o r c o n t r o l ，a n dr e a c t i v ep o w e rs y n t h e t i c a l l yc o n t r 0 1 做i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g yi n t o c o n s i d e r e d t h er e a c t i v ep o w e rc o n t r 0 1 t h er e a c t i v ev o l t a g es y n t h e t i c a l l yc o n t r o li s m u c hr e a s o n a b l e a l t h o u g hp o w e rf a c t o rc o n t r o li sc o m p a r a t i v e l ys i m p l e 。t h e r ew i l l p r o d u c et h r o w - c u tv i b r a t i o nw i t h o u tr e l e v a n ts t r a t e g y t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e sh a v eb e e nd o n et ot h er e l a t i o n sh e t w e e nr e a c t i v ep o w e r b a l a n c ea n dt h ev o l t a g er e g u l a t i o no fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m i tc o m p a r e sa l lk i n d so f v o l t a g er e g u l a t i o nm e t h o d sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s , a n dm a i n l yd i s c u s s e dt h e c o n t r o l s t r a t e g y o ft y p i c a lr e a c t i v ev o l t a g ea d j u s t i n gd e v i c e w i t l lt h ep r a c t i c a l o p e r a t i o ne x p e r i e n c ea n dm a n a g e m e n te x p e r i e n c eo ne l e c t r i c a ln e t w o r k ，t h i sp a p e r p o i n t e so u tt h a tm o s to ft h er e a c t i v ev o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ei m p e r f e c t , w h i c h h a v en oo p t i m i z a t i o na n dt o om a n yt r a n s f o r m e rt a p p i n ga n dt o om a n yc o m p e u s a t i o n c a p a c i t o ra d j u s t m e n t t h i si n f l u e n c e st h ee q u i p m e n tl i f ea n dt h es e c u r i t y a l s oc a n s c s t h et h r o w - c u tv i b r a t i o nw i t ht h el o a df l u c t u a t i o n t h es u p e r - s h o r t - t e r ml o a df o r e c a s t i n gt ov o l t a g es y n t h e t i c a l l ya d j u s t i n gh a sb e e n i n t r o d u c e dm a i n l yo nc o n t r o ls t r a t e g yo p t i m i z a t i o no fs y n t h e t i c a l l yv o l t a g ea d j u s t m e n t f i r s t l y ，c a r r y i n go u ta no p t i m i z a t i o no nc o n t r o ls t r a t e g yo ft h et r a n s f o r m e rt a p p i n g a d j u s t m e n ta n dc o m p e n s a t e sc a p a c i t o rt h r o w - c u t , f u l l yu s i n gt w os u p e r i o r i t yt or e a l i z e o p t i m i z e ds y n t h e t i c a l l ya d j u s t m e n tv o l t a g e ；b u tt h ep r e m i s ei st h a ti tc a n j u d g et h el o a d f l u c t u a t i o na n dg r a s pt h el o a dc h a n g et e n d e n c y t h e r e f o r e o n ef e a s i b l em e t h o di st o u s et h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h es u p e r - s h o r t t e r ml o a df o r e c a s t n 忙b a s i cw a yi st o e s t a b l i s ho n ek i n d o fc l o s e d - l o o pc o n t r 0 1 c o m p a r i n gt h ea c t u a ll o a dw i t ht h e f o r e c a s t i n gc l l r v e ，b yt h eo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o n , j u d g i n gw h e t h e rt h r o w - c u tt h e c a p a c i t o ra n da d j u s t m e n tt r a n s f o r m e rt a p p i n g 。a n df h l l vu s e st h eo v e r l o a da b i l i t yo f t h e t r a n s f o r m e r , t h u sa c h i e v e ss y n t h e t i c a l l yo p t i m i z a t i o n sg o a l t h ea c c u r a t ef o r e c a s to fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ms u p e r - s h o r t - t e r ml o a di st h e f o u n d a t i o no ft h er e a l i z a t i o no ft h ea b o v em e t h o d t 1 1 i sp a p e rh a sc a r r i e do u tt h e c o m p a r i s o no fe a c hl o a df o r e c a s t i n gm e t h o d a n a l y z e dt h e1 0 a dc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e c h a n g er u l e i no r d e rt oi n c r e a s et h ep r e c i s i o no fl o a df o r e c a s ta n dt h ei n t e l l e c t u a ll e v e l w eu s e dt h es y n t h e t i c a l l ys u p e r - s h o r t t e r ml o a df o r e c a s tm e t h o do ft h ea r t i f i c i a ll l e r v e n e t w o r ka n do n c eb a s i cl i n e a r i t yr e t b r n ，i n d e xs m o o t h i n gm e t h o d i th a ss t r o n g l e a m i n gc a p a b i l i t y ，c a l c u l a t i n gc a p a b i l i t y ，c h a n g i n gs t r u c t u r ea d a p t i v ec a p a b i l i t ya n d 0 也e rc h a r a c t e r i s t i c s i tc a na d a p t1 0 a dc h a n g ew e l l a n dm e e tt h ea c t u a in e e d s ar e a l t i m ec o n t r o lo ft h ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t o rs o l u t i o na c c o r d i n gt ot h ea b o v e w a sp r e s e n t e d ；t h es y s t e md i a g r a ma l s ow a sg i v e n ，a n dh a sr e a l i z e dt h i sm e t h o du s i n g i l l 童三些奎耋三茎雪圭兰堡墼奎 t h eh a r d w a r e t h i sm e t h o dc a l ln o to n l ye n h a n c ev o l t a g eq u a l i f i e d r a t eo ft h e s u b s t a t i o ng e n e m t r i xa n dp o w e rf a c t o r ，s i m u l t a n e o u s l ye f f e c t i v e l yr e d u c e dt h es w i t c h o p e r a t i o nn u m b e ro f t i m e s ，l e n g t h e n e dt h el i f eo f e q u i p m e n t ，a n dr e d u c e d t h ei n f l u e n c e o f t h es y s t e ms e c u r i t y k e y w o r d s ：s u p e rs h o r t - t e r ml o a df o r e c a s t ，v o l t a g er e g u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所作 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了感谢。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在道士的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 舯教师粹栖俊缘 论文作者签字：祷必它、论文作者签字：1 分必它、 呷年歹椰日 第一章绪论 1 1 课题的目的和背景 随着我国城乡电网改造，对配电网建设的越来越重视和无功补偿技术的 发展，低压侧无功补偿技术在配电系统中也开始普及，从静态补偿到动态补 偿，从有触点投切到无触点投切，都取得了丰富的运行经验。 电压是衡量电能质量的重要指标。保证用户处的电压接近额定值是电力 系统运行调整的基本任务之一。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的 平衡。系统中各种无功电源的无功功率输出( 简称无功出力) 应能满足系统 负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定 值。电网无功功率的分布和流动决定了电力系统的电压水平和特性，在稳态 工况下直接影响着电压质量和功率因数。维持电网正常运行条件下的无功功 率平衡是改善和提高电压质量的根本条件。实践证明，利用自动化手段对变 电站和用户端进行无功补偿，可以有效提高功率因数，保证电压合格率。我 国城乡电网改造的目标之一就是通过无功功率的补偿和调控，来改善电压质 量，降低网损，提高供电能力。 目前无功补偿控制装置控制物理量主要有：无功功率控制、功率因数控 制以及电压、无功综合控制。从控制策略来看，无功功率控制或电压、无功 综合控制的控制器控制比较合理，而采用功率因数控制虽然比较简单明了， 但如不采取相应措施，则可能产生投切振荡问题。 根据有关资料分析，目前多数电压无功补偿控制装置( v q c ) 的控制策 略不完善，没有进行优化，主要表现在变压器分接头和补偿电容器调整次数 过多、影响设备寿命和安全以及负荷波动时的投切振荡问题。 所谓“投切振荡，是指在电网无功与电压波动情况下，为满足功率因数 或电压的要求，并联补偿电容器开关频繁投切，变压器分接头档位频繁调 整。由于电力系统负荷构成的多样性，不可避免存在着类似于电炉、轧钢等 冲击性负荷以及一些不可预见的随机负荷波动，其特点是随机性强，持续时 间不定( 一般较短) ，起停快。根据有关资料统计，该类负荷约占总负荷的 广东工业大学工学硕士学位论文 2 以，是不可忽视的。由于这些特点，如果单纯从提高功率因数和电压合格 率的角度出发，补偿电容器和变压器分接头将随负荷变化而不断投切调整， 运行指标虽然有一点提高，但频繁操作对设备寿命和系统安全造成的威胁更 大。这种现象的发生，一方面与电容器组的分组数和容量，控制值的上下限 范围、调节时问等因素有关，另一方面与控制器的控制策略有很大关系。 1 2 本课题的研究现状 无功补偿技术的发展现状 随着科技进步，无功补偿技术一直在不断发展和创新，从补偿介质来 说，可分为从由旋转电机构成的，如同步调相机，发展到静止性的，既通过 引入电抗，电容等静止性的电气器件来代替转动的机械部件作为补偿介质的 补偿装置，统称静止型无功补偿装置，而到了上世纪8 0 年代末，出现了通过 调节直接与电网并联的自换相桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值来达到 补偿目的的装置静止型无功发生；从补偿装置的执行机构来分，从刚开 始的发电机励磁调节系统，到控制电抗、电容投切的断路器，接触器，随着 电力电子技术的发展，采用电子开关代替机械开关的趋势成为主流，相继出 现了晶闸管、固态继电器、i g b t 等执行器件；而从控制方法上可分手动控制 和自动控制两种，由于人工控制补偿介质不能及时跟踪无功负荷的变化，不 能始终保持功率因数和电压质量在规定的范围，具有智能控制器使补偿介质 的投入能跟随负荷变化的动态补偿装置是发展的主流方向l i ”。 当前，无功补偿装置的研究重点集中在控制策略的优化方面。市场上多 数自动补偿控制器以功率因数值作为电容器组投入、切除的门限。这类的控 制器能根据功率因数值的变化，自动控制电容器组的投切，在正常工作时使 用功率因数一直保持在较高的范围内，但如调整不当，也可能在低负荷时出 现振荡现象，即低负荷时补偿电容器反复投切，不能稳定工作，从而损坏自 动补偿控制器、电容器组入使用的一段时间内，白天生产工作正常，功率因 数保持在0 9 2 1 之间，晚上则不能稳定工作，补偿电容器组一直在反复投 切。也就是说低负荷时出现了振荡p j 。 目前无功补偿控制装置的一般对策是采取加“延时”的方法，在监测到 2 第一章绪论 负荷扰动后，延时1 5 分钟左右投切补偿电容或调整变压器分接头。该方法虽 然有一定效果，但由于无功负荷的多样性和各种随机因素的影响，“定延 时”的方法很多时候不能准确适应负荷的变化，例如负荷波动的时间超过1 5 分钟时，要等到1 5 分钟延时才能投入，往往错过最佳投入时机，影响了功率 因数合格率，因此实用性不强。另一方面，目前很多无人值守变电站无功补 偿电容器的投入与退出是定时倒换的，一般是分为低谷和高峰两个阶段。由 于负荷变化和气象因素、政治因素、重大社会活动等的影响，负荷高峰与低 谷有时提前，有时延迟，因此定时倒换方式限制较多，效果有时不好1 6 】。 2 电力负荷预测的发展情况 电力系统的稳定运行要求发电量能随时紧跟系统负荷的变化，即发电站 发出的电能必须能够平衡线路负荷。如果不事先预测负荷，或负荷预测不 准，将会导致大量的电能浪费【l l 】。准确预测负荷，不但对确定日运行方式 有重要作用，有助于确定机组组合方案、地区间功率输送方案和负荷调度方 案。此外，电力负荷预测直接关系到电力系统生产计划和电力系统运行方式 的安排，具有重要的经济意义和社会效益i l 研。 近几年，随着科学技术的迅速发展，预测理论技术也取得了长足的进 展，新的预测方法不断出现，这些方法为电力负荷预测问题的研究提供了有 力工具。西方发达国家如美国、英国随着电力市场的日益成熟， 电力供应商 为了获取最大利润，十分重视电力负荷预测工作。为此，科研工作者一直在 研究电力负荷预测的新方法以提高精度。自从1 9 9 1 年美国学者p a r k 等人提 出使用神经网络预测电力负荷以来，人们对此表现出广泛的关注。在此基础 上，美国的k h ot a a z a d 博士领导的科研小组经过几年的艰苦研究，提出了 人工神经网络电力负荷短期预测系统( a n ns t lf ) 。这个系统已经在实用化 方面取得了空前的成功。北美洲有3 5 个大发电系统( 公司) ，根据天气预 报、工业和居民用电统计资料，利用a n nst l f 系统预测发电站必须提供 的发电量，大大提高了电站的效益和安全运转【l 卅。 目前国内电力负荷预测研究也备受瞩目，很多学者提出自己的看法。东 南大学的单渊达教授采用径向基函数( r b f ) 为神经网络预测系统前向网络的 学习提供了一种新颖而有效的手段。r b f 网络具有良好的推理能力，而且在 广东工业大学工学硕士学位论文 学习方面比误差反向传播( b p ) 方法快得多。但不同地区电力负荷的特性不 同，影响电力负荷的因素也不完全相同，预测时要针对不同地区的特点， 对输入输出关系的选择和样本集的构成进行较大的调整。这就增加了推广的 难度。华北电力大学的牛东晓教授则引入了小波神经元网络电力负荷预测模 型。它以非线性小波基为神经元函数，通过伸缩因子和平移因子计算小波基 函数合成的小波阿络，从而到达全局最优的逼近效果。清华大学张伯明教授 采用共ua 梯度法训练预测系统的神经网络，在学习算法上有所突破。国内 著名人工智能学者蔡自兴教授则结合多层感知神经网络和多分辨率遗传算法 来进行电力负荷预测。华南理工大学的吴捷教授运用模糊逻辑和时序特性来 进行最优模糊逻辑推理，该系统的输入量通过对历史数据的自相关分析而建 立，再通过最近邻聚类法对历史数据的学习得到若干数据，进一步由最优模 糊逻辑系统建立短期电力负荷的预测模型。国家电力科学研究院的胡兆光老 师将ai 推理和模糊系统结合起来，建立ai 规则库对电力负荷进行预测， 取得了较好的效果。虽然这些方法有着各自的优越性，但都存在着不同的缺 陷。如：要采集和处理的数据较多、工作量太大，不具备很好的通用性等。 由于配电网负荷存在强烈非线性的特点，需要根据实际情况综合采用合适的 负荷预测方法【2 引。 1 3 本文拟解决的问题和所做的工作 为解决变电站电压和无功控制中补偿电容器和变压器分接头的“投切振 荡”问题，在保证电压质量的前提下减少调节次数，提高设备寿命，避免不 必要的延时等待，提高无功补偿控制的针对性，本文将负荷预测引入电压无 功实时控制，通过负荷预测，掌握负荷变化和波动情况，在满足电压和功率 因数合格的前提下，充分利用变压器的过载能力，尽量减少电容器投切次数 和不必要的调整，从而提高系统的稳定性。 该方法通过s c a d a 接口，得到电阿实时运行数据，进行短期和超短期 负荷预测，并建立一种闭环控制策略，将负荷预测的结果作为主要参考量提 供给无功补偿装置，将实际负荷同预测曲线相比较，判断是否为波动负荷， 得到负荷波动时间，同时考虑变压器的过载能力等，判断是否需要投切补偿 第一牵绪论 _ 目e _ _ 目口- 自_ - e ! j 目_ _ 自_ _ _ _ e | = 目_ ! = 目_ e = 目_ _ ! _ = = - e _ _ _ ，j - 目，| e ! 目_ _ _ _ 自_ e e 鼍ii i i l 电容器，何时投切比较合适，避免不必要的延时。该方法不仅提高节点电压 合格率和功率因数，同时有效地减少了开关操作次数，延长设备寿命。减少 对系统安全的影响。 实现变电站综合调压优化的基础是要有准确的负荷预测。本文分析了一 元线性回归法、指数平滑法和人工神经智能网络等方法在电力系统短期和超 短期负荷预测中的应用，并就提高负荷预测的精度，实际应用中存在的伪信 息的处理及模型的自适应功能等进行了讨论。针对各种负荷预测方法，根据 电网负荷是一个强非线性、时变参数、含有大量未建模动态特性的系统，而 且其发展日趋复杂化的特点，采用一元线性回归法、指数平滑法和人工神经 网络法相结合的综合负荷预测方法进行电网的短期和超短期负荷预测。实例 分析证明，该综合负荷预测方法能满足实时控制的需要。 在上述分析的基础上，本文建立了补偿电容器实时控制解决方案，给出 了系统框图，对典型电压无功控制装置从控制策略上进行了优化，做了改进 工作。 第二章电力系统的无功功率平衡和电压调整 2 1 电力系统的无功功率平衡 电压是衡量电能质量的重要指标。保证用户处的电压接近额定值是电力 系统运行调整的基本任务之一。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的 平衡。系统中各种无功电源的无功功率输出( 简称无功出力) 应能满足系统 负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定 值。 电力系统无功功率平衡的基本要求是：系统中的无功电源发出的无功功 率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。为了保证 运行可靠性和适应无功负荷的增长系统还必须配置一定的无功备用容量。令 o c , c 为电源供应的无功功率之和，皿d 为无功负荷之和，旦t 为网络无功功率 损耗之和，q 为无功功率备用，则系统中无功功率的平衡关系式为( 2 1 ) q c , c 一统口一轨= 纨 ( 2 】) q 0 表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；如q k 0 表示系 统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。 系统无功电源的总出力q o c 包括发电机的无功功率q g = 和各种无功补偿 设备的无功功率q l c ，即 q ：p c 一- o o r ( 2 2 ) 一般要求发电机接近于额定功率因数运行，故可按额定功率因数计算它所 发出的无功功率。此时如系统的无功功率能够平衡，则发电机就保持有一定 的无功备用，这是因为发电机的有功功率是留有备用的。调相机和静电电容 器等无功补偿装置按额定容量来计算其无功功率。 总无功负荷q u , 按负荷的有功功率和功率因数计算。为了减少输送无功 功率引起的网损，我国现行规程规定，以3 5 k v 及以上电压等级直接供电的工 业负荷，功率因数不得低于0 9 0 ；对其他负荷，功率因数不得低于0 8 5 。但 实际上有些用户的功率因数往往达不到这些标准。 从改善电压质量和降低网络功率损耗考虑，应该尽量避免通过电网元件 大量地传送无功功率。因此，仅从全系统的角度进行无功功率平衡是不够 的，更重要的是还应该分地区分电压级地进行无功功率平衡。有时候，某 地区无功功率电源有富余，另一地区则存在缺额，调余补缺往往是不适宜 的，这时就应该分别进行处理。在现代大型电力系统中，超高压输电网的线 路分布电容能产生大量的无功功率，从系统安全运行考虑，需要装设并联电 抗器予以吸收，与此同时，较低电压等级的配电网络却要配置大量的并联电 容补偿，这种情况也是正常的。 电力系统的无功功率平衡应分别按正常最大和最小负荷的运行方式进行 计算。必要时还应校验某些设备检修时或故障后运行方式下的无功功率平 衡。 经过无功功率平衡计算发现无功功率不足时，可以采取的措施有： ( 1 ) 要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定的数值。 ( 2 ) 挖掘系统的无功潜力。例如将系统中暂时闲置的发电机改作调相机运 行；动员用户的同步电动机过励磁运行等。 ( 3 ) 根据无功平衡的需要，增添必要的无功补偿容量，并按无功功率就地 平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量的、分散的无功补偿可采用 静电容电器；大容量的、配置在系统中枢点的无功补偿则宜采用同步 调相机或静止补偿器。 2 2 无功功率平衡和电压水平的关系 在电力系统运行中，电源的无功出力在任何时刻都同负荷的无功功率和 网络的无功损耗之和相等，即 电上 、，0 _ 1 审p + j q e j x i a )m 图2 1 无功功率和电压关系的解释图 f i 9 2 一lr e l a t i o n s h i pb e t w e e i ! r e a c t i v ep o w e r a n dv o l t a g e 广东工业大学工学硕士学位论文 q c c = q u a + q l ( 2 3 ) 问题在于无功功率平衡是在什么样的电压水平下实现的。现在以一个最简 单的网络为例来说明。 隐极发电机经过一段线路向负荷供电，略去各元件电阻，用x 表示发电 机电抗与线路电抗之和，等值电路示于图2 - l ( a ) 。 假定发电机和负荷的有功功率为定值。根据相量图2 - l ( b ) 可以确定发电机 送到负荷节点的功率为 p ：v i s i n 口；e v s i n 8 x q = v l s i n d = 詈c o s $ 一要 ( 2 4 ) 当p 为一定值时，得 q = 零) 2 - p 2 睾 晓s ， 当电势e 为一定值时，q 同v 的关系如图2 - 2 曲线l 所示，是一条向下开 口的抛物线。负荷的主要成分是异步电动机，其无功电压特性如图2 2 中曲线 2 所示。这两条曲线的交点a 确定了负荷节点的电压值v a ，或者说，系统在 电压v a 下达到了无功功率的平衡。 0 v 图2 2 按无功功率平衡确定电压 f i 9 2 - 2v o l t a g eb a s e do nr e a c t i v ep o w e r 当负荷增加时，其无功电压特性如曲线2 所示。如果系统的无功电源没 有相应增加( 发电机励磁电流不变，电势也就不变) ，电源的无功特性仍然 是曲线1 。这时曲线l 和2 的交点a 就代表了新的无功平衡点，并由此决定了 量三耋叁茎皇星垂塑堡薹堡耋皇彗茎 负荷点的电压为v a ，显然v a v a 。这说明负荷增加后，系统的无功电源已 不能满足在电压v a 下无功平衡的需要，因而只好降低电压运行，以取得在较 低电压下的无功平衡。如果发电机具有充足的无功备用，通过调节励磁电 流，增大发电机的电势e ，则发电机的无功特性曲线将升移到曲线1 的位 置，从而使曲线l 和2 的交点c 所确定的负荷节点电压达到或接近原来的数 值v a 。由此可见，系统的无功电源比较充足，能满足较高电压水平下的无功 平衡的需要，系统就有较高的运行电压水平；反之，无功不足就反映为运行 电压水平偏低。因此，应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡，并 根据这个要求装设必要的无功补偿装置。 电力系统的供电地区幅员宽广，无功功率不宜长距离输送，负荷所需的 无功功率应尽量做到就地供应。因此。不仅应实现整个系统的无功功率平 衡，还应分剔实现各区域的无功功率平衡。总之，实现无功功率在额定电压 下的平衡是保证电压质量的基本条件。 2 3 电压调整的基本概念 2 3 1允许电压偏移 各种用电设备都是按额定电压来设计制造的。这些设备在额定电压下运行 将能取得最佳的效果。电压过大地偏离额定值将对用户产生不良的影响。 电力系统常见的用电设备是异步电动机、各种电热设备、照明灯以及近 年来日渐增多的家用电器等。异步电动机的电磁转矩是与其端电压的平方成 正比的，当电压降低1 0 时，转矩大约要降低1 9 。如果电动机所拖动的机 械负载的阻力矩不变，电压降低时，电动机的转差增大，定予电流也随之增 大，发热增加，绕组温度增高，加速绝缘老化，影响电动机的使用寿命。当 端电压太低时，电动机可能由于转矩太小而失速甚至停转。电炉等电热设备 的出力大致与电压的平方成正比，电压降低就会延长电炉的冶炼时间，降低 生产率。电压降低时，照明灯发光不足，影响人的视力和工作效率。电压偏 高时，照明设备的寿命将要缩短。 广东工业大学工学硕士学位论文 电压偏移过大，除了影响用户的正常工作以外，对电力系统本身也有不利 影响。电压降低，会使电力网络中的功率损耗和能量损耗加大，电压过低还 可能危及电力系统运行的稳定性；而电压过高时，各种电气设备的绝缘可能 受到损害，在超高压网络中还将增加电晕损耗等。 在电力系统的正常运行中，随着用电负荷的变化和系统运行方式的改 变，网络中的电噩损耗也将发生交化。要严格保证所有用户在任何时刻都有 额定电压是不可能的，因此，系统运行中各节点出现电压偏移是不可避免 的。实际上，大多数用电设备在稍许偏离额定值的电压下运行，仍有良好的 技术性能。从技术上和经济上综合考虑，合理地规定供电电压的允许偏移是 完全必要的。目前，我国规定的在正常运行情况下供电电压的允许偏移如 下：3 5 k v 及以上供电电压正、负偏移的绝对值之和不超过额定电压的1 0 ， 如供电电压上下偏移同号时，按较大的偏移绝对值作为衡量依据；l o k v 及以 下三相供电电压允许偏移为额定电压的士7 。 2 3 2电压调整的基本原理 现在以图2 - 3 示的简单电力系统为例，说明常用的各种调压措施所依据 的基本原理。 发电机通过升压变压器、线路和降压变压器向用户供电。要求调整负荷 节点b 的电压。为简单起见，略去线路的电容功率、变压器的励磁功率和网 络的功率损耗。变压器的参数已归算到高压侧。 v g1 ：k 1k ：lv b r * j x 图2 - 3 电压调整原理解释图 f i 9 2 - 3d i a g r a mo fv o l t a g ea d j u s t i n gp r i n c i p l e b 点的电压为 = ( 屯一y ) 2 * ( 毛p r + q x ) k 2 ( 2 6 ) 式中l 【l 和k 2 分别为升压和降压变压器的变比；r 和x 分别为变压器和线 路的总电阻和总电抗。 由以上公式可见，为了调整用户端电压可以采取以下的措施： ( 1 ) 调节励磁电流以改变发电机端电压； ( 2 ) 适当选择变压器的变比； ( 3 ) 改变线路的参数； ( 4 ) 改变无功功率的分布。 2 3 3利用无功功率补偿调压 无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起 有功功率损耗和电压损耗。合理的配置无功功率补偿容量，以改交电力网的 无功潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户 处的电压质量。本节将讨论按调压要求选择无功功率补偿容量的阿题。 图2 - 4 所示为一简单电力网，供电点电压巧和负荷功率p 可q 决定，线路 电容和变压器的励磁功率略去不计。在未加补偿装置前若不计电压降落的横 向分量，便有 v j = v 2 + 可p r + q x 图2 4 简单电力网的无功功率补偿 f i 9 2 - 4r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nf o rs i m p l ep o w e rg a d 其中，v 2 为归算到高压侧的变电站低压母线电压 广东工业大学工学硕士学位论文 在变电所低压侧设置容量为q t 的无功补偿设备后，网络传送到负荷点的 无功功率将变为q q i c ，这时变电所低压母线的归算电压也相应变为y ：， 故有 k ：y 2 。+ p r + ( q - q c 一) x ( 2 7 ) y2 c 如果补偿前后酌保持不变，则有 矿：+ p r 矿+ ：q x = y ：c + ! 竺二警 ( 2 8 ) 由此可解得使变电所低压母线的归算电压从v 1 2 改变到矿如时所需要的 无功补偿容量为 q = 争 ( v 2 c v 2 川警一警) 旺， 上式方括号中第二项的数值一般很小，可以略去，于是便简化为 绞：华( v 2 c - v 2 ) ( 2 l o ) 若变压器的变比选为k ，经过补偿后变电所低压侧要求保持的实际电压为 矿，。，则矿知- kv 知。将其代入上式，可得 q c = 挚( 哦c - - v 2 ) = 争( ”争 ( 2 由此可见，补偿容量与调压要求和降压变压器的变比选择均有关。变比k 的选择原则是：在满足调匿的要求下，使无功补偿容量为最小。 2 4 电力系统综合调压 电压质量问题，从全局来讲是电力系统的电压水平闯题。为了确保运行 中的系统具有正常电压水平，系统拥有的无功功率电源必须满足在正常电压 水平下的无功需求。 利用发电机调压不需要增加费用，是发电机直接供电的小系统的主要调压 手段。在多机系统中，调节发电机励磁电流要引起发电机间无功功率的重新 分配，应该根据发电机与系统的连接方式和承担有功负荷情况，合理地规定 篁三耋墨鍪皇星茎塑堡堇堡耋皇彗兰 各发电机调压装置的整定值。利用发电机调压时，发电机的无功功率输出不 应超过允许的限值。 当无功功率供应比较充裕时，各变电所的调压问题可以通过选择变压器的 分接头来解决。当最大负荷和最小负荷两种情况下的电压变化幅度不很大又 不要求逆调压时，适当调整普通变压器的分接头一般就可满足要求。当电压 变化幅度比较大或要求逆调压时，宜采用带负荷调压的变压器 必须指出，在系统无功不足的条件下，不宜采用调整变压器分接头的办 法来提高电压。因为当某一地区的电压由于变压器分接头的改交而升高后， 该地区所需的无功功率也增大了，这就可能扩大系统的无功缺额，从而导致 整个系统的电压水平更加下降。从全局来看，这样做的效果是不好的。 从调压的角度看，并联电容补偿和串联电容补偿的作用都在于减少电压损 耗中的q n 并联电容补偿能减少q ，串联补偿则能减少鼠只有在电压损 耗中o x v 分量占有较大比重时，其调压效果才明显。对于3 5 k v 或1l o k v 的 较长线路，导线截面较大( 在7 0 r a m 2 以上) ，负荷波动大而频繁，功率因数 又偏低时，采用串联电容补偿调压可能比较适宜。这两种调压措施都需要增 加设备费用，采用并联补偿时可以从网损节约中得到抵偿。对于1 0 k v 及以下 电压级的电力网，由于负荷分散、容量不大，常按允许电压损耗来选择导线 截面以解决电压质量问题。 上述各种调压措施的具体运用，只是一种粗略的概括。对于实际电力系统 的调压问题，需要根据具体的情况对可能采用的措施进行技术经济比较后， 才能找出合理的解决方案。最后还要指出，在处理电压调整问题时，保证系 统在正常运行方式下有合乎标准的电压质量是最基本的要求。此外还要使系 统在某些特殊( 例如检修或故障后) 运行方式下的电压偏移不超出允许的范 围。如果正常状态下的调压措施不能满足这一要求时，还应考虑采取特殊运 行方式下的补充调压手段。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 5 存在问题分析 2 5 1补偿电容对功率因数的影响 通过投切低压补偿电容器，不仅可以调整变电所母线的电压，更可以提高 功率因数合格率，减少线路损耗。它主要是在确定用户端补偿和配电线路补 偿的基础上，解决无功的动态补偿，满足无功负荷增长的需要。 1 、提高功率因数 如果本变电所最大负荷月的平均有功功率为p p j ，投入补偿容量g ，设补 偿前的功率因数为c o s 矿t ，补偿后的功率因数为c o s 妒：，则有以下关系： g 嘞惭。删2 锄器， ( 2 1 2 ) 其中，c o s q = 应采用最大负荷日平均功率因数，c o s q ，2 确定必须适当。通 常，将功率因数从0 9 提高到1 0 ，与将功率因数从o 7 2 提高到0 9 所需要的 补偿容量相当。因此，在高功率因数下进行补偿其综合效益将显著下降。从 c o s d p 的曲线也可以看出，在高功率因数情况下，曲线上升率变小，相比之 下，此时提高功率因数所需的补偿容量将要相应增加。 2 、降低网损 线损是电网经济运行的一项重要指标，降低网损是无功补偿的主要目标之 一。设补偿前后线路电流分别为 ，元，相应补偿容量： q c = 一3u ( i l s i n 口，l 1 2 s i n 口，2 ) = p ( t g p i t 9 9 2 ) ( 2 1 3 ) 此种情况下，应适当考虑电容器的有功损耗：z l p s = u l c o s q 口= q st g a ，其中 6 为电容器的介质损失角，一般取t g a = o 0 0 3 。 2 5 2 补偿电容器分组和投切存在问题分析 由于以往对无功补偿电容器投切优化问题不够重视，很多无人值守变电 站无功补偿电容器的投入与退出是定时倒换的，一般是分为低谷和高峰两个 阶段。一种常用的方法是先绘制无功负荷图，确定无功补偿容量，然后把轻 第三