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贵州大学硕士学位论文 无功补偿及其对电力系统电压稳定性影响的分析 摘要 电压是电能质量的重要指标之一，网损是电力企业的一项重要综合性技术经济 指标。长期以来电力系统网络损耗问题比较突出，而无功补偿是降低线损的有效手 段。随着电力系统负荷的增加，对无功功率的需求也日益增加。在电网中的适当位 置装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。提高电压质量、降损节能 是供电企业当前的工作重点之一对电网给予合理的无功补偿，能够有效地维持系 统的电压水平，降低有功网损，提高网络输送容量满足负荷的无功需求。 论文首先从无功功率不足带来的危害说明无功补偿的必要性，从节约能源的角 度说明无功补偿的重要性，然后论述了无功补偿的发展历史和发展现状，介绍了无 功补偿原理，分析了电压失稳的机理和电压稳定的分析方法电力系统稳定问题的 物理本质是系统中功率平衡问题，无功的缺额是电压失稳的本质原因。节点负荷功 率的变化会引起电力系统的运行状态发生变化当节点负荷增加到一定值时，系统 结构稳定性就会发生变化，出现分叉现象。本文基于分叉理论、诱导向量场和数值 计算方法提出一种改进确定电压稳定分叉值的方法，可以求出系统的静态分叉点和 系统的节点负荷临界值。该方法还可以避免在临界点附近收敛困难的问题。通过对 一个i e e e _ 3 0 节点的系统证明了该方法的有效性。并且应用这种改进方法对i e e e _ 3 0 节点的系统在无功补偿方式下进行了无功补偿对电力系统电压稳定性影响的分析。 关键词：电力系统；电压稳定；分叉理论；无功补偿 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t v o l t a g ei so n eo fi m p o r t a n tq u a l i t yi n d e xo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m p o w e rl o s si s a l li m p o r t a n ts y n t h e s i st e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d e xo fp o w e rc o m p a n i e s i nt h ep a s t s e v e r a ly e a r s ，t h ep r o b l e mo fp o w e rl o s si sv e r ys e r i o u s h o w e v e r ，r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n i sa ne f f e c t i v em e t h o dt os a v ep o w e rl o s s d u et oi n c r e a s i n gl o a d so fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，d e m a n do fr e a c t i v ep o w e rw a sa l s oi n c r e a s i n g i tb e c 彻en e c e s s a r ym e a n st h a t r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e sw e r ei n s t a l l e di np r o p e r p o s i t i o no fe l e c t r i cn e t w o r k c u r r e n t l y ，i m p r o v i n gv o l t a g eq u a l i t ya n ds a v i n gp o w e r l o s sh a v eb e e nj o be m p h a s i so fp o w e rc o m p a n i e s t h er e a s o n a b l er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o no fd i s t r i b u t i n gn e tc a ne f f e c t i v e l ym a i n t a i nt h ev o l t a g el e v e l ，d e c r e a s e t h en e t w o r kl o s sa n dr a i s et h et r a n s m i s s i o nc a p a c i t y a tf i r s tt h en e c e s s i t yo fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o na i m i n gd i r e c t l ya tt h eh a r mo f r e a c t i v ep o w e ri si l l u s t r a t e di nt h i sp a p e r a n dt h ei m p o r t a n c eo fr e a c t i v e c o m p e n s a t i o nf o c u s i n go ne n e r g ys o u r c e si se m p h a s i z e d t h ep a p e ra l s os t a t e st h e h i s t o r ya n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o na c c o r d i n gt ot h ef a c t so f c h i n a ，i n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fr e a c t i v ec o m p e n s a t i o na n da n a l y z e st h em e c h a n i s mo f t h ev o l t a g es t a b i l i t y t h ep h y s i c a le s s e n c eo ft h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t yi s s u ei st h e p o w e rb a l a n c e t h el a c ko fr e a c t i v ep o w e ri st h er e a s o no ft h ev o l t a g eu n s t a b i l i t y w h e nn o d e sl o a di n c r e a s e s 。t h es y s t e m sr u ns t a t ew i l lc h a n g ea l s o w h e nt h el o a d i n c r e a s et oac r i t i c a lp o i n t ，t h ep o w e rs y s t e m ss t n i c t a r a ls t a b i l i t yw i l lc h a n g e ，t h e p o w e rs y s t e mw i l la p p e a rb i f u r c a t i o np h e n o m e n o i lb a s e do nt h eb i f u r c a t i o nt h e o r ya n d i n d u c e dv e c t o rf i e l dc o n c e p t i o n ，t h i sp a p e rg i v ea na l g o r i t h mw h i c hc a ns e a r c hf o rt h e s t a t i cb i f u r c a t i o np o i n t sa n dt h ec r i t i c a lp o i n to fn o d e sl o a d t h i sa l g o r i t h ma v o i d s t h ed i f f i c u l t yh a p p e nn e a rt h eb i f u r c a t i o np o i n t u s e dt h i sa l g o r i t h mt oc a l c u l a t ea n d a n a l y s i sai 既! ep o w e rs y s t e mt h a th a v et h i r t yn o d e s i tt e s t i f yt h i sa l g o r i t h mi sv a l i d a p p l yt h i sa l g o r i t h mt oc a l c u l a t ea n da n a l y s i sai e e e3 0p o w e rs y s t e mt h a th a v er e a c t i v e c o m p e n s a t i o n ，i ta n a l y z e st h a tt h er e a c t i v ec o m p e n s a t i o na f f e c tv o l t a g es t a b i li t y o fp o w e rs y s t e m k e yw o r d s ：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 sb i f u r c a t i o nt h e o r y ：r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n 2 - 贵州大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1问题的提出 电压是电能主要质量指标之一“。电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、 线路损耗、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接影响。 随着国民经济的飞速发展，供电企业的用户对负荷需求、供电可靠性，以及电压质 量和客户服务水平等，都提出了更高的要求洲。近年来经过大力进行的城市电网改 造，全国各主要城市的供电能力和电网结构都有了显著的提高和加强侧。但是随着 负荷水平的增长，负荷的峰谷差也越来越大，使得系统的调压问题变得越来越困难， 此外在配网系统中故障概率较大m 1 ，使得电压过高或过低的问题时有出现。因此， 如何合理地调整电压，提高电网的电压质量和安全运行水平，是摆在我们面前的一 项重要任务“ 无功功率如同有功功率一样，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网损 以及安全运行所不可缺少的部分在电力系统中，无功功率必须分层分区平衡，否 则就会使系统电压质量不满足要求，严重时，会导致设备损坏，系统解列。此外网 络的功率因数和电压的降低，使电气设备得不到充分利用，使得网络传输能力下降， 损耗增加因此电力系统的无功补偿，可以改善电压质量，降低线路损耗，使电网 能安全、稳定、经济地运行，对保证工农业安全生产、提高产品质量和改善人民生 活都具有重大的影响。电压质量差，既对用户造成危害，同时也影响电力企业本身。 从经济性的角度应力求使电力系统运行电压接近电力设备的额定电压，通过合 理分配无功来进行电压调控，从而降低线损“”，产生显著的经济效益和社会效益。 无功优化的目的就是使电力系统在保证电压质量的条件下，无功补偿设备的布局和 配置容量最合理，无功运行的网损最小。电网在进行有功规划和建设的同时，也要 切实搞好无功的电力平衡和无功运行的优化补偿。因此，无功功率补偿就成为保持 电网高质量运行的一种主要手段之一，这也是当今电气自动化技术及电力系统研究 领域所面临发展的一个重大课题，且正在受到越来越多的关注“1 贵州大学硕士学位论文 1 2无功补偿的意义 无功功率的大小表示了电源和负荷电感之间交换能量的幅度，电力网除了要负 担用电负荷的有功功率p ，还要负担负荷的无功功率q 因此要维持电力系统正常 运行，该能量则不可避免。有功功率p 、无功功率q 和视在功率s 之间存在下述关 系，即： s = p 2 + q 2 ( 1 1 ) 而昙= c o s 伊被定义为电力网的功率因数，其物理意义是线路的视在功率s 供给有功 功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中，为了合理利用资源，充分发挥设备的 能力，我们希望功率因数越大越好提高功率因数，不但可以充分发挥发、供电设 备的生产能力、减少线路损耗、改善电压质量，而且可以通过设备的工作效率和节 约电能具体说来提高功率因数有如下意义： ( 1 ) 改善设备的利用率 因为功率因数还可以表示成如下形式： c o s 伊；量；( 1 - 2 ) 鲫尹2 i 2 面 1 - ” 其中：u 一线电压( k v ) ； ，一线电流( a ) 。 可见，在一定的电压和电流下，提高c o s 妒，其输出的有功功率越大因此，改善 功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备的利用率的有效方法。 ( 2 ) 提高功率因数可减少电压损失 电力网的电压损失可由下式求出： 厶( ，：p r + q x ( 1 - - 3 ) u 可以看出，影响a u 的因素有四个：线路的有功功率p 、无功功率q 、电阻尺和电 抗x 如果采用容抗为j ，c 的电容来补偿，则电压损失为： u ：p r + q ( x - x c ) ( 1 - 4 ) u 故采用补偿电容提高功率因数，电压损失a u 减小，改善了电压质量。 贯州大学硕士学位论文 ( 3 ) 减少线路损失 当线路通过电流，时，其有功损耗： , 妒_ - 3 1 2 或p - - - 3 ( 志u 心= 3 等u 去c o s ) ( 1 吲c o s 9 妒 可见，线路有功损耗厶p 与c o s 2 妒成反比，c , o s4 p 越高，p 越小 1 3电力系统发展对无功功率补偿的要求 我国电力工业向来比较重视有功负荷、有功电量，轻视无功负荷和无功电量叭峒。 但最近的一些信息表明，无功问题已经受到很大的重视。这是因为： 1 无功补偿有着巨大的效益嘲 无功补偿技术适用于电力系统及各行业用电单位对于电力系统，通过采用无 功补偿技术可以降低线损。提高末端电压，保证供电质量；对于用电企业，较大功 率的用电设备，采用就地补偿装置可以取得同样的节能效果。电力部门在近年来进 行的城市电网和农村电网改造中也强调无功的就地补偿。 无功补偿节能技术可以为企业带来良好的经济效益和社会效益，电力系统和用 电企业若采用此技术，将获得良好的收益由于无功负荷大，功率因数偏低会造成 大量有功电能损耗，多消耗无功就会相应地多消耗有功。无功负荷大，功率因数偏 低，如果不能就地补偿。就使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发， 输电的能力，损失较大。值得注意 2 居民生活和楼宇无功负荷急剧增长“” 居民生活和楼宇用电，在五、六十年代仅仅是指照明用电，而且照明灯具基本 上都是白炽灯，功率因数接近l 。但自改革开放以来，在照明用电上推广荧光灯和 节能灯。这些灯具的功率因数仅0 6 ：特别严重的是家用电器迅速普及，绝大多数家 用电器的功率因数一般在0 7 左右；只有电热水器属于电阻负荷，功率因数比较高。 节能灯虽然可以节约有功电力和电量，但节能灯消耗了大量无功电力和无功电量， 在推广节能灯时，只讲节约有功，不讲多消耗无功，不采取补偿措施是不妥当的。 由于居民生活和楼宇用电中大量使用家用电器，用电量的比重急剧增长，仅居民生 活用电占总用电量的比重已经达到1 2 9 6 ，如果包括商业、宾馆、写字楼等楼宇用电， 贯州大学坝士学位论文 估计用电比重可达3 0 9 6 左右。这么大的用电量的功率因数严重偏低，对电力部门的经 济影响是很大的。我国目前农村居民的家用电器的普及率还不高，随着农村电气化 水平的提高，居民生活和楼宇的用电量还会有很大提高世界上工业发达国家居民 生活用电的比重可达3 0 - 4 0 ，加上楼宇用电可以超过5 0 ，我国也必将朝着这个方 向发展，我国应当重视居民生活和楼宇的无功用电问题。 3 重视无功负荷问题提倡无功就地补偿 国家经贸委节能信息中心告诉我们，无功也是一种资源，进行无功补偿可以达 到节能，降低视在功率，提高电压合格率，获得巨大的经济效益我国电力工业正 在由粗放的数量型向集约的质量型转交，重视无功负荷问题。提倡无功就地补偿应 当成为这个转变的重要内容之一来考虑这可以从以下两方面来说明： ( i ) 要建立起无功也是资源，要像节约有功一样来节约无功的观念。要向用户宣 传节约无功的重要意义，自觉进行无功补偿：要提高供电企业职工对无功的认识，要 像节约有功一样来注意节约无功，要像重视有功电能表的校验一样来重视无功计量 装置的校验工作。电力部门要重新研究无功计价问题，是继续采用功率因数奖惩办 法，还是采取其他计价措施。 ( 2 ) 要修订家用电器的节能标准。感性负荷的家用电器不仅要有节约有功的标准， 也应当有节约无功的标准，或者对各类家用电器的功率因数作出规定，要求家用电 器制造商对各种家用电器的无功负荷进行补偿。 1 4无功功率对电力系统电压稳定性的影响 电力系统中的无功功率主要用于电路内电场与磁场，并用来在电气设备中建立 和维护磁场，完成电磁能量的相互转换，不对外做功，为系统提供电压支撑，在电 源与负荷之间提供电压降落所需的势能。无功功率不直接作为实际消耗之功，但无 功功率的交换将引起发电和输电设备上的电压升降和电能损耗 电力系统中无功功率平衡水平对电压水平有较大的影响。如果发电机有足够的 无功功率备用，系统的无功电源比较充足，就能满足较高电压质量下无功功率平衡 的需要，系统就有较高质量的运行电压水平反之，如果无功功率不足，系统只能 在较低质量的电压水平下运行另外，电能在电力网中传输时，要损失掉部分有功 贵州大学硕士学位论文 功率和无功功率当无功功率损耗较大时，将引起系统电压大幅度下降，影响系统 运行的稳定性、经济性。 当电力网有能力向负荷供给足够的无功功率时，负荷的电压就能维持在正常的 水平上如果无功电源容量不足，负荷的端电压就会降低。所以，要保证电力系统 的电压质量，就必须保证电力系统无功功率的平衡 1 5 电网无功及其对电压稳定性影响问题的研究现状 电力系统是一个典型的非线性系统，随着社会的发展，社会对电力的需求不断 增加，使现代电力系统发展迅速大机组、重负荷、超高压远距离输电，大型互联 网络的发展，以及对电力系统安全性、经济性及电能质量的高要求，使柔性输电系 统技术成为目前电力系统的一个重要的研究领域“” 传统的无功补偿设备可满足一定范围内的无功补偿要求，但存在响应的速度慢， 故障维护困难等缺点静止无功补偿器( s v c ) 近年来获得了很大发展，己被广泛用于 输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型 代表是固定电容器十晶闸管控制电抗器( t c r ) 。晶闸管投切电容器也获得了广泛的 应用伽 除了在控制器件方面的改进，随着人工智能技术的不断发展，在控制方法上也 有很大的进步。采用模糊神经网络、自适应控制等智能型控制方法，研制能同时对 电压、无功功率、三相不平衡、谐波等进行综合调节和补偿控制的装置已经成为大 家共同关注的问题 目前，在城市配电网公用变压器低压侧，由于用户家用电器感性负载的不断增 加，使得其功率因数较低，导致公用变压器低压侧线路损耗大，供电电压指标不能 满足用户要求因此。在公用变压器低压侧进行无功功率补偿已成为目前研究的另 一个热门 在国外，城市、农村电网是否安装户外无功补偿装置已成为衡量配电网性能的 主要指标之一在日本，配电网系统户外补偿电容器的自动投切率已达8 6 4 ：在美 国，许多城市道路旁的电线杆上装有并联电容器组，并采用自动装置控制“删 在国内，无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式户外型 贯州大学硕士学位论文 无功自动补偿系统的研究正在起步，已有一些科研单位和公司推出了相应产品。 目前主要存在问题是控制规律简单、抗干扰能力差，不能很好的解决无触点开 关投切电容的问题，在三相不平衡条件下不能有效的进行无功补偿。同时由于户外 工作环境相对恶劣，装置的可靠性和控制精度难以满足现场运行的要求此外还不 具备通讯功能，不能实现全电网的无功优化，不能对全网电能质量进行在线监视以 满足现代化电力系统建设的需要。 随着高电压、大功率半导体器件的不断更新和发展。“，功率变换控制技术的 日益完善，极大地推动了电力电子技术在电力工业中的广泛应用，对增强电力系统 运行的稳定性和安全性，提高输电能力和用电效率，以及在节能和改善电能质量等 各方面都起着越来越重要的作用。专家们认为在2 1 世纪，会有更多更新的高电压大 功率半导体器件和装置投入电力工业的实际运行中，使目前基本不可控的系统变为 灵活可控( 称为柔性交流输电系统一一f a c t s ) 为了实现高压电网的电压控制，需要在网络中的适当地点装设一定数量的无功 补偿设备系统的电压水平是电力系统无功功率供需平衡情况的具体表现，传输无 功功率不但会产生一定的损耗，而且沿传输途径还会有电压降落系统中各点的电 压调节主要依靠就地无功功率的供需来实现，不同点间无功功率供需的相互支援和 调节的效果，往往受到如无功补偿装置、投入时机等许多条件的限制因此，深入 研究无功补偿对电力系统电压稳定性的影响，具有很大的理论意义和实际意义 1 6本论文的主要工作 本文在总结前人研究成果的基础上，对电力系统无功补偿进行了研究，并对无 功补偿对电力系统电压稳定性影响方面进行了较为深入的研究主要的研究工作概 述如下： 第1 章绪论。首先介绍了无功功率补偿的意义，接着介绍了电网无功及其对电 压稳定性问题的研究现状。从而阐述了开展本课题研究的背景和现实意义 第2 章无功补偿简单原理。简单介绍了串联无功补偿、并联无功补偿的简单原 理，接着介绍了无功补偿的主要方式和主要手段。 第3 章电压稳定问题的机理和分析方法。分别回顾和分析了现有的电压稳定 贵：h l 大学硕士学位论文 机理解释，介绍了各种电压稳定性研究的主要方法。 第4 章分叉理论应用于电力系统电压稳定的分析。介绍了分叉理论的概念，用 于电压稳定分析的分叉理论，解流形上分叉点追踪理论基础，在此基础上提出了确 定电压稳定平衡点分叉值的改进方法。这种方法能够更快速地搜索出电力系统结构 失稳的分叉点，而且能够避免在分叉点潮流雅可比矩阵奇异时进行不下去的情况。 并在i e e e 3 0 节点系统得到证明。 第5 章简单介绍无功补偿原理无功补偿、电压调节的基本关系和无功补偿对电 压稳定影响的原理分析；在i e e e 一3 0 节点系统计入无功补偿装置，应用第4 章介绍 的确定电压稳定平衡点分叉值的改进方法，分析了无功补偿对电压稳定性的影响 第6 章提出了一些提高电力系统电压稳定性的措施。 第7 章全文总结。 最后列出了本文的参考文献及附录。 贵州大学硕士学位论文 第2 章无功补偿简单原理 2 1串联无功补偿的基本原理 串联补偿技术”，就是利用补偿装置的容抗抵消部分输电线路感抗。它的引入 可以减少电能损失，增加线路的输送能力，较好地调整线路负荷，改善系统的静态、 动态稳定性，在电力系统发生严重干扰的过程中，还可以减少负荷区的电压降落。 ( 1 )提高系统稳定性和输送功率 串联补偿装置的连接示意图如图2 1 所示 如果在图2 一l 中没有加入串联补偿装置，在一般的实用计算中，输电线路的输送功率： 图2 一l串联补偿装置示意图 p ：等如万：p s i n 8 ( 2 - i ) n 工 式中u 和一线路首末端电压；只一线路极限输送功率，即线路静态稳定极限； 五一线路电抗；万一线路首末端电压相角差，即功角。 所以，如果能降低输电线路的感抗，就能提高稳定极限和传输功率。例如在高 压远距离输电线路上，串联补偿电容器组的作用相当于缩短线路的电气距离，从而 提高线路的稳定极限和输送能力。在输电线路补偿策略中属于线路补偿装设容抗 为j ，c 的串联无功补偿装置后，线路的输送功率为 肚器s i n 艿 x l x 贯州大学硕士学位论文 所以，在同一功角占下，增加的输送功率倍数为： t ， ! l 一：l 一 ( 2 3 ) 爿一彳cl 一尺c 式中：k c = ，五，称为串联补偿度 ( 2 ) 改善线路的电压质量 在图2 1 中，线路电压降a u 可表示为 a u = ，忸c o s 矿+ ( 1 一) x ls 缸州( 2 - 4 ) 由此式可以看出，串联无功补偿装置可使线路电压降u 减少j x 。s i i l 妒。而且 补偿度j ，c 越高，u 减少越显著。 2 2并联无功补偿原理 电力系统中的大部分负荷是电感性的，这些感性负荷要消耗大量的无功功率m ， 例如，感性电动机消耗的无功功率约占其总功率的6 帖- 7 0 ，变压器约占其总功率 的2 0 - - 2 5 ，而空载运行时，变压器的功率因数只占有o o l 左右，感应电动机只有 o 1 o 2 左右如果感性负荷所需的无功功率得不到就地补偿的话，势必由发电机 来供给，即电器设备与电源之间存在大量的功率交换。大量的无功电流在负荷之间 流动，造成电网电能的消耗，降低电源的功率因数。因此，一般需要增设无功功率 补偿装置进行无功功率补偿，以提高系统电源的功率因数。 并联无功补偿装置的补偿原理分析如下。假设电气负荷是电阻r 和电感l 组成 的并联或串联电路，对r 、l 电路进行无功功率补偿，就需要对电路并接入容抗为z 的无功补偿装置，并联无功补偿的等值电路如图2 _ 之所示 贵州大学硕士学位论文 ( a ) t l 0 ( b ) r l 图2 _ - 2 并联补偿的等值电路图 在图2 _ - 2 ( a ) 所示的电路中，电流方程为 i = l c + i 吐= i c + i r + i l 2 5 ) 由式( 2 _ 5 ) 可知，当并联补偿装置不投入时，厶= o ，即不对负荷进行无功功率补 偿，那么电源即要向负荷提供有功电流厶，还要提供无功电流丘，电源向负荷提供 的总电流j = 气= 厶+ 丘；当并联补偿装置投入时，厶o ，即对负荷进行无功功率 补偿，那么电源在向负荷提供有功电流j 。的同时，提供无功电流为厶+ i c ，电源向 负荷提供的总电流j = 厶+ i r + i l ，特别是当厶= 厶时，j 。+ 丘= o ，电源不需要向 负荷提供无功电流，功率因数等于1 一般情况下t - 厶，这时可能的情况有两种： 当并联补偿装置的容抗k 较小，k l k l 的情况，这时负荷中的感性无功电流被完全补偿之后还有剩余容 性电流，电源的j 超前疗，这种补偿称为过补偿。 对r 、l 串联的负荷进行无功功率补偿的电路如图2 _ _ 2 ( b ) 所示。 当并联无功补偿装置没有投入时，r l 支路的电流有效值为 ，u 2 了蓠霉 撕 l 也支路的电抗为= 尺+ ( 2 - 7 ) 贵州大学硕士学位论文 这时，电源输出的电流，等于l u 支路吸收的电流气，电源的功率因数为 c o s 矿：1 1 1 ， ( 2 - q ) 螂舻丽 剐 当并联补偿装置投入时，r l 支路的电流保持不变，并联补偿装置支路的电流有效 值为 l ；旦( ) 。 爿c 补偿装置支路的电抗为 z c = o k ( 2 _ l o ) 这时，电源输出的电流j 等于r l 支路吸收的电流j 。+ 厶，电源的功率因数为 c o s 口：一 ! ! (1 1 ) 8 口2 、 r 2 + ( x l _ x c ) 2 2 - - 1 1 d a 式( 2 - - 1 1 ) 可知，投入并联补偿装置后t 电源的功率因数将增大，特别是当k = j l 时，电源的功率因数为1 显然，当心 x 时，过补偿。 2 3无功补偿的主要手段 1 同步调相机 。 同步调相机实际上是不带机械负荷、空载运行的同步电动机 2 3 1 。它从电网中吸 取少量有功功率供给运转时的机械损耗和铜铁等损耗。同步调相机有过激磁和欠激 磁两种运行方式：过激磁运行时，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；欠激磁运行时，则从系统吸收感性无功功率，成为无功负荷， 这是在系统负荷较轻，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，就可以平滑地改变它的无功功率地大小及方向，因而可以平滑地 改变所在地区的电压。自2 0 世纪2 、3 0 年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统 中作为有源的无功补偿曾一度发挥着主要作用，所以被称为传统的无功动态补偿装 置。然而，由于它是旋转电机，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，而 且响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求但由于其自身的优点，即在系统电 压降低时，靠维持或提高本身的无功处理能力，可以给系统提供紧急的电压支撑，所 贵州大学硕士学位论文 以至今仍在高压输电系统中发挥作重要作用。另一方面其体积大、噪音高，维护不 方便、造价高等原因，目前在中、低压输电区域，大部分已被并联电容器组所取代。 2 并联电容器 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。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 集中补偿方式；( 2 ) 用户集中补偿方式；( 3 ) 用户终端分散补偿方式。 电容器与网络感性负荷并联，以并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济 方便等优点，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 无功功率的连续无级动态补偿。 3 静止无功补偿器s v c 2 0 世纪7 0 年代以来， 同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置啪1 2 田( s t a t i c v a rc o m p e n s a t o r - - s v c ) 历：取代，目前有些国家己很少使用同步调相机早期的静止 无功补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e dr c a c t o r - - - s r ) 型的，1 9 6 7 年英国g e c 公司制成 了世界上第一批该型无功补偿装置 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装置 推上了无功补偿的舞台1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系统中演示运行了晶闸 管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年此类装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司 都竟相推出了各具特色的系列产品。近l o 多年来，占据了静止无功补偿装置的主导 地位。于是静止无功补偿装置( s v c ) 成了专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括 晶闸管控制电抗器o h y r i s t o rc o n t r o l l e dr 黜t o r - t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y i s , o r s v v i t c h e dc a p a c i t o r - t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者t c r 与固定电容 器( f i x e dc a p a c i t o r - f c ) 或机械投切电容器( m c c h a n i c a u ys w i t c h e dc a p a c i t o r - m s c ) 混 合使用的装置( 即t c r _ 坪c t c r + m s c ) 等。 随着电力电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代以来，一种更为先进的静止型 无功补偿装置出现了，这就是采用自换相交流电路的无功补偿，有人称为静止无功 发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r - - s v g ) ，也有人称其为高级静止无功补偿器( a d v a n c e d s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - - a s v c ) 或静止调相器( s t a t i cc o n d e n s e r - - - s t a t c o n ) 。最 近，日本和美国已分别有数台s v g 装置投入实际运行 贵州大学硕士学位论文 早期的无功补偿装置主要是无源装置，方法是在系统母线上并联或者在线路中 串联一定容量的电容器或电抗器。这些补偿措施改变了网络参数，特别是改变了波 阻抗、电气距离和系统母线上的输入阻抗，无源装置使用机械开关，它不具备快速 性、连续性的特点，因而不能实现短时纠正电压升高或降落的功能。 s v c 补偿装置可以看成是电纳值能调节的无功元件，它依靠电力电子器件开关 来实现无功调节s v c 装置作为系统补偿时连续体调节并与系统进行无功功率交 换，同时还具有较快的响应速度，它能够维持端电压恒定 2 4 无功补偿的主要方式 在实际工作中有以下几种主要的无功补偿方式伍蚓。 1 变电站集中补偿方式 补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是改善输电 网的功率因数，终端补偿装置一般连接在变电站的l o k v 母线上，优点是管理容易、 维护方便 2 低压集中补偿方式 这是国内较普遍采用的无功补偿方式，是在配电变压器3 8 0 v 侧进行集中补偿， 补偿装置通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百千乏不等，它 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。主要目的是提 高专用变压器用户的功率因数，实现无功功率的就地平衡，对配电网和配电变压器 降低损耗有一定作用，也保证该用户的电压水平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来进行电容器的自动投切，同时以电压为判据进行控制。 3 杆上无功补偿方式 对国内配电系统来说，面向广大家庭用户及其小型工业、商业用户的公用变压 器，其通常采用户外台架安装方式，进行低压无功功率集中补偿，难维护、控制和 管理，容易成为生产安全隐患。因此出现了把l o k v 户外并联电容器安装在架空线路 的杆塔上( 或另行架杆) 的方法来进行无功补偿的方式，优点是造价经济，安装方便， 可以分散补偿，缺点是保护简单、故障时容易引起线路故障，维护工作量大并且 文献 2 6 在分析杆上无功补偿方式利弊的基础上提出了一种新型柱上式无功功率补 责卅大学硕士学位论文 偿装置。文献 2 7 如何实现无功功率的动态补偿，特别是在户外柱上实现动态无功补 偿，仍是国内外同行关注的热点 4 用户终端分散补偿方式嘲 目前，在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功 功率需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿，可以最有效地降低电网的损耗和 维持网络的电压水平g b 5 0 0 5 2 - 1 9 9 5 供电系统设计规范指出，容量较大、负荷 平稳且经常使用的用电设备，无功负荷宜单独就地补偿。这样，对于企业和厂矿中 的电动机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿。优点是补偿最直接有效，能释放 系统能量，提高线路供电能力；缺点是低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大 无功功率需求来确定安装容量，而各配电变压器低压负荷波动的不同时性造成大量 电容器在较轻载时闲置，设备利用率不高 2 5本章小结 本章简单介绍了串联无功补偿、并联补偿的简单原理，接着介绍了无功补偿的 主要手段和主要方式，及其几种补偿方式的优缺点分析。 贵州大学硕士学位论文 第3 章电压稳定问题的定义、机理和分析方法 3 1电压稳定的定义与分类 由于对电压稳定问题的机理认识上的差别，对系统的电压稳定的定义也不尽相 同。髓e 电压稳定工作小组在1 9 9 0 年的报告中认为，如果系统能维持电压以确保 负荷导纳增大时，负荷消耗的功率也增加，并且功率和电压都是可控的，就称系统 电压稳定；反之就称系统电压不稳定1 2 9 1 c i g r et f 3 8 0 2 1 0 工作组在1 9 9 3 年提出了与一般动态系统稳定性定义相类似 的电压稳定定义和分类，指出电力系统是一个动态系统，电压稳定是电力系统稳定 的一个子集小扰动电压稳定指，处于给定运行点的电力系统在经受任意小的扰动 后，负荷附近的电压保持不变或几乎不变；它对应于线性化动态模型的特征值都具 有负实部。电压稳定指，处于给定运行点的系统在经受某一给定扰动后，负荷附近 的电压趋近扰动后平衡点的值；它对应于扰动后的系统状态在扰动后的稳定平衡点 的吸引域中电压崩溃指，处于给定运行点的电力系统在经受给定扰动后，负荷附 近的电压低于可接受的极限；电压崩溃可能是系统性的，也可能是局部的电压不 稳定指不满足电压稳定的条件而导致的电压持续下降或上升。该文献 2 9 1 还指出， 电压崩溃和电压不稳定这两个术语经常可以互相替换；电压稳定亦称负荷稳定；电 压不稳定和电压崩溃几乎总由大扰动引起，如负荷的大幅度增加，尽管如此，运行 点处的线性化分析对评估稳定程度仍是有用的嗍刚目前c i g r e 的定义和分类已 被国际电力界广泛采纳 电压稳定性取决于负荷需求和电力系统提供的负荷供应之间保持和恢复平衡的 能力电压失稳的可能结果是地区负荷的丢失，或者保护系统切除传输线和其它元 件，最终导致连锁停电，这种停电或者运行条件超过励磁电流限制会引起一些发电 机失去同步。町。如果由于扰动、负荷增长、系统运行方式变化等因素，系统的节点 电压开始持续地、不可抑制地下降，则认为系统进入电压失稳状态在静态电压稳 定问题中，引起电压失稳的一般原因是系统失去了满足负荷增长的能力，从而导致 贯州大学硕士学位论文 系统失去稳定的静态工作点。系统的电压崩溃过程一般认为是一个比电压失稳更为 复杂的现象，是电压失稳后系统各种电器元件的动态特性相互作用导致系统瓦解的 过程，但目前，很多文献将电压失稳与电压崩溃的概念混用。事实上，上述关于电 压稳定性问题的定义主要集中于系统的静态稳定性方面啪1 国际c i g r e 会议报告还为系统的电压稳定性的判断提供了一个准则：在系统给 定的运行点，若系统中所有节点的注入功率增加时，相应的节点电压的幅值也增加， 则系统是静态稳定的，如果某一节点注入功率的增加反而导致该节点电压幅值的下 降，则系统在给定的运行点处是静态不稳定的。这个准则其实是指，在稳定的系统 中，系统对其所有节点都有控制其电压水平的能力，而不稳定的系统，至少对其某 一个节点，系统失去了这种控制能力从这个准则可以推断，系统的静态电压稳定 性具有局部性的特征，即首先发生于系统中的某些节点或区域，这与我们对静态电 压稳定性事故分析得到的结论是一致的，系统中这样的区域称为薄弱区域准确地 确定薄弱区域，并对其进行补偿是防止电压失稳的有效且简便易行的手段。为改变 在电压稳定性研究中的概念不统一、机理不明确的状况，目前的电压稳定性研究都 采取了按时问框架进行分类的办法。对不同时间框架下的稳定性问题，用不同的机 理予以解释，采用不同的数学模型加以研究并判别，采取不同的控制和补偿措施来 改善系统的稳定性 3 21 1 3 3 】跚 如图3 一l 所示，i e e e 的有关文献据此将电压稳定性分为以下几类 3 5 1 ： ( 1 ) 暂态电压稳定性，时间跨度在0 1 0 s e c 左右，也就是暂态功角稳定的时间跨度。 ( 2 ) 经典电压稳定性，它涉及有载调压变压器分接头的切换，配电电压调整和发电 机定子、转子电流的限制，时间跨度为i 5m i n 。 ( 3 ) 长期电压稳定性，时间跨度由几分钟到几十分钟的稳定性问题。 在图3 l 中，给出了在不同时间框架下分析系统电压稳定性问题，所要涉及的 系统中各种电气和机械元件的特性。 贵州大学硕士学位论文 蕾杏咎定性经鼻稳定性长研稳定性 发电机威磁动毒变压墨有t 一压分接开芙 一墨盔星量堡曼 錾曼墨墨董 皇垫墨至苎皇墨些奎 篓垫堡笪垫变璺芝垫蠢 壅兰皇墨堑厶曼王墨 直墨叁壅璺熊篓叁墨棼- 曼3 丝垫 i - miomi_- il 口l 口口i q q洲 图3 1 电力系统电压稳定性的三种时间框架 3 2电压失稳的机理 电力系统电压失稳的机理至今还未有一个统一的共识，从不同的角度出发，研 究者得出了不同的电压失稳机理。现就各种不同的提法做个简要介绍 电压稳定最初被认为是一个静态问题，因此对电压失稳的机理也是从静态的观 点来加以解释的，它把系统静态极限负荷能力作为电压稳定临界状态，反映的是潮 流解的可行性问题无论是q - v 曲线解释，还是p - v 曲线解释，亦或是p 电曲线解 释，系统电压失稳前总存在两个平衡点( 由小扰动分析易知，其一为稳定平衡点，另 一为不稳定平衡点) ，临界稳定时这两个平衡点融合嗍，这三种解释的区别仅在如何 看待这一现象上从静态分叉理论来看，这个现象对应于鞍结分叉，如配合中心流 形理论，就可以得到中长期电压失稳的一种机理解释。 发电机无功越限所立即引发的电压失稳由d o b s o n 在文献 3 6 j 中进行了解释。利 用同伦方法静态、线性地将越限前的平衡点延拓到越限后的平衡点，指出了这一过 程中发生了跨临界分叉( t r a n s c r i t i c a lb i f u r c a t i o n ) 该机理也可解释o l t c 动作可 立即导致的电压失稳 y s e k i n e 等人采用感应电动机模型分析了电压崩溃的动态过程，指出电压崩溃 发生首先是由最弱节点开始而后逐渐扩展到其它弱节点，在其动态过程中，低电压 解并非一定失稳，拐点下的部分也并非完全不可恢复【3 9 】。 h d c h i a n g 等人认为电压崩溃是由于系统到达临界点后，在扰动下被中心流形 所捕获，沿中心流形发展，其外在表现为电压的急剧下降 4 0 l 。w x u 等人认为电压 贵州大学硕士学位论文 崩溃是由于系统受到扰动后，电压下降，而负荷状态量却暂时不变，向系统索要更 多的功率，如果系统不能提供，则负荷状态变量的变化趋势是向系统索要更多的功 率，系统电压持续下降。以致电压崩溃1 4 l 】 c i g r e 工作组指出，暂态电压不稳定的主要机理是在扰动后感应电动机不能再 加速，或者由于输电系统变弱而使感应电动机堵转；另一个机理与h v d c 相关，特 别是当逆变端处于短路容量小的负荷区域时，逆变端的无功消耗特性及其电容补偿 可能引发电压不稳定，常用的恒功率固定息弧角控制在1 秒内恢复逆变端的无功功 率也可能导致电压