智能电网的无功补偿配置与控制研究(2).doc

智能AVC的无功补偿配置与控制技术原则研究唐寅生，（湖南电力调度通信局，湖南省 长沙市 410007；） 摘要：为建设智能电网和促进电网无功电压技术经济转型，开展了“智能电网的无功补偿配置与控制技术原则”课题研究。内容包括：智能AVC及其技术特征、基于无功潮流的技术支持、电网无功补偿配置与控制的技术原则及其闭环控制策略等，并举例无功优化潮流控制效果。最后提出了稳妥、积极、优质 、逐步抵达目标的几条建议。关键词：智能电网；无功潮流；无功补偿配置；无功补偿控制；闭环控制策略；高压并联可控电抗器 Research on Smart grid configuration and control of reactive power compensation technical PrinciplesTANG Yinsheng（Hunan Electric Power Dispatch Communication Bureau, Changsha 410007, Hunan Province, China)ABSTRACT: For building smart grid and reactive power-voltage technology to promote economic restructuring, studied the smart grid reactive power compensation principle of the configuration and control technology issue. Include: Intelligent AVC and its technical characteristics, Economic Voltage Difference Reactive power flow-based technical support, network configuration and control of reactive power compensation principle and the closed-loop control technology strategies, and examples of Economic Voltage Difference reactive power optimization flow control effect. Concludes with a safe, positive, quality, and gradually reach the target of several recommendations.Key words：Smart Grid；Configuration of reactive power compensation Control of reactive power compensation ；Economic Voltage Difference Reactive power flow；Real-time monitoring of reactive power compensation control analysis；High Voltage Shunt Controllable Reactor1、引言我国正在努力建设智能电网1。智能电网有3大控制系统，包括自动发电控制(automatic generation control，AGC)系统、自动电压控制（automatic voltage control，AVC）系统和基于广域测量系统(wide-area measurement system，WAMS)的安全稳定控制系统。智能AVC应涵盖各级电压的电网。当前，我国电网无功补偿与控制水平相对落后，主要表现在：电网无功补偿配置不合理，无功电压控制水平相对落后，AVC停留在20世纪80年代初法国国家电力公司（EDF）称为的二级电压控制水平上，以电压为目标值的控制策略不科学，非全网无功优化，不能有效的控制无功潮流，尤其是含有千万千瓦级风电电网的无功潮流与电压控制结果不尽人意等。为建设智能电网和促进电网无功电压技术经济转型，研究了电网无功补偿容量配置与控制技术原则，内容包括：智能AVC及其技术特征、基于无功潮流的技术支持、电网无功补偿配置与控制的技术原则及其闭环控制策略等，并举例无功优化潮流控制效果。最后提出了稳妥、积极、优质 、逐步抵达目标的几条建议。2、智能AVC技术特征22.1 无功优化 自动实现电网无功优化运行。组成电网的各(发电厂、输电线路、降压变压器与用电企业)元件都做到无功就地平衡。输电线路与联络变压器中只通过最少量的无功。2.2 柔性控制 即完全可控性。无级差调整的动态无功补偿装置具备柔性特征。2.3 更安全、高质量、高效率 电网的安全、优质(电能质量供电电压偏差)与输电效率(降低线损) 3个指标同时抵达最好状态。这是电网效益转变发展方式的重要体现。2.4 先进的预防机制 先进的预防机制，就是无功就地平衡的机制。即什么地方用，就什么地方补偿；什么时候用，就什么时候补偿，用多少就补偿多少的机制。2.5 自适应计算功能电网具有适应任何情况下的无功潮流计算功能。2.6 自愈功能 电网发生事故后，具有自己恢复电压水平的功能。自愈功能实际上就是电网发生事故后实现无功就地平衡的能力。自愈功能应该包括自适应功能与无功自动调节功能。2.7 人性化互动 电网无功的电压控制依赖发、供、用3方的共同努力，需要发、供、用3方的互动合作功能。2.8 市场化 电网无功电压控制的动力在于市场化，智能AVC应当考虑电网调度管理下的市场化的运行和使用。3、技术支持3.1超高压交流输电系统无功经济运行问题31988年能源部电力科学研究院根据水电部科技司下达的科研题目500千伏系统运行特性研究而做的部分研究总结报告，超高压交流输电系统无功经济运行的结论是：通常，电力系统线损当中与负荷大小有关的所谓“可变损失”，占线路损失总额的绝大部分，约占总线损的80%85%。而线路按“经济压差”运行可使线路的可变损失降到最小。3.2 线路经济压差()定义维持输电线路无功功率分点恰恰位于本线路中点的线路首、末两端电压之差，称为经济压差。图1，500kV漫昆线数学表达式：3.3 无功潮流优越性输电线路在经济压差下运行，无功功率造成的线路电阻损失是最小值。此时，线路电压降落或叫做电压损失与线路正序电阻成正比，并决定于线路输送有功功率的大小。无功功率分点位于本线中点与在本线首端或末端相比，无功功率造成的线路电阻损失减少了75%。输电线路在经济压差下运行，无功功率造成的电压降落是最小值。从输电线路整体看，线路经济压差仅与输电线路的电阻有关，与输电线路的电抗没有关系。由于线路两端平均电压的提高，也减小了功角损失，平均电压提高1%，功角损失降低2%，自然功率提高1%，输送容量提高1%；此外，线路电压分布也好。图1：输电线路经济压差定义注释 4、电网无功补偿技术原则与容量配置算法4.1 电网无功补偿技术原则花最少的钱，且能够满足从最大到最小运行方式以及事故运行方式下的无功实时就地（分层）平衡的需要，以促进电网智能化的发展,使电网安全、优质、经济、稳定等几个指标同时抵达最好状态。无功补偿装置应具有柔性控制、电网无功优化、先进预防机制、自适应计算与控制、自愈功能等智能AVC特征。4.2 电网无功补偿容量算式 101000kV变电站，按照无功补偿布局的无功补偿容量，应等于其高、中压母线上所连接线路的过剩无功之和的一半，加上高、中压线路本侧所连接的输电线路及母线上的高抗所消耗的无功，再加上变压器消耗的无功4。 式中：分别为变电站高、中压母线上连接的每条线路的过剩无功，统称为，可用下式求出，并应考虑N-1原则；为高（中）压侧线路或母线上连接的高压并联电抗器消耗的无功； 为变压器损失；为下级电网的无功负荷；n为高压母线上所接的线路条数；x为高压并联电抗器的个数；U为母线电压的实时值；m为中压母线上所接线路的条数；y为中压并联电抗器的个数； 式中： B为线路电纳；为线路电抗；I为电流；U同上。4.3电网无功补偿容量算法4.3.1 潮流法 计算电网最大、最小负荷方式下的潮流，利用潮流计算结果有关数据，代入变电站无功补偿容量算式，对应计算变电站的容、感性无功补偿容量。这是简易算法，此无功补偿容量对应于无功潮流迭代前的运行方式，有一定误差。4.3.2 程序算法用无功补偿程序，一次性计算补偿容量。表1，利用无功补偿程序，某110kV部分变电站无功补偿容量效验结果5。 表1：某110kV变电站的无功补偿计算结果分析情况分项(1)(2)(3=2+1)(4)(5=3+4)(6)(7=5-6)变电站1/2QC变压器损失补偿电容器容量无功负荷补偿需要电容器总容量现有电容器容量缺少电容器容量城南-120240120500051207800-2680仙塘-230138011500115015600-14450新塘-170729071201160018720600012730东城-2200-220200-202100-21204.4 电网无功补偿装置选型智能变电站无功补偿装置的选型，应满足智能AVC的需要，具有柔性控制、先进预防机制、自适应计算与控制、自愈功能与智能化无功优化调整等特征。由于电力电子元器件生产技术的迅速发展，当代动态无功补偿装置的技术经济指标有了飞速进步，应优先选用动态无功补偿装置，这是将目前电网转换成智能电网的必须，选用动态无功补偿装置，不仅仅是在电网稳态方式下可以使安全、优质、经济三个指标同时抵达最好状态，而且是智能电网无功电压控制的预防机制和自愈功能建设的需要，选用动态无功补偿装置，消除智能电网发展中的壁垒，即将成为电网无功补偿装置选型的主流方向。传统仅考虑电网暂态动态与电压稳定需要而选用动态无功补偿装置，只是电网运行的最低要求。千万千瓦级风电兴起上网以后，主力电网中需要安装的动态无功补偿装置，无论在位置上、数量上均未达到最低要求。比如750kV西北电网中的无功潮流与电压不稳，主要原因就是风电中心与频率调控中心的联络通道上的有功功率波动引起的无功功率波动，从而造成的电网电压波动的原因就是如此。这个联络通道包括有110、330、750kV电压网路，也包括110、330、750kV电压网路之间的联络变压器，涉及的联络输电线路与联络变电站的数量之多，也应积极参与调控，参与考核。治理的措施应该是在涉及联络通道上的所有发电厂变电站，都安装上与风电出力波动速度相适应的动态无功补偿装置，跟踪无功潮流的变化进行对应跟踪调控，旨在750kV敦煌变电站的750kV母线上安装一套分级调节的晶闸管控制变压器无能为力。选择动态无功补偿是实施按照地点、时间与数量3维无功补偿原则的需要。没有动态补偿装置的电网，就不会有智能AVC，也就没有智能电网，没有任何捷径可走，不能抱任何幻想，早解决早好。为了1000kV特高压电网的发展与安全优质经济运行，亦应如此现有的TCR based-svc、MCR based-svc、SVG（static var generator or static condenser）等多种类型，可根据需要和技术经济指标比较确定。5、基于潮流技术的实时闭环控制方法与策略基于无功潮流的实时闭环控制策略控制系统的总体设计是借用网、省、地、县调度能量管理系统（EMS）的实时数据进行计算和现场进行控制形成的闭环控制系统；分散实时闭环控制系统则借用变电站综合自动化系统以及发电厂DCS系统的实时数据，在现场实时计算，现场计算中心与控制设备之间形成闭环控制系统。下面进一步予以说明。 5.1分层控制按电压分层控制：例如研究的配电网包括，自220/110 kV降压变压器的110 kV侧母线开始的110 kV网络及110/10 kV降压变压器；以及10kV网络及10/0.4kV配电变压器。5.2 控制方法全网优化。同一级电压电网中必须有N-1个节点，无论什么类型的发电厂、变电站均参与无功优化调节。即使少一个节点参与调节，也达不到全网无功优化，电网联络线与联络变压器中就有无功异地输送成分存在，就不是全网无功优化了。 控制模式，有分散、集中与混合式三种闭环控制两种。分散就是在变电站或发电厂现场形成的闭环控制系统；集中就是调度中心与现场之间形成的闭环控制系统。混合式就是同时采用两种控制模式。5.3变量及约束 控制变量：无功补偿无约束，按就地平衡需要选定；状态变量：电压上、下限约束；调整变量：无功连续调节；变压器变比不直接参与最优无功优化计算，但参与调控。5.4 控制界面升、降压变压器高压侧的综合界面。5.5 数学模型同电压等级电网中，每一条输电线路电压降落的纵分量最小（min U=(PR+QX)/U）6。无论什么类型的发电厂、变电站策略一样。5.6 控制策略5.6.1 给定电压约束下的控制界面的实时无功值（）不断接近实时无功优化目标值()的实时闭环控制。无论什么类型的发电厂、变电站的控制策略一样。给定电压约束的作用是,控制每一个发电厂、变电站的变压器的实际使用变比，因为它控制了全网整体的电压水平7。无功潮流优化的作用是，减少电网（线路）两端的电压差，提高电网平均电压水平。智能AVC电压控制应该同时满足变压器两侧电网的实时电压需要。5.6.2 变压器分接头控制策略在满足变压器高压侧电网给定的电压约束下的实时无功优化要求前提下，同时满足变压器低压侧对母线电压的调控需求。作用是使变压器高压侧的电网具有无功优化潮流，又使变压器低压侧电网有优良的起始电压。这是上、下级电网无功电压调节相互衔接友好控制技术。5.6.3 电网电压异常控制策略高压侧界面实时无功值合格,但电压越（上或下）限：一般情况下，不会只是本站电压越限，应由所属调度考虑电压上、下限的定值是否合理？所有（起码是大多数）变压器的实际变比是否合理？5. 6.4 控制目标 无功潮流控制目标是，各个电压等级的电网中，每一条输电线路都有一个无功分点，且在本线的中点，即输电线路与联络变压器中通过的无功最少。电压质量、输电效率与电压稳定储备系数三个指标同时抵达最好状态。6、电网无功潮流控制效果图2示出21世纪初500kV南方电网一种负荷的无功潮流。控制效益是：常规潮流：UMAX=567kV；UMIN=462kV；UCP=530.4 kV；U=105 kV；P=53.5MW。优化潮流：UMAX=538kV；UMIN=527kV；UCP=532.4 kV；U=11kV；P=43.26MW。P=10.4MW；P%=19.1；UMAX=29kV ；UMIN=65kV ；UCP=2kV8。图2：500kV潮流控制效果图7、稳妥、积极、优质、逐步抵达目标7.1 做好示范科研工程7.1.1电网无功补偿实时监测分析9 采集电网运行有关实时数据，计算注入电网无功实时目标值、无功补偿容量等相关数据，两种量值比较得出偏差量，求得优化补偿容量等数据，分析指导无功电压运行状况，寻找正确对策。7.1.2智能AVC 样本工程选择一个500kV变电站下的220kV系统，及220kV系统下属的若干个110kV系统，及110kV系统下属的若干个10kV系统。分系统、向上，逐级实施，两年做好智能AVC样本工程。7.1.3 智能AVC输电系统选择500kV环形电网外围的500kV输电系统，例如500kV漫湾草铺输电系统及500kV大理和平输电系统等，它仅需要发电厂一侧调整，就可优化整个输电系统。10。7.1.4换流站侧智能系统AVC好处是稳定交流系统电压，交流系统节能降耗。7.2 研究采用高压并联可控电抗器11.12高压并联可控电抗器主要作用是，抑制工频过电压与潜供电流，平衡电网无功，参与动态无功补偿调节等优点，在西电东送通道上的500kV长线路两侧采用高压并联可控电抗器，更能显现它的优越性。 我国自主知识产权的非饱和型“磁路并联、漏磁自屏蔽”式高压并联可控电抗器，近几年在我国电网中，尤其是在风电及电气化铁路等用电企业的应用实践中，已经突显出国产NCR技术经济指标的优越性。建议南方电网公司与国产MCR的研究、生产单位合作，立项研究MCR在电网中的应用制造与应用技术课题，制定科研路线图，循序渐进，有成效的，步步推进高压并联电抗器在电网的中的应用，促进智能电网的发展。7.3 研究改进交流输电系统无功优化控制策略，尤其是研究西电东送的交流电网省际之间联络通道上的无功控制方法与标准。7.4 研究500kV系统西电东送电网省际之间，尤其是广东与广西电网之间，实施直流背靠背（BACK TO BACK）互联的优越性与可行性。7.5 研究供用电之间无功0交换与电压保障机制从上世纪至今,我国一直执行功率因数调整电费政策13，由于考核标准是月度平均低功率因数，长期制约电力系统节能降耗与电压质量的提高，对电网、用户与社会百害而无一利。供用电之间无功0交换与电压保障机制为交流电网特征所决定。在当前形势下，应该能够为用电企业和电网双方都能接受。供用电之间无功0交换与电压保障机制含两方面内容。供用双方只存在有功电能的买卖交易，在双方产权分界界面上，实行实时无功值0交换与电压保障机制。实时无功值0交换机制表示：异于0交换时，电网公司对用电企业按预先约定的规则实行罚款制；电压保障机制表示：电压质量不合格时，用电企业对电网公司按预先约定的规则实行罚款制。实施供用电之间无功0交换与电压保障机制，将对电网、用户与社会带来极大的效益。8、结束语智能电网必须有智能AVC。智能AVC需要无功补偿配置与控制方法与策略支持，使联络变压器及联络线路中通过最少量的无功，达到电网安全、优质、经济运行。建立在中国人发明的无功潮流理论基础上的电网无功补偿配置与控制技术原则，以及控制方法与策略，刷新了传统无功优化的概念与做法，应通过电网无功补偿控制实时监测分析，逐步摸清电网无功补偿与电压质量状况，通过几个无功优化样板引路工程等措施，积极、稳妥、优质，逐步攀登，最终抵达电网无功优化控制的最高领域，做出新贡献。参考文献1余贻鑫智能电网的技术组成和实现顺序J南方电网技术，2009，3(2)：1-5Yu YixinTechnical composition of smart grid and its implementation sequenceJSouthern Power System Technology，2009，3(2)：1-5(in Chinese)2 唐寅生，丁晓群.智能AVC系统的特征和建设研究, 电网技术，2005，34(10)：50-55 TANG Yinsheng,DING Xiaoqun, Research on Features of Smart AVC and Its Construction, Power SystemTechnology，2005，34(10)：50-55(in 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