浅析电压稳定与无功补偿

浅析电压稳定与无功补偿

0电压有效部位电气系统电压稳定是指系统干扰后，在系统特征和负荷特征的共同作用下，维护点负荷点的电压，并以在平衡点附近运行的能力。研究表明:电压及其稳定与无功功率是密不可分的。一般地,对应于有功功率恒定时的电压(无功功率特性),dQr/dV=0就是系统电压稳定临界点或电压失稳点,当dQr/dV<0时,系统电压稳定。电压崩溃是电力系统负荷点电压失去稳定后急剧下降的结果或过程,电压崩溃是指系统在某个全局性的(如故障、失去较大电源)或局部的扰动作用下,出现系统电压在短时间内持续、不可逆转的下降,最终导致大面积停电,系统稳定性破坏。电压崩溃可以是全局的,也可以是局部的,系统电压失稳后可能导致电压崩溃,但电压崩溃不是电压失稳的唯一终极结果,电压失稳后是否发生电压崩溃,关键取决于负荷的电压特性。随着大容量电动机和其它感性负载的使用,电力系统的无功功率的研究呈现三个新特点:(1)无功功率需求量有较大的增加;(2)无功功率的波动较大;(3)无功问题常常伴随谐波问题出现。无功功率的缺乏不仅会引起电压下降,而且还会影响到电压稳定,甚至会引起电压崩溃,国际与国内出现的几次大面积停电事故,要么是无功问题直接引起电压崩溃,要么是在停电中伴随着电压崩溃问题。说明现在电力系统中的电压与无功问题变得愈来愈严重与复杂,有必要对其进行关联分析与研究。1暂态电压稳定问题电压稳定性研究按采用的模型可划分为两大类别,一类是基于潮流方程的静态研究,另一类是基于微分方程的动态研究。电力系统本质上是一个动态的过程,系统中所有的动态元件都对电压稳定有着重要影响。电压稳定的研究一般通过电压失稳不同的表现形式进行分析:(1)静态电压稳定问题,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都将使负荷母线电压发生不可逆转的突然下降,这种特点的电压稳定丧失是不易被运行人员觉察的。(2)动态电压稳定问题,电力系统发生故障后,为保证其功角暂态稳定及维持系统频率,除了进行网络操作外,也可进行自动切机切负荷等操作,由于系统结构变得脆弱或全系统电源支持负荷的能力变脆弱,缓慢的负荷恢复过程可能导致电压失稳。(3)暂态电压稳定问题,在电力系统发生故障或其他类型的大扰动后,在伴随系统处理事故的过程中,发电机之间相对摇摆且某些负荷母线电压发生不可逆转的突然下降,而此时发电机之间的相对摇摆可能并未超出使电力系统功角失稳的程度。自从电压稳定问题受到重视以来,电压崩溃现象的机理探讨一直很活跃,提出了各种各样的解释。目前对电压崩溃机理的认识仍存在着巨大的差异,现阶段对于电压崩溃现象的物理解释主要有P-U曲线解释、无功功率平衡解释、有载调压开关OLTC负调压作用解释和同步电机解释等。无功功率解释表明:在电力系统中电压水平的高低主要受无功功率的影响。把电压崩溃与某种形式的无功功率的不平衡联系起来,这类观点的典型代表便是传统的dΔQ/dU判据,这是一种经典的直观物理解释。在dΔQ/dU中,ΔQ=QG-QL,该判据的意义是:当电力系统某一负荷节点无功功率不平衡量对该节点电压的导数小于0时,该节点是电压稳定的;大于0时则是电压不稳定的;等于0的状态对应于静态电压稳定临界点。设讨论的为某一系统中的一个负荷节点,如图1所示,给出了向这点供电的电源的无功功率静态电压特性曲线QG和负荷的无功功率静态电压特性曲线QL。正常运行时,该节点输入、输出的无功功率必须平衡,即必须运行于QG和QL的交点。但是这样的交点有两个,系统在这两点是否都能稳定可行可以用小干扰法来加以分析。1)在点1运行时,如果一个微小的扰动使该节点的电压略微下降,则负荷需要的无功功率将改变到与1″对应的值,电源供应的无功功率将改变到与1′对应的值,该节点无功功率将有过剩,电源向该节点输送的无功功率将减少,网络中的电压降落也将相应减少,该节点电压又恢复到初始值。当系统中出现微小的扰动使该节点电压上升一个微量ΔU>0时,则该节点无功功率将有缺额,迫使电源多送无功功率,网络中的电压损耗也相应增大,导致该节点电压下降而恢复到原始值。所以,在点1运行时电压是静态稳定的。2)在点2运行时的情况不同,用相似的方法可以得出点2电压不稳定的结论。在点1运行时电压处于较高水平而dΔQ/dU<0;在点2运行时电压处于较低水平而dΔQ/dU>0,所以合乎逻辑的结论便是上面介绍的dΔQ/dU判据。2预防电压不稳与电压消失的措施目前普遍认为,加强无功备用,提高紧急状态下的无功应变能力,防止无功功率的远距离传输,紧急切负荷,闭锁甚至反调OLTC是预防电压不稳与电压崩溃的有效措施。下面列出的是改善无功功率分布的主要方法。2.1根据发电机的作用扩大发电机的相位滞后和相位超前的容量,使电源的接入能够加强电网结构而不是削弱。充分考虑发电机组的作用,即在系统出现电压严重下降的情况下,保持尽可能多的发电机组运行极为重要。发电机和励磁机的过负荷能力可以延缓电压崩溃的时间,装设足够的无功补偿设备同样是保持各区域的无功功率供需平衡的直接有效措施。2.2基于动态无功补偿的最佳措施采用多回路的输电线路和环形系统,提高输电系统电压等级,加强受端电网的电源支撑。在受端接入调相机和其它无功补偿装置,形成潮流减少的趋势,改善受端的电压、潮流特性,提高受端电压恒定的能力。1)串联电容器:使用串联电容器可有效地减少线路电抗,从而降低净无功网损。基于这一措施,线路可以从其一端的强系统向其另一端的无功短缺的系统传送更多的无功功率。2)并联电容器:虽然并联电容器的过分使用可能是电压不稳定问题的原因之一,但是有时附加的电容器也能解决电压不稳定问题,因为此时可以在发电机中预留出“旋转无功储备”。通常,所要求的无功功率大多是就地提供的,而发电机主要提供有功功率。3)静止无功补偿器SVC与静止无功发生器SVG:SVC、SVG等动态无功补偿装置可解决动态情况下的无功快速跟踪补偿问题,并且与同步补偿机等配合使用对控制电压和防止电压崩溃也是有效的。但必须认识到动态无功补偿装置有很确定的极限,当一个超过了规划准则的扰动使其达到极限值时,系统中的电压崩溃会与其有很大的关系。2.3降压降压技术在较高电压下运行可减少系统的无功需求,因为它使发电机运行在远离无功极限的地方,因此,帮助运行人员预留了对电压的控制。低电压甩负荷可以减少一定的负荷,进而避免电压崩溃。在辐射状负荷的场合下,甩负荷应该基于一次侧电压。在静态稳定中,甩掉受端系统中的负荷将是最有效的。另外,采用低功率因数发电机也是一种有效的技术措施。在无功短缺地区或靠近偶尔需要大的无功储备地区时,采用功率因数为0.85或0.8的发电机,进一步采用具有无功过负荷能力的高功率因数发电机加并联电容器组,可能更灵活、更经济。3柔性配电设备电网中广泛使用的无功补偿方式是固定电容器补偿,但是现在由于负荷的构成发生了变化,传统的补偿方式已不能适应电力系统的要求,而基于电力电子元器件构成的SVC、SVG等柔性输配电设备则能很好地对无功功率进行动态补偿,进而稳定电压水平和抑制高次谐波。3.1tcr型无功补偿装置SVC装置是一种快速调节无功功率的装置,它可使所需无功功率作随机调整,从而保持在冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定。它可有效抑制冲击性负荷引起的电压波动和闪变、高次谐波,提高功率因数,还可实现按各相的无功功率快速补偿调节实现三相无功功率平衡,使负荷处于稳定、安全、可靠的运行状态。SVC由可控支路和固定(或可变)电容器支路并联而成,主要有四种类型,即可控硅阀控制空芯电抗器型(TCR型)、可控硅开关控制电容器型(TSC型)、自饱和电抗器型(SR型)和可控硅阀控制高阻抗变压器型(TCT型),其中TCR型具有反应时间快(5~20ms)、运行可靠、无级补偿、分相调节,能平衡有功、适用范围广、价格便宜等优点。TCR装置还能实现分相控制,有较好的抑制不对称负荷的能力,因而其应用最广,使用例子最多。其基本的无功平衡原理如下。TCR型补偿装置典型结构图如图2所示,在实际应用中,一般由TCR和若干组不可控电容器FC(滤波器)并联而成。通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角,既可以向系统输送感性无功电流,又可以向系统输送容性无功电流。由于TCR的基波等效电纳为:式中:α—晶闸管触发延迟角;L—电抗器电感;ω—系统基波角频率。因TCR与FC并联,则整个SVC的等效电纳为:从式(2)可以看出,SVC的等效电纳也是晶闸管触发延迟角α的连续函数,通过改变晶闸管的触发延迟角,就可以连续改变SVC的等效电纳。TCR型和TSC型补偿器都能有效的补偿系统中的无功电流,但各有自己的缺点,TCR型补偿器容易产生谐波,而TSC型补偿器对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制。二者的缺点正是对方的优点,所以TCR+TSC型补偿器应运而生。由TCR提供可调的感性无功功率,FC提供容性无功功率,同时作为5、7次谐波的滤波器,当FC提供的容性无功功率不足时,TSC投入运行。所有形式的SVC都属于并联无功补偿装置,补偿原理都是通过控制晶闸管的触发角,改变接入电网中的等效电纳,而达到调节输出无功目的。但这些SVC设备之所以能产生感性无功功率,依靠的是其中的电容器,这就导致SVC与静电电容器补偿装置有着同样不可弥补的障碍,即当电压水平过于低下,急需无功补偿时,补偿器的输出反而会减少。3.2svd的工作原理由于电力电子技术的飞速发展,使用大功率可关断晶闸管(GTO)器件代替普通的晶闸管构成的无功补偿器已开始进入实用阶段。这种装置称为静止无功发生器(StaticVarGenerator,简称SVG)。SVG可以分为电压型和电流型两种类型,直流侧分别采用电容和电感作为储能元件。实际上,由于运行效率的原因,迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路,如图3所示,其结构简单、能量损耗小、成本低且易于控制,因此,SVG往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿装置。SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或直接并联到电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或直接控制其交流侧就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。典型的电压型SVG的工作原理:以二极管构成的整流桥从交流系统吸取少量有功功率,对直流电容C充电,保持电压稳定。控制器根据电网无功变化情况,通过6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功。SVG向系统注入的无功功率可表示为:式中:VS—系统电压;RS—逆变桥的等效电阻;δ—SVG输出电压与VS的夹角。由式(3)可知,通过调节δ的大小,就可以控制SVG注入系统的无功功率。由于RS很小,所以调节范围非常大。如果多台SVG并联移相输出,则既可加大补偿容量,又能抑制装置本身的谐波电流。3.3桥式交流电路与SVC相比,SVG还具有一些突出优势:(1)谐波量小:在多种型式的SVC装置中,SVC本身产生一定量的谐波,如TCR型的5、7次特征次谐波量比较大,占基波值的5%~8%,给SVC系统的滤波器设计带来困难。而在SVG中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理,以消除次数较低的谐波。(2)连接电抗小:SVG接入电网的连接电抗,其作用是滤除电流中可能存在的较高次谐波,另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用,因此所需的电感值并不大,也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量。此外,对于那些以输电补偿为目的的SVG来讲,如果直流侧采用较大的储能电容,则SVG还可以在必要时短时间内向电网提供一定数量的有功功率,这对于电力网来说是非常有益的,这是SVC装置所不能比拟的。(3)可控性能好、调节速度更快:其电压幅值和相位的快速调节典型值为几个毫秒。它的端电压对外部系统的运行条件和结构变化不敏感。因此,SVG不仅可以得到较好的静态稳定性能,而且可得到较好的大干扰故障下的暂态稳定性能。4svc运作原理电压崩溃的物理实质是系统已不能维持其送达负荷的功率与负荷所要求吸收的功率之间的平衡,即系统根本丧失了平衡点。电压稳定及电压崩溃与无功功率的平衡是密不可分的,所以分析电压稳定和无功功率的补偿有实际意义。通过分析可知,电压和无功功率呈现了无功功率需求量大