淺談電力系統二級電壓控制的研究現狀及不足

華 梁

（南京鐵道職業技術學院（蘇州校區），江蘇 蘇州 215137）

1 分級電壓控制

隨著電力網絡的發展和電壓穩定問題的日益突出，對大電網電壓/無功的協調控制提出了更高的要求。電壓分級控制是協調電壓控制的有效手段和方法，分級電壓控制的產生源于70年代人們對電壓崩潰的認識。其基本思想是認為由于電網中某些地區無功不足，造成局部電壓下降，引起連鎖反應，導致全網電壓水平下降，而另外一些地區的無功源又沒有被充分利用起來阻止這一現象的發生，最終系統發生電壓崩潰。綜合調動全系統的無功源，最大限度的產生無功，并對無功潮流進行最佳的控制，是防止電壓崩潰事故的有效途徑。

分級電壓控制把整個電網分成各個控制區域（Control Zones），每個控制區域是相互之間耦合程度大的節點集合，控制區域之間相互解耦或者近似解耦。選擇各個控制區域的主導節點（Pilot Node）和控制無功電源，主導節點代表本區域的電壓水平，控制無功電源是能夠對主導節點電壓提供足夠無功支持的無功設備。當區域內節點電壓受到擾動產生變化后，如果把主導節點電壓恢復至擾動前的水平，則區域內所有節點的電壓將同樣得到恢復。

分級電壓控制分為三級，每一級控制系統都有自己的控制對象、控制目標，同時在時間上相互解耦，低層控制按照上一層的控制信號作為自己的控制目標，向下一層控制發出控制信號。分級電壓控制的基本原理見圖1。

一級電壓控制器設置在發電廠、用戶和各供電點的無功/電壓控制設備上，包括：同步電機（發電機、調相機、同步電動機）、靜止無功補償器、快速投切電容器、電抗器以及變壓器有載分接開關自動切換等。響應時間一般為一秒到十幾秒。控制目標是抵消快速負荷波動造成的電壓波動，維持系統電壓的穩定。一級電壓控制設備分為3類：第一類是以本地局部信息進行無功功率控制的無功設備；第二類是除了以本地局部信息進行無功功率控制，還接受二級電壓控制器的控制信號，對二級電壓控制提供無功支持的無功設備，即控制無功電源；第三類是前兩類控制的組合。

二級電壓控制器設置在區域調度中心。響應時間是幾十秒到幾分鐘，大于一級電壓控制的響應時間。控制目標是當系統中變化相對緩慢的負荷變化（相對一級電壓控制）或者區域網絡結構變化導致區域的主導節點電壓發生變化后，根據三級電壓控制器確定的主導節點參考值電壓，按照預定的控制策略，以某種協調方式重新設置區域內控制無功電源的電壓參考值（Reference Value），以達到系統范圍內良好的運行性能。

圖1 分級電壓控制的原理圖

三級電壓控制器設置在系統調度中心，是等級電壓控制系統的最高級，其響應時間是幾十分鐘。控制目標是以全網安全和經濟運行準則來優化系統的運行狀態，確定各區域中主導節點電壓的參考值，協調各二級電壓控制系統，使全系統達到最優運行狀態。

2 分散二級電壓控制（DSVC）策略

分散二級電壓控制（DSVC）的原理是將整個電力系統劃分為幾個相互獨立的區，稱作“控制區域”，在每個控制區域中選出其最關鍵的對區域內其它節點有重要影響的電壓母線為“主導節點”，并根據主導節點的電壓偏差，按照某種預定的控制方式協調、有效地調整區域內各控制發電機的AVR的參考電壓設定值或其它無功源的設定值，從而使主導節點的電壓基本保持不變，進而維持整個區域的電壓水平，并使無功分布在一個良好的狀態。這種調整將會使得機組的無功出力發生變化，調整的幅度是由主導節點的電壓與其設定值的偏差所決定的。

DSVC一般通過硬件控制器實現，然而隨著系統的老化，在20世紀90年代初也出現了一些不足。

（1）在實行 DSVC以后隨著系統網架結構的不斷發展，在電網的某些部分原本相互解耦的控制區域間的聯系越來越緊密，相互影響會越來越明顯，也就是說原來的解耦關系遭到了一定程度的破壞。為了避免在控制過程中導致系統的不穩定，要么就增加分區的數目，要么就降低控制的動態響應速度，但無論使用哪一種方法都會影響控制的效果。

（2）對發電機組無功功率分配限制過死。

（3）發電機無功功率內部閉環調節信號快于區域電壓水平信號，可能使其在故障后的短時間內向不利方向作用。

（4）裝置只部分考慮廠電壓控制功能，而未監視電壓極限值，發電機運行范圍的界限（功角、定子電壓、輔機電壓和轉子電流）也未精確考慮。

（5）控制系統的參數是固定的，從而不能對一些運行條件進行優化。

因此針對DSVC控制策略的這些不足和電力系統的發展狀況必須探求新的控制方法。

3 協調二級電壓控制（CSVC）策略

如何克服分散電壓控制的缺陷，這是設計協調電壓控制策略的出發點，其目標是從全局的觀點來實現無功的調度和電壓的控制。在原先分散電壓控制中幾個獨立的控制分區由于電網聯系的日益緊密其解耦性越來越弱，從而由這些控制分區形成了一個大的區域，通過協調二級控制能夠實現整個大區的電壓控制設備的相互配合。在CSVC中，可控發電機的數目即控制變量的數目要大于主導節點即輸出變量的數目，因此除了維持主導節點電壓以外，還有一定的可控自由度用于實現其它的控制目標。

CSVC的基本原理仍是使主導節點上的電壓維持在整定值，但控制信號的計算是針對包含幾個主導節點的地區，并考慮各發電機對所有主導節點的作用。這樣可以防止這些聯系緊密地區各自獨立進行電壓控制可能造成的相互間不穩定。控制中心搜集所有主導節點和電壓敏感節點的電壓遙測值，以及參與二級電壓控制的控制機組的母線電壓和有功/無功出力。將這些信息輸入多變量二級電壓協調控制器。控制信號直接加于每臺發電機的電壓調節器，這樣可避免出現傳統二級電壓控制系統在無功功率控制中可能造成的不良作用。由于可控發電機的數目即控制變量的數目要大于主導節點數目，因此，CSVC還能充分利用這些控制變量來滿足其他額外的運行約束，對提高系統的電壓穩定性起到很好的作用。

4 二級電壓控制問題的不足

縱觀現有的二級電壓控制策略的研究，主要存在如下問題：

（1）所選擇的二級電壓控制設備大多為連續調節的無功電源，如發電機、靜止無功補償器等，對應的二級電壓控制優化模型符合二次規劃模型，一般采用二次規劃法求解。對于快速投切電容電抗器組等離散型無功源，其處理方法是先把這些無功電源當作可連續調節設備，再把計算結果和實際的調節檔位相比較，按接近的檔位調節。這樣做就有可能得到調節的次優解，而并非最優解。

（2）沒有選擇有載調壓變壓器（OLTC）作為二級電壓控制設備。雖然有載調壓變壓器不是無功源，但可以改變系統無功的分布，是系統電壓調節的有效手段。盡管有載調壓變壓器的響應速度比較慢，大概在20～100 s之間，但足以滿足二級電壓控制的要求，故選擇有載調壓變壓器作為等級電壓控制中的電壓控制設備是必要的。

5 結束語

在電力互聯網絡和電力市場發展的大背景下，以全系統或整個區域的安全經濟運行為指標，以提高系統電壓水平、保證電壓穩定性為目的的無功電壓快速協調控制顯得越來越重要。在眾多解決該問題的研究中，由法國電力公司提出的二級電壓控制是一種很有競爭力的方案，并得到了廣泛的關注。但是，現有的二級電壓控制方式多采用連續調節設備，沒有考慮有載調壓變壓器、切負荷等離散控制方法，這在今后的研究工作中需要得到重視。

1 孫元章、王志芳、姚小寅.電力系統二級電壓控制的研究［J］.電力系統自動化，1999（9）：9～14

2 孫元章、姚小寅、劉 峰.二級電壓控制對電力系統穩定性的影響［J］.中國電機工程學報，2000（2）：28～32

3 Paul J P,Leost J Y, Tesseron J M.Survey of the Secondary Voltage Control in France: Present Realization and Investigation［J］.IEEE Trans on Power Systems，1987（2）：505～511

4 Corsi S, Pozzi M, Bazzi U, et al. A Simple Real－time and On－line Voltage Stability Index Under Test in Italian Secondary Voltage Regulation［C］.CIGRE Conference,Paris，2000：38～115