電壓穩定約束下的無功補償探討

摘 要:為提升電力系統安全水平，在無功補償優化中有必要考慮壓穩定約束。下面，本文就對壓穩定約束下的無功補償進行探討，從壓穩定約束下的補償點選擇、補償方式選擇和補償量計算方面分別進行論述，以對其相關內容進一步明確。探討壓穩定約束下的無功補償對于電力行業的未來發展具有積極的現實意義。

關鍵詞:電壓穩定 無功補償 選擇 計算

中圖分類號:TM71文獻標識碼:A文章編號:1674-098x(2012)04(a)-0055-01

近年來，電壓穩定始終是國際電力界非常關注的重要課題，電力系統電壓穩定問題已經成為制約電力系統實現進一步發展的巨大障礙，但至今人們對于電壓失穩的確切原因仍無法完全解釋。從本質上來講，電壓穩定是一個功率問題，而問題的根源往往是局部無功短缺，為此，無功補償就成為預防電壓失穩的常用方式，但因系統電壓水平同系統失穩不存在必然聯系，故探討壓穩定約束下的無功補償十分必要。

1 電壓穩定問題的出現

對于電力工業來講，電壓穩定和控制問題并不是新的概念，但在許多電力系統中其受重視程度則非常之高。過去電壓問題主要伴隨長線路和弱系統，在高度發達電網中，因負載重，而使電壓穩定問題成為焦點。隨著近年來，一些大電網崩潰事故的發生，均是由不穩定的電壓造成的，如比利時北部系統故障、瑞典系統故障等。從而將電壓穩定問題推至一個新高度，成為當前擺在電力領域的重要課題。

2 以往補償方式存在的缺陷

在以往無功補償中，常用指示為系統運行電壓，并選擇系統內較低電壓水平的負荷點來實施補償，然而雖然系統電壓幅值同其系統穩定形狀有著一定的關系，但并不完全相同，在較高系統電壓的情況下，可能發生電壓失穩現象，由此可以看出，以往補償方式主要具有以下方面的缺陷:第一，系統穩定性的唯一指標為電壓，缺乏完善的理論依據;第二，只能依據某一系統場景來計算，且在依據不同場景所得結論可能存在較大差異;第三，當系統內存在多個低壓節點時，對其進行排序無法實現，選擇補償點時表現出盲目性;第四，缺乏補償手段選用的相關指導，補償方式在選擇時表現出盲目性。

無功功率比較抽象，它是用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率(鎮流器也需消耗一部分有功功率)來發光外，還需80乏左右的無功功率供鎮流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對外做功，才被稱之為“無功”。無功功率的符號用Q表示，單位為乏(Var)或千乏(kVar)。

無功功率并不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。

把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路上，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可有容性負荷輸出的無功功率來補償。實質上就是把原來由電網或者變壓器提供的無功功率，改為由交流電力電容器來提供。

3 壓穩定約束下的無功補償

基于上述缺陷，本文采用L1(局部電壓穩定指標)來就壓穩定約束下的無功補償方式選擇和地點確定進行探討。

3.1 多場景環境下的補償地點選擇

系統弱負荷階段集指的是在系統故障情況和可信系統負荷增長模式下的壓穩定薄弱節點。應用概率處理方法，便可對壓穩定弱節點集的概率進行計算，并作為系統候選補償點的節點集。其方式具體如下:結合實際情況來對系統安全運行局部指標極限進行確定;對系統中可信事故集加以確定，基于每一個可信事故，來對每個負荷節點的指標概率期望值進行計算;選擇滿足條件的節點，來構成弱節點集，并依據從大到小的順序來排序節點;重復排序節點內容，直至將所有同可信事故相對應的弱節點集合排序算出;對弱節點集中每個節點的運行危險性指標進行計算;依據運行危險性指標的大小，進行整體的次序排序，即為補償地點的選擇順序，若選擇一個門限值，則多場景環境下的補償地點的集合將最終確定。

3.2 壓穩定約束下的補償方式選擇

電力系統弱負荷節點的發電機相關集是通過因子絕對值中負荷的排序來加以確定的。分析無功補償矩陣，其表示負荷節點同PV節點間等值的電氣距離。基于此，便可得出壓穩定約束下補償方式選擇的指導法則:對補償地點集合中已確定的補償節點，就其發電機相關集進行分別計算;就發電機相關集中每一個節點同系統節點間的耦合平均系數進行計算;依據從大到小順序，對耦合平均系數進行排序，并重新排序補償地點集合中的負荷節點，其中，在前排序的優先應用并聯補償手段，在后排序的優先應用串聯補償方式;當確定串聯補償手段時，應依據發電機相關集的排序來對無功補償線路優先順序進行選擇，并應用串聯補償于較小相關線路中。

3.3 壓穩定約束下的無功補償量計算

為保障系統電壓穩定和運行水平要求同時被滿足，可確定壓穩定約束下無功補償量的計算公式為:。其中Cs和Cp分別為補償時所采用串聯補償和并聯補償的功率值，約束條件分別為:線路電流約束、節點電壓約束、系統穩定約束。在保證電壓電流約束、系統安全運行約束的條件下，為實現最小化的新增補償量，可將上衣公式轉換為: 。其中Co表示新增無功補償后，系統運行損耗費用的增加量，包括設備運行費用和網損的增加等，當運行損耗整體減少時，其便為負值。Cn表示為無功補償裝置上新增的投資費用。此時，應用拉格朗日變換法，便可解答壓穩定約束下的最小化問題。

4 結語

上述內容從壓穩定約束下的多場景補償點選擇、補償方式選擇、補償量計算方面進行了較為深入的探討，明確其相關內容，結合系統運行實際，來指導無功補償的具體實施，從而為電力系統的實踐規劃提供借鑒。

參考文獻

[1]顏偉，王圣江，董雷.考慮電壓穩定約束的無功優化新模型[J].電氣應用，2007，26(12):21～26.

[2]劉麗霞，黃志剛，李娟，等.天津電網電壓穩定研究[J].電力系統保護與控制，2010，38(12):90～96.

[3]魏煒，奚瑜，賈宏杰.考慮電壓穩定約束下的無功補償[J].天津大學學報，2006，39(B06):95～101.

[4]劉明波，楊勇.計及靜態電壓穩定約束的無功優化規劃[J].電力系統及其自動化，2005，29(05):21～25.