淺談電力系統(tǒng)的無(wú)功功率和電壓控制

【摘要】由電力系統(tǒng)的供電的典型負(fù)荷節(jié)點(diǎn)由許多裝置所組成。這種組成隨日期、隨季節(jié)和氣候的變化而不同。通常負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷特性是吸收無(wú)功功率的，復(fù)合負(fù)荷的有功功率和無(wú)功功率都是電壓幅值的函數(shù)。具有低的滯后功率因數(shù)的負(fù)荷使傳輸網(wǎng)絡(luò)有大的電壓降落，因而供電也不經(jīng)濟(jì)，對(duì)于工業(yè)用戶，無(wú)功功率通常和有功功率一樣要計(jì)費(fèi)，這就鼓勵(lì)企業(yè)通過(guò)使用并聯(lián)電容器來(lái)提高負(fù)荷功率因數(shù)。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；無(wú)功率；電壓控制

引言：我國(guó)的電力生產(chǎn)主要依靠以煤為代表的化石類不可再生資源，電能的節(jié)約就意味著資源的節(jié)約和碳排放的降低。因此電力系統(tǒng)要從各個(gè)環(huán)節(jié)著手，減少無(wú)功功率損失，提高經(jīng)濟(jì)性，其中，電壓控制和無(wú)功補(bǔ)償是重要手段 。為了調(diào)節(jié)無(wú)功功率，同時(shí)提高電壓穩(wěn)定性，電力系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站、用戶側(cè)均布置了無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

1.電壓穩(wěn)定的基本概念

電壓穩(wěn)定取決于電力系統(tǒng)維持負(fù)荷需求和負(fù)荷供給之間的平衡。可能產(chǎn)生的電壓不穩(wěn)定以某些母線電壓不斷下降或不斷上升的形式發(fā)生。電壓不穩(wěn)定可能結(jié)果是一部分區(qū)域失去負(fù)荷，或傳輸線跳開(kāi)，以及由于保護(hù)系統(tǒng)作用導(dǎo)致其他元件級(jí)聯(lián)停運(yùn)，某些發(fā)電機(jī)失去同步，可能造成其停運(yùn)或造成磁場(chǎng)電流限制器越限。

2.無(wú)功功率的傳輸

電力系統(tǒng)的有功功率都是由發(fā)電機(jī)發(fā)出的，經(jīng)過(guò)升壓、傳輸、降壓輸送給用戶使用；而系統(tǒng)的無(wú)功功率既可以由發(fā)電機(jī)發(fā)出，也可以通過(guò)補(bǔ)償設(shè)備發(fā)出。系統(tǒng)中的感性元件，如異步電動(dòng)機(jī)、輸電線路、變壓器等都需要消耗無(wú)功功率，此網(wǎng)絡(luò)中必然存在無(wú)功功率的輸出。

上圖展示了一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)中功率的傳輸，中間的電力網(wǎng)絡(luò)既可以理解為線路，又可以理解為變壓器。由于線路（變壓器）阻抗的存在，且線路（變壓器）兩側(cè)系統(tǒng)都難以獨(dú)自達(dá)到功率的平衡，因此在線路傳輸有功功率的同時(shí)，必然存在無(wú)功功率的傳輸與消耗。與系統(tǒng)功率傳輸不同，系統(tǒng)向負(fù)荷供電，有功功率傳輸方向一定是從電源傳遞到負(fù)荷，而有功功率與無(wú)功功率的關(guān)系被稱為負(fù)荷的電壓特性。分析表達(dá)式可知，系統(tǒng)有功功率與無(wú)功功率的傳輸存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，而二者之間的關(guān)系即為電壓平衡的條件。

3.電壓穩(wěn)定性能的技術(shù)

3.1無(wú)功不足的電壓失穩(wěn)分析

通常認(rèn)為，有功與頻率有關(guān)，而無(wú)功與電壓有關(guān)。這種說(shuō)法雖不嚴(yán)謹(jǐn)，但也有其一定道理。從無(wú)功和電壓的關(guān)系分析電壓穩(wěn)定性，可以如下表述：當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值隨這個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功支持的增加而增加時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)是電壓穩(wěn)定的；而當(dāng)其中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值，隨這個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功支持的增加反而降低時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)是電壓不穩(wěn)定的。當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)功功率短缺時(shí)，會(huì)造成電壓水平的低下，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些微小擾動(dòng)時(shí)，有可能會(huì)使某些樞紐變電所母線電壓不穩(wěn)，其母線電壓可能在頃刻之間就大幅度下降，不僅會(huì)造成電壓不穩(wěn)現(xiàn)象，更嚴(yán)重的還可能發(fā)展為電壓崩潰事故。

3.2負(fù)荷突增時(shí)的電壓失穩(wěn)的分析

互聯(lián)電力系統(tǒng)的電壓失穩(wěn)，常常發(fā)生在系統(tǒng)負(fù)荷很重的情況下。當(dāng)負(fù)荷接近極限時(shí)，如果再增加少量負(fù)荷，系統(tǒng)電壓可能就會(huì)突然急劇下降，嚴(yán)重時(shí)甚至不能控制，導(dǎo)致電壓失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。負(fù)荷特性很大程度上決定了電壓失穩(wěn)/電壓崩潰的歷程。

如果一個(gè)電力系統(tǒng)處于重載情況，假定負(fù)荷已接近于臨界狀態(tài)，無(wú)功電源已達(dá)極限，無(wú)法再提供多余的無(wú)功支持時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生很小的電壓降低，或負(fù)荷稍微增加一點(diǎn)，都會(huì)打破系統(tǒng)的平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)的局部電壓失去穩(wěn)定，最終結(jié)果可能就是整個(gè)系統(tǒng)的電壓崩潰。

4.電壓穩(wěn)定的控制措施

電壓穩(wěn)定控制，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的重要組成部分。由于在很多實(shí)際的電壓失穩(wěn)事例中，完全沒(méi)有功角不穩(wěn)定即將來(lái)臨的跡象，因此，針對(duì)電壓失穩(wěn)情況的電壓控制，由此進(jìn)行探討是非常有必要的。電壓控制，是在電壓發(fā)生故障或者負(fù)荷連續(xù)快速增長(zhǎng)的情況下，電力系統(tǒng)進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)、處于電壓失穩(wěn)或者電壓崩潰的過(guò)程中，通過(guò)采取適當(dāng)?shù)拇胧闺娏ο到y(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，或者暫時(shí)進(jìn)入恢復(fù)狀態(tài)的控制。

4.1保證電壓穩(wěn)定的兩種控制措施

通常保證電壓穩(wěn)定性，一般可以采取兩種控制措施：預(yù)防控制和緊急控制。根據(jù)約束條件是否滿足，電力系統(tǒng)運(yùn)行可分為正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急狀態(tài)、極端緊急狀態(tài)（電壓崩潰）和恢復(fù)狀態(tài)。

①預(yù)防控制。在系統(tǒng)進(jìn)入電壓警戒狀態(tài)時(shí)進(jìn)行，主要通過(guò)在系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)定邊界時(shí)，設(shè)定無(wú)功校正裝置的動(dòng)作整定值，以及校正現(xiàn)場(chǎng)控制器的可控變量，將系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)拉回到穩(wěn)定區(qū)域。

②緊急控制。是在緊急狀況下，系統(tǒng)已經(jīng)處于電壓失穩(wěn)的過(guò)程中，采取的用以防止電壓崩潰的措施。基于對(duì)電力系統(tǒng)中電壓失穩(wěn)的危害分析，電壓崩潰所造成的后果最為嚴(yán)重，所以，對(duì)其的防治措施的探討也最有意義。電壓緊急控制，是保證電壓穩(wěn)定防止電壓崩潰的主要手段。

4.2分布式的控制方法

分布式的控制方法，即將全系統(tǒng)的優(yōu)化控制，分解為不同的控制子區(qū)域的控制問(wèn)題，可以應(yīng)用“分解-協(xié)調(diào)”的方法，推廣控制理論中的最優(yōu)控制、穩(wěn)定性分析、模型化技術(shù)進(jìn)行控制的分析和設(shè)計(jì)，也更加符合電壓無(wú)功問(wèn)題的本質(zhì)特點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，在緊急情況時(shí)，將電力系統(tǒng)分為若干個(gè)控制區(qū)域。在每一個(gè)控制區(qū)域設(shè)有電壓緊急控制器，獨(dú)立監(jiān)測(cè)本區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)本區(qū)域的突發(fā)事件做出緊急處理，快速計(jì)算出本區(qū)域的電壓危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，并將其作為控制目標(biāo)，從而保證本區(qū)域的電壓水平。協(xié)調(diào)級(jí)分布式電壓緊急控制的核心環(huán)節(jié)，以本地區(qū)電壓安全穩(wěn)定為目標(biāo)，在電壓控制的不同階段，針對(duì)性地協(xié)調(diào)控制分散在各處的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)電壓無(wú)功控制器，高效合理地控制無(wú)功功率的流動(dòng)；并接收上一級(jí)的指令，在必要時(shí)和其他的控制區(qū)域進(jìn)行協(xié)作。組織級(jí)作為電壓緊急控制的最高級(jí)，其作用是進(jìn)行全電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析，以及全局經(jīng)濟(jì)優(yōu)化控制等功能。在電壓緊急情況時(shí)，在必要的情況下，協(xié)調(diào)不同的控制區(qū)域，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3電壓緊急控制策略

分布式無(wú)功緊急電壓控制的基本目標(biāo)，是通過(guò)及時(shí)地利用區(qū)域內(nèi)所用可能的無(wú)功出力維持電壓穩(wěn)定性。控制中心在電壓失穩(wěn)發(fā)生時(shí)，實(shí)時(shí)確定電壓控制分區(qū)，并將普通的二級(jí)電壓控制策略，切換到緊急控制策略。緊急控制通過(guò)快速的協(xié)調(diào)逐步強(qiáng)制設(shè)定發(fā)電機(jī)以及STATCOM（高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置）的出力來(lái)完成。參與控制的手段除了快速的FACTS（柔性交流輸電系統(tǒng)）元件和發(fā)電機(jī)外，還包括響應(yīng)速度稍慢的無(wú)功源（主要為并聯(lián)電容器）。如果經(jīng)過(guò)上節(jié)的控制，危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)Vc依然越限，則控制慢速設(shè)備，如果Vc已回到正常范圍內(nèi)，按照無(wú)功等效的原則，投入慢速響應(yīng)設(shè)備，逐步釋放快速響應(yīng)設(shè)備的無(wú)功出力，以保證足夠的緊急無(wú)功儲(chǔ)備。

5.結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)是一個(gè)具有高度非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，隨著電力工業(yè)發(fā)展和商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高。在現(xiàn)代大型電力系統(tǒng)中，電壓不穩(wěn)定、電壓崩潰事故已成為電力系統(tǒng)喪失穩(wěn)定性的一個(gè)重要方面。因此，對(duì)電壓穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行深入研究，仍然是電力系統(tǒng)工作者面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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