電力系統(tǒng)的無功控制策略研究及可靠性分析

彭明仔 丘永亮

（1.廣州市凈水有限公司，廣東 廣州510655；2.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510510）

0 引言

電力系統(tǒng)電壓下降的主要原因是無功功率不足或分布不合理，電壓無功控制的核心是合理選擇控制策略，從而有效地減少有載變壓器分接頭和電容器組的動(dòng)作次數(shù)，降低能量損耗，提高電壓合格率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

1 傳統(tǒng)九區(qū)圖無功控制策略

為實(shí)現(xiàn)無功控制目標(biāo)，目前電力系統(tǒng)大多采用九區(qū)圖進(jìn)行實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償。九區(qū)圖控制策略是對(duì)變壓器分接頭檔位、電容器組數(shù)、電壓、無功等進(jìn)行控制，根據(jù)電壓及功率因數(shù)信息來判斷當(dāng)前的運(yùn)行區(qū)域，再按照設(shè)定的控制策略，調(diào)節(jié)電容器組的投切組數(shù)及變壓器分接頭的檔位，以最優(yōu)的控制順序和最少的動(dòng)作次數(shù)使輸出電壓及功率因數(shù)處于正常工作區(qū)，盡量使電壓穩(wěn)定而功率因數(shù)接近于1。傳統(tǒng)九區(qū)圖控制策略如圖1所示。

圖1 九區(qū)圖控制策略

傳統(tǒng)九區(qū)圖控制策略存在的問題：沒充分考慮分接頭調(diào)節(jié)和電容器投切對(duì)電壓、無功的影響，且對(duì)分接頭和電容器的調(diào)節(jié)不作限制。因此，實(shí)際使用時(shí)容易造成系統(tǒng)振蕩、分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)過多。同時(shí)，該策略沒有對(duì)調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行預(yù)判，容易造成分接頭調(diào)節(jié)及投切電容過大或過小，不易操作。

2 無功控制的系統(tǒng)模型

無功控制是通過基本潮流方程獲得所需電容器組數(shù)和分接頭檔位，簡單系統(tǒng)接線圖如圖2所示。

設(shè)U0為系統(tǒng)電壓，U1、U2為變電站主變高低壓側(cè)電壓，PL、QL分別為負(fù)荷有功和無功功率，k為變壓器變比，Qc為補(bǔ)償無功功率，Rs、Xs、RL、XL分別為線路阻抗參數(shù)，RT、XT為變壓器阻抗參數(shù)，設(shè)變電站共有m組等容電容器，變電站綜合負(fù)荷取恒定功率模型，則有：

圖2 系統(tǒng)模型

設(shè)變比k不變，為維持主變低壓母線電壓在規(guī)定的UC，由式（1）可得式（2）：

式中，B0為一組電容器電納；n為組數(shù)，是非負(fù)整數(shù)。

對(duì)于理想電網(wǎng)，電壓降落橫分量及全網(wǎng)電阻對(duì)電壓的影響很小，可忽略不計(jì)。所以，在不計(jì)電壓降落橫分量和全網(wǎng)電阻的情況下，可按式（1）推導(dǎo)出nj和kj的近似計(jì)算公式：

通過式（4）、（5）可以計(jì)算出投切電容組數(shù)及變壓器變比，預(yù)先掌握分接頭檔位及電容投切組數(shù)，從而減少分接頭及電容投切的調(diào)節(jié)次數(shù)。

3 改進(jìn)的無功控制策略

經(jīng)分析，分接頭調(diào)節(jié)主要用于電壓調(diào)節(jié)，而電容器投切主要用于無功調(diào)節(jié)，同時(shí)也可用于電壓調(diào)節(jié)，因而可以采用電容器優(yōu)先動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制策略。公式計(jì)算檔位及電容組數(shù)可能會(huì)使無功控制不夠精確，所以需進(jìn)行預(yù)判，分接頭一次調(diào)節(jié)一檔，電容器一次投切一組，每動(dòng)作一次后都應(yīng)進(jìn)行電壓、功率因數(shù)合格判斷，并根據(jù)電壓、無功、時(shí)間、分接頭檔位和電容器組投切開關(guān)狀態(tài)等多因素進(jìn)行綜合判斷。改進(jìn)的無功控制策略流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的無功控制策略流程圖

改進(jìn)的無功控制策略是優(yōu)先調(diào)節(jié)電容器，每次投切一組電容器，直至電壓合格或電容器組數(shù)達(dá)到最大為止。如果投切電容器能使電壓無功合格，則不必再調(diào)節(jié)分接頭；若不合格，則再調(diào)節(jié)分接頭或執(zhí)行下一步驟。

4 算例分析

為了驗(yàn)證該策略的控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)九區(qū)圖無功控制策略，使主變低壓側(cè)母線電壓處于規(guī)定的電壓上下限值之間，高壓側(cè)功率因數(shù)盡量接近于1。

設(shè)0點(diǎn)時(shí)分接頭檔位和電容器組初始狀態(tài)為＋3檔、投入1組電容。功率因數(shù)上下限值分別為1和0.9，電壓上下限值分別為10.7kV和10kV，假設(shè)不對(duì)控制對(duì)象的動(dòng)作次數(shù)作限制。案例采用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

經(jīng)計(jì)算，表1和表2分別為改進(jìn)的無功控制策略的效果和傳統(tǒng)控制策略的效果（僅列舉需調(diào)節(jié)部分），表中cap和tap分別為電容器組、分接頭檔位實(shí)際輸出控制量。

5 無功控制策略的可靠性對(duì)比

由表1和表2可知，改進(jìn)的無功控制策略及傳統(tǒng)九區(qū)圖策略都可以實(shí)現(xiàn)變電站的電壓、無功控制要求。在傳統(tǒng)九區(qū)圖控制策略下0：00～23：00分接頭共調(diào)節(jié)了14次，電容器組僅投切了1次，可知該策略未能充分利用電容投切手段進(jìn)行調(diào)壓和無功補(bǔ)償，使分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)大大增加，超出日最大調(diào)節(jié)次數(shù)。

表1 改進(jìn)的無功控制策略效果

表2 九區(qū)圖無功控制策略效果

在改進(jìn)的無功控制策略控制下，0：00～23：00分接頭共調(diào)節(jié)了7次，電容器組共投切了8次。比較兩種策略的控制效果，由于無功控制目標(biāo)要求變壓器分接頭日調(diào)節(jié)次數(shù)盡量少，可知改進(jìn)的無功控制策略明顯優(yōu)于傳統(tǒng)九區(qū)圖策略，它能夠大大減少分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)，其原因在于充分應(yīng)用了電容器投切替代分接頭調(diào)節(jié)的電容優(yōu)先原則。由此可知，改進(jìn)的無功控制策略優(yōu)點(diǎn)是能夠使變壓器分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)盡量達(dá)到最少。

6 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)采用改進(jìn)的電壓無功控制策略時(shí)，可以使變壓器分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)達(dá)到最少，避免造成系統(tǒng)振蕩及分接頭的頻繁動(dòng)作，確保了自動(dòng)化裝置動(dòng)作的正確性，從而延長了電氣設(shè)備的使用壽命，并提高了電力系統(tǒng)無功控制的可靠性。

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