電力系統電壓穩定性研究

電力系統電壓穩定性研究

仝志鵬

(山西昱光發電有限責任公司，山西 朔州 036900)

摘要：隨著我國經濟的快速發展和電力系統的不斷完善，電壓穩定性已經成為電力系統的熱點課題?，F主要研究分析了電力系統電壓不穩定的種類、原因、解決方法，并對兩大電壓自動控制系統的基本思想、理論成果和應用情況加以總結，以期為電力系統運行和科研工作提供參考。

關鍵詞：電力系統；電壓不穩定；AGC；AVC

收稿日期:2015-04-30

作者簡介：仝志鵬(1975—)，男，山西朔州人，工程師，從事火電廠電氣專業技術管理工作。

0引言

目前我國處在經濟高速發展階段，超高壓系統構成了主要網架，控制系統、通信系統和監控系統保障了電力系統的安全穩定運行，西電東送建設不斷加強，我國裝機容量和年發電量均處于世界領先地位。隨著電源容量日益增長，電網規模不斷擴大，電網建設也不斷加強。但由于我國土地面積廣闊、電力資源相對偏遠、電氣設備廣泛普及，對供電電壓安全要求不斷提高，因此保證供電電壓的穩定性也是保障經濟高速持續發展、促進能源合理開發利用、滿足人民基本需求、維護國家安全穩定的基本前提。

1電壓不穩定研究

1.1電壓不穩定類型

電壓不穩定包括非同步運行、電壓崩潰、頻率崩潰。其中，非同步運行中電壓在相位、頻率和振幅這三方面不完全一致；電壓崩潰包含局部電壓崩潰和大面積電壓崩潰，大面積電壓崩潰對電力系統會造成相當嚴重的危害，1978年12月法國電網和1987年7月日本東京電網的電壓崩潰都造成了重大經濟損失，嚴重破壞了社會穩定；電力系統頻率與有功功率成正相關關系，有功功率不平衡越來越嚴重時，頻率將逐步下降，下降到0時發生崩潰。

在電力系統中常常會發生電壓偏差、波動和過電壓，嚴重影響電力系統的穩定性。

電壓偏差是指實際電壓與額定電壓的緩慢穩態偏差。發生電壓偏差時，電壓偏高或偏低，其大小穩定在某一個值。電力系統的調壓方式、供電距離、線路阻抗及無功補償容量決定了電壓偏差的大小。

改善電壓偏差的主要措施有：

(1) 采取就地無功補償，安裝并聯電容器，保證感性元件的穩定；

(2) 采用有載調壓變壓器，保障電壓質量；

(3) 根據實際情況選擇變壓器的變比；

(4) 減少配電系統阻抗，避免過大的線路損耗；

(5) 盡量使三相負荷平衡，保證供電可靠性。

電壓波動是指實際電壓與額定電壓的急劇動態偏差。當系統不穩定、發生電壓波動時，電壓值大小不斷變化。用電設備負荷的巨大變化產生了沖擊性負荷，從而導致了電壓波動。抑制電壓波動的措施有：增加發電廠的裝機容量，較大的裝機容量有利于保障系統的穩定；提高供電電壓等級，有效避免電涌的產生；采用特定變壓器和專用線路輸電，減少并網和輸電過程中的損耗；改進生產工藝及操作水平；采用專用穩壓設備等。

內部過電壓是由于斷路器操作、故障或者其他原因，使系統參數發生變化，在系統內部引起電磁能量積累和振蕩的過渡過程中產生的過電壓。內部過電壓包括操作過電壓和暫時過電壓，操作過電壓是因為系統誤操作或故障引起，暫時過電壓是因為系統的電抗參數配合不恰當引起。

暫時過電壓包含兩種類型：工頻過電壓和諧振過電壓。工頻過電壓幅值不高，對系統中具有可靠絕緣的電氣設備危害較小，當時間持續較長時，對絕緣設備運行的危害不可小覷。工頻過電壓在超高壓系統的絕緣配合中具有重要作用，因為操作過電壓幅值直接受工頻過電壓影響；同時，工頻過電壓的大小也是決定避雷器額定電壓的重要依據。電力系統中存在感性元件和容性元件，感性元件如電流互感器、電壓互感器、變壓器等，容性元件如高壓電力電容器、自愈式低壓并聯電容器等。當系統運行或電抗元件故障時，系統中感性元件和容性元件在恰當條件下可能形成不同的振蕩回路，產生諧振，從而引起諧振過電壓。

電力系統中的電阻元件和容性元件都可看作是線性參數。但感性元件由于在振蕩回路中包含多種特性，因此諧振過電壓有以下幾種類型：

(1) 線性諧振過電壓，電路中的電抗和電阻都是常數。這類線性感性元件主要有不帶鐵芯的感性元件和激磁特性接近線性的帶鐵芯的感性元件。感性元件和電容元件形成串聯電路，當串聯回路的頻率和電源頻率相同時產生串聯諧振，串聯諧振發生時，感性元件和容性元件上的電壓遠大于電源電壓，此時回路電阻的大小直接影響回路電流的大小。

(2) 參數諧振過電壓，系統中存在電感值周期性變化的感性器件，凹極發電機的感性元件和容性元件參數匹配時就有可能發生參數諧振，維持振蕩回路所需的能量由感性元件的電感周期性變化產生的能量來提供。

(3) 鐵磁諧振過電壓，常常發生在激磁特性呈非線性的帶鐵芯的感性元件電路中。帶鐵芯的感性元件往往在系統運行時發生飽和，此時電感值隨著電流或者磁通量的變化而變化，在一定條件下鐵磁諧振現象就會發生。鐵磁元件的激磁特性呈非線性，因此鐵磁諧振又稱為非線性諧振。

1.2電壓不穩定原因

電壓不穩定的主要原因有以下幾點：

(1) 由于用電需求量的不斷升高，發、輸電設備趨于極限值；

(2) 供電線路陳舊老化，壓降過大，接頭接觸不良；

(3) 系統中增加無功補償后，無功與電壓平方成正比，電壓降低時，無功大幅度減??；

(4) 電壓穩定性研究還不夠深入。

1.3電壓不穩定解決辦法

電壓不穩定對于電網危害極大，可采取以下方法消除電壓不穩定：

(1) 正確選擇變壓器的分接頭，保證用電設備的電壓水平；

(2) 合理設置電容器進行無功補償；

(3) 變壓器并列運行；

(4) 加裝限流電抗器，防止電流過大；

(5) 采用穩壓器保證電壓穩定。

2電壓自動控制系統

AGC和AVC是當代兩大電壓自動控制系統，具有改善電壓質量、減少線路損耗、增加電量儲備和緩解調度人員工作強度的功能。經過科研人員的不斷研發，AGC已經廣泛應用于各大電廠中，AVC技術還有待提高。

2.1AGC系統

如圖1所示，電力系統自動發電控制(AGC)系統主要由主站控制系統、信息傳輸系統和電廠控制系統等組成。

圖1　AGC系統總體結構

AGC是能量管理系統EMS中的一項重要功能，其根據居民用電需求量來有效調控輸出，同時保證系統經濟運行。近幾年來，AGC廣泛應用于全國各大發電廠，AGC系統的投入大幅度提高了系統的可靠性。其中，水電廠一般采用全廠AGC控制方式，火電廠則采用單機或全廠AGC控制方式。

電廠中AGC的基本控制目標為：(1) 保證電網發電量滿足用電需求量；(2) 保持系統頻率與計劃值相符，避免發生頻率崩潰；(3) 將系統發電功率合理分配到各區域，同時保持區域間凈交換功率符合計劃值。

2.2AVC系統

AVC利用通信技術有效控制電網中的無功資源以及調壓設備，從而來保障電力系統安全經濟運行。通常AVC系統中配置一個上位機，對應一個電壓無功系統；配置多個下位機，各機之間可相互通信。

電廠AVC裝置原理如圖2所示。

圖2　電廠AVC裝置原理圖

電廠中上位機主要負責處理模擬量信息、開關量信息，輸出控制命令和電壓無功目標值，模擬量信息主要從發電機組采集，開關量信息主要從母線等采集，控制命令、電壓無功目標值主要通過電廠端RTU輸出。對采集到的信息進行處理，估算出母線需要的無功總量，然后將無功合理分配給母線上的發電機，各個下位機接收對應的信息和控制命令，實現各機組間的無功最優配置。

下位機主要負責將采集到的模擬量和開關量等信息及時傳送給上位機，之后上位機進行分析和處理，并輸出控制命令和目標無功值到各個下位機，根據控制命令采取相應的操作，把每個機組的無功大小調整到目標值。每個機組有一個下位機，保證機組在安全合理范圍內運行。采集母線信息的獨立下位機對勵磁無操作。

3結語

研究電力系統電壓穩定性對我國經濟發展有著重要意義，經過幾十年的不斷探索，我國在電壓穩定性及控制手段的研究上取得了豐碩的成果。電壓自動控制系統已廣泛應用于電力系統中，但隨著電力系統的不斷發展，電壓穩定性要求將不斷提高，對電壓自動控制系統還需進行更深入的研究。

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