變電站電壓無(wú)功控制研究

閆頓開(kāi)

摘 要：考慮同時(shí)滿足電力系統(tǒng)對(duì)電壓、功率因數(shù)在合格范圍內(nèi)，課題對(duì)以110kV變電站作為研究對(duì)象，建立其電壓數(shù)學(xué)模型。并在此基礎(chǔ)上研究電壓調(diào)節(jié)原則，進(jìn)而提出一種無(wú)功控制模型，從而維持供電電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)，并找出能使電壓合格、變壓器有功損耗最小變壓器分接頭位置與電容器組投退的組合。

關(guān)鍵詞：電壓;無(wú)功控制;變壓器;電容器

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)生活中最常接觸到的電能質(zhì)量也有了更高的要求。目前我國(guó)電網(wǎng)存在的問(wèn)題之一便是有待提高的電壓質(zhì)量問(wèn)題。日常生產(chǎn)中，我們需要考慮二次側(cè)電壓、流入變電站的無(wú)功功率以及系統(tǒng)參數(shù)三個(gè)因素，因此，如何考慮同時(shí)滿足電力系統(tǒng)對(duì)電壓與無(wú)功功率的要求成為一項(xiàng)需要研究的問(wèn)題。在認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，如何取消目前變電站所采用的電壓無(wú)功控制策略中無(wú)功功率的上限和下限，選取更加合適的控制策略是當(dāng)前的主要目標(biāo)，使得電壓控制在相應(yīng)的合格范圍內(nèi)，同時(shí)優(yōu)化電容器，主變分接頭調(diào)壓次數(shù)，保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 無(wú)功電壓數(shù)學(xué)模型

課題選取烏蘭察布地區(qū)電網(wǎng)中110kV變電站進(jìn)行研究分析，運(yùn)行方式為兩臺(tái)主變?nèi)齻?cè)并列運(yùn)行，容量分別為120MVA，電容器組為941、942、943、944，容量分別為6Mvar。

能否建立的合理的負(fù)荷模型是本實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。在電力系統(tǒng)分析中的負(fù)荷模型有兩種建立方式，一是結(jié)合用戶端實(shí)際使用總量、利用率，然后按照典型設(shè)備模型進(jìn)行建立;二是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試建立。本文中負(fù)荷模型建立的難點(diǎn)在于負(fù)荷隨時(shí)間變化很大，無(wú)法精確建立。綜合考慮后，課題以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，進(jìn)行構(gòu)建負(fù)荷模型，如公式（1）所示。

P=PN+Ku（U-1）PN（1）

上式中，P為有功功率;PN為負(fù)荷在額定電壓下的有功功率;U為負(fù)荷所在點(diǎn)的系統(tǒng)電壓;Ku為負(fù)荷的有功電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，利用二次曲線擬合法擬合無(wú)功電壓特性曲線。同時(shí)結(jié)合無(wú)功電壓調(diào)節(jié)原則和原理，控制電壓保持在臨界值Ucr1之上，其無(wú)功電壓表達(dá)式如公式（2）所示。

Q=Qcr1+（U-Ucr1）2（UN-Ucr1）2（QN-Qcr1）（2）

UN—額定電壓;QN—額定負(fù)荷下系統(tǒng)的無(wú)功功率;Ucr1—電壓臨界值;Qcr—電壓達(dá)到臨界時(shí)的無(wú)功功率。

2 調(diào)節(jié)原則和原理

2.1 調(diào)節(jié)原則

課題選擇逆調(diào)壓的調(diào)壓原則進(jìn)行電壓控制，以保證用電負(fù)荷可靠供電。逆調(diào)壓的工作方式為當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷滿載運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將中樞點(diǎn)處的電壓值控制在標(biāo)準(zhǔn)電壓的105%水平上，從而保證線路電壓在合格范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷達(dá)到最小值時(shí)，應(yīng)將中樞點(diǎn)處的電壓值控制在標(biāo)準(zhǔn)電壓水平上，避免線路電壓過(guò)高，造成設(shè)備損壞。逆調(diào)壓的電壓調(diào)節(jié)范圍一般情況下為系統(tǒng)額定電壓的5%以內(nèi)。

變電站母線電壓調(diào)整，遵循高峰期母線電壓接近運(yùn)行上限，低谷期接近運(yùn)行下限的原則。當(dāng)前，地區(qū)電網(wǎng)的無(wú)功及電壓的調(diào)節(jié)方式主要集中在調(diào)控一體化管理模式下中集中監(jiān)控的變電站由AVC和監(jiān)控員共同調(diào)節(jié)，有人值守的變電站調(diào)節(jié)方式為AVC和值班員共同調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)的原則為“先補(bǔ)償，后調(diào)壓”，進(jìn)而保證電壓在合格范圍內(nèi)。（1）變電站母線電壓高于設(shè)定值的情況下，第一步應(yīng)觀測(cè)主變高壓側(cè)無(wú)功功率的大小與方向，其在合格范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)將主變分接頭逐步往下降，直至電壓在合格范圍內(nèi)，相反當(dāng)高壓側(cè)無(wú)功功率超出規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)將站內(nèi)的電容器逐步退出，并隨時(shí)觀察電壓情況;（2）變電站母線電壓低于設(shè)定值的情況下，第一步應(yīng)觀測(cè)主變高壓側(cè)無(wú)功功率的大小與方向，其在合格范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)將主變分接頭逐步往上升，直至電壓在合格范圍內(nèi)，相反當(dāng)高壓側(cè)無(wú)功功率超出規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)將站內(nèi)的電容器逐步投入，并隨時(shí)觀察電壓情況。

運(yùn)維人員應(yīng)在調(diào)整母線電壓時(shí)應(yīng)按照以下規(guī)則實(shí)時(shí)觀察主變高壓側(cè)無(wú)功功率的大小與方向：（1）負(fù)荷高峰期間主變高壓側(cè)無(wú)功功率的大小盡量低于一組電容器的無(wú)功容量;（2）負(fù)荷低谷期間主變高壓側(cè)無(wú)功功率的大小盡量低于一組電容器無(wú)功容量的120%;這是為防止系統(tǒng)出現(xiàn)不正常的無(wú)功潮流，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定正常運(yùn)行。依據(jù)不同情況，按需求調(diào)節(jié)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)。

2.2 調(diào)節(jié)無(wú)功電壓的原理

為了保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整主變分接頭的位置，改變系統(tǒng)無(wú)功功率分布、控制系統(tǒng)電壓在合格范圍內(nèi)，保證主變的可靠運(yùn)行，避免主變因過(guò)負(fù)荷或者低電壓而造成設(shè)備故障停運(yùn)。在此前提下，調(diào)節(jié)無(wú)功電壓的原理定義為無(wú)功功率越限應(yīng)優(yōu)先考慮投退電容器、電壓越限時(shí)優(yōu)先改變主變分接頭位置。調(diào)節(jié)變壓器分接頭會(huì)改變負(fù)荷無(wú)功與高壓母線電壓之間的無(wú)功電壓特性，長(zhǎng)時(shí)間低電壓或過(guò)負(fù)荷運(yùn)行的變壓器分接頭可能會(huì)導(dǎo)致變壓器損壞，因此我們要使系統(tǒng)盡量保持穩(wěn)定，在此前提下，變壓器分接頭和電容器組的調(diào)節(jié)原理為：“電壓的越限主要調(diào)節(jié)變壓器分接頭，無(wú)功功率的越限主要調(diào)節(jié)無(wú)功設(shè)備的投退”。具體操作為：（1）電壓越上限，無(wú)功功率正常，先調(diào)低變壓器分接頭，調(diào)至最低后，再延時(shí)退出并聯(lián)電容器組;（2）電壓和無(wú)功功率同時(shí)高于設(shè)定值時(shí)，首應(yīng)切出電容器，再考慮調(diào)整主變分接頭位置;（3）電壓和無(wú)功功率同時(shí)低于設(shè)定值時(shí)，首應(yīng)投入電容器，再考慮調(diào)整主變分接頭位置;（4）電壓低于設(shè)定值、無(wú)功功率正常時(shí)時(shí)，首應(yīng)調(diào)整主變分接頭位置，再考慮投退電容器。

3 無(wú)功控制模型

根據(jù)變電站電壓無(wú)功控制模型的求取過(guò)程，具體的計(jì)算方式如下：（1）U2是通過(guò)變電站的實(shí)時(shí)電壓和電流計(jì)算出來(lái)的上層電源節(jié)點(diǎn)電壓;（2）簡(jiǎn)化模型后可以得到變電站的無(wú)功控制模型等值圖，在此基礎(chǔ)上，嘗試不同的變壓器分接頭位置和并聯(lián)電容器組合，分析不同的組合對(duì)系統(tǒng)電壓無(wú)功的影響，在保證無(wú)功電壓在合格范圍的同時(shí)考慮對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，確定最佳調(diào)節(jié)策略。

4 總結(jié)

本章主要提出了變電站電壓無(wú)功控制方式的目標(biāo)，使得電壓控制在相應(yīng)的合格范圍內(nèi)，同時(shí)優(yōu)化電容器，主變分接頭調(diào)壓次數(shù)，保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提下，簡(jiǎn)化了模型，確定最佳調(diào)節(jié)策略。

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