（电力系统及其自动化专业论文）基于电网分区的二次电压控制研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ea u t o m a t i s m v o l t a g ec o n t r o l ( a v c ) s y s t e mi sp o s s i b l et ob er e a l i z e d f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h eb a s i cm o d u l eo fa v c ：n e t w o r kp a r t i t i o n i n g ，p i l o tb u ss e l e c t i n ga n dc o n t r o lp o l i c y d e s i g n i n g ，t h e ns u m m a r i z et h er e s e a r c hs t a t ea n da p p l i c a t i o no f a v c t h i sp a p e ri n t r o d u c e sn e t w o r kp a r t i t i o n i n gb a s e do f fk o h o n e nn e u r a ln e t w o r k f i r s t l y , ac o n c e p to fm v a rc o o r d i n a t es p a c ei sp r e s e n t e d ，t h e nt a k et h es e n s i t i v i t y b e t w e e ng e n e r a t o r sa n dn o d e sa se i g e n v e c t o r s ，a tl a s t , k o h o n e nn e u r a ln e t w o r ki s i n t r o d u c e dt od e c o m p o s i t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n gc o m p a c t n e s so fp o w e rg r i d ，t h e c o u p l i n ga m o n ge v e r yv c a ( v o l t a g ec o n t r o la r e a ) i sb e c o m i n gs t r o n g e ra n ds t r o n g e r , i tm a k e st h er o u t i n es e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g yd i f f i c u l tt or e a l i z e b a s e do n w a r d _ t y p ee q u i v a l e n t ，t h ep a p e rc o n s i d e rt h ee f f e c to fr e a c t i v ep o w e ra m o n gv c a s a n di m p r o v et h ee x i s t i n gc o n t r o ls t r a t e g yo fv c a t a k et h en e w e n g l a n ds y s t e ma s t h ee x a m p l e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tk o h o n e nn e u r a ln e t w o r ki sam e t h o d w h i c hi sr a p i dc o m p u t a t i o na n ds t r o n gt y p er e c o g n i t i o n ，a n di ti sf i tf o rn e t w o r k p a r t i t i o n i n g ；a f t e ra d o p t i n gt h eu e wc o n t r o ls t r a t e g y , t h ee f f e c to f t h er e a c t i v ep o w e ri n t h en e i g h b o r i n ga r e ao nt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fo n ea r e ah a sd e c r e a s e d t h i sc a n i l l u s t r a t et h ev a l i d i t yo f t h ei m p r o v e dc o n t r o ls c h e m e k e yw o r d s ：m v a rc o o r d i n a t es p a c e ；k o h o n e nn e u r a ln e t w o r k ；v o l t a g ec o n t r o l a r e a ；p i l o tb u s ；s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l ；w a r d t y p ee q u i v a l e n t ；e f f e c to fr e a c t i v e p o w e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得亟鲞盘空或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：文，廿孓签字日期：i h b 年 月 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑渔盘生有关保留、使用学位论文的规定。特授权扭 盘太生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文之外。允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括 刊登) 授权河海大学研究生院处理。 学位论文储签名：曲卜弓位 签字日期：小舻b 年1 7 月弓口日 导师躲丁pl a 签字日期：uc 年) 月 4 日 河海大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究本课题的意义 随着现代工农业生产的迅速发展和人民生活水平的不断提高，生产过程的自 动控制和家用电器设备的普及，广大用户迫切要求电力部门提供合理的电能质 量。而我们知道，电压是衡量电能质量的基本指标之一，是反映电力系统的无功 平衡和合理分布的标志。电能质量差，不仅会影响供电用户本身，还有可能给整 个电力系统带来灾难性的后果。例如电力系统的电压如果波动太大，直接影响了 电器设备的性能，同时还将影响电力系统的安全稳定运行，甚至会引起系统的电 压崩溃，造成大面积的停电，给国民生产带来严重损失。 随着我国电力互联网络的发展，大型联合电网的出现以及电压稳定性问题的 日益突出，使得以全系统或整个区域的安全经济运行为指标、以保证系统电压稳 定性为目的的协调电压控制系统成为必要。提高系统电压稳定水平，防止电压崩 溃事故的发生是电力系统安全运行必须考虑的问题。尽管电力系统电压稳定的研 究已取得了很多成果，但仍有很多问题待解决，尤其是有关防止电压失稳措施的 研究。未来几年内，我国将面临自动电压控制( a r c ) 的大发展，因而，对于本 课题的研究有着较重大的现实意义【1 。2 】。 t 2 电压无功控制 1 2 1 概述 国家电力公司电力系统电压和无功电力技术导则指出：电压是电能质量的重 要指标，电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质 量以及电器设备的安全与寿命有重要的影响。电力系统的无功补偿与无功平衡是 保证电压质量的基本条件，有效地控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量， 而且提高了电力系统运行的稳定性和安全性，降低电能损耗，充分发挥电能经济 效益。 第一章绪论 和有功一样，无功作为电力网络所提供电力服务的一个有机部分必须供给用 户。在电力系统中，电压质量和无功功率的分布有着不可分割的关系，电力系统 的运行电压取决于无功功率的平衡，如果系统内无功功率不足，将使电压水平降 低，系统有扰动的情况下，就有可能使电压低于临界电压，以至电压崩溃，从而 导致因失去同步而瓦解的灾难性事故。在超高压电网中由于线路充电功率很大， 有可能使电压过高，危及电力系统的安全及系统运行的稳定。如1 9 7 8 年1 2 月 1 9 日法国大停电，1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典的大停电，1 9 8 7 年7 月2 3 日东京大 停电，以及2 0 0 3 年8 月1 4 日的美加“8 1 4 ”大停电均由于高峰负荷直接或间接 使无功功率不足造成的电压崩溃，从而造成系统重大事故【粥】。 8 0 年代以前，我国电网长期处于低电压水平，主电网不稳定事故时有发生， 给电力工业和其他经济部门造成了不可估量的损失。自1 9 7 9 年以来，电网电压 水平不断得到改善，无功补偿设备的容量基本上与新增发电设备的容量相适应， 但是也存在一些问题，如一些电网在轻载时电压过高的现象时有发生，局部地区 甚至超过设备的允许规定，严重影响了设备的安全运行。随着电力系统的发展， 电网规模越来越大，电压质量问题也越来越突出，出现电压崩溃并发展成全网性 事故的可能性也正在逐步增加，所以极需要全面改善和提高系统的电能质量。 电压偏移过大对用户及电力系统本身都有不利的影响。对于占负荷比重最大 的异步电动机，电压过低时转差将增大，绕组中电流增大，温升增加，效率降低、 寿命缩短。电动机转速的下降将影响用户产品的产量和质量。对于发电厂本身， 异步电动机转速下降，由其拖动的厂用机械( 如风机、泵等) 出力将减小，影响到 锅炉、汽轮机和发电机的出力。用户的电热设备，将因电压降低而减小发热量， 使产品产量和质量下降。电压过低时将减小自炽灯的发光效率，各种转子设备也 不能正常工作。当电压太高时，电气设备的绝缘会受到损害；变压器和电动机由 于铁芯饱和、损耗和温升都将增加。照明设备在电压过高时寿命将明显缩短，例 如电压偏移+ 1 0 时，白炽灯寿命缩短一半。所以，为了保证电器设备的正常工作， 电力系统运行中必须进行系统各节点电压的监视和调节。以保证电压偏移在允许 的变化范围之内。 至于因系统中无功功率短缺，电压水平低下，某些枢纽变电所母线电压在微 小扰动下顷刻之间的大幅度下降，即下图所示的“电压崩溃”现象，则更是一种 导致发电机之问失步，系统瓦解的灾难性事故。 河海大学硕士论文 。u 一 扰动v 、n w 电压协 图卜1 电压崩溃现象 电力系统中的电压水平与系统中无功功率1 9 】的状况密切相关。无功功率从电 源端经线路和变压器向负荷端输送，要产生电压损耗( 高压线路和变压器的电压 损耗主要取决于通过的无功功率) ，输送的距离越远，经过的环节越多，则其引 起的电压降就越大，负荷端的电压就越低。所以，电力系统中潮流的变化，特别 是无功功率潮流的变化，会使电力线路和变压器的电压损耗发生变化，并引起各 节点电压的变化。因此要合理地配置无功功率电源，做到就近供应无功功率，即 根据负荷对无功功率的需求，在其附近设置无功补偿电源。这样不但能提高电压 水平而且能减小电网中的有功功率损耗，同时还能减小电网中无功功率的变化幅 度减小各节点电压的波动。同样，提高负荷的功率因数，也能起到同样的作用。 因此，电压的调整与无功电源配置、负荷无功功率的补偿、电网中无功潮流的调 整以及运行的经济性都是密切相关的，必须整体研究确定。 因此，为了保证电能质量和提高电网的电压合格率，就必须增强对电压无功 的调控能力，它的合理调整对电网的输送能力，稳定水平，电能的损耗和供电电 压的质量将有极大的影响。运用电压无功的合理调节手段，可保证电力部门及用 户总体设备的运行指标达到最佳状态。而且随着电力系统自动化程度的不断提 高，电压无功控制将越来越多地得到人们的重视。 1 2 2 电压无功控制特点及其关系 无功负荷的传送及供给需要由无功规划【1o 】【1 来完成。无功规划的目的是确 第一章绪论 定网络中无功补偿设备的类型、安装地点及时间，以确保电网正常及事故运行方 式下的电压质量及稳定性，并使规划期内投资及运行费用总和最小。因此它也是 一个动态多目标不确定性非线性整数规划问题，该问题具有如下特点： ( 1 ) 离散性：无功补偿设备所调节的容量是离散的。 ( 2 ) 动态性：不仅要满足规划年限内的经济、技术等性能指标要求，而且 要考虑到网络的今后发展以及今后网络性能指标的实现问题。 ( 3 ) 非线性：线路电气参数与线路功率及网损等费用的关系是非线性的。 ( 4 ) 多目标性：规划方案不仅要满足经济、技术上的要求，还必须考虑社 会、政治及环境等因素，这些因素常常是相互冲突和矛盾的。 ( 5 ) 不确定性：负荷预计等都存在显著的不确定性。 系统中的无功电源主要包括集中在发电厂的发电机，还有分散在各个变电站 的电容器和电抗器，前者是连续的无功控制设备，而后者是离散的无功控制设备。 此外还有一种比较特殊的无功控制设备：有载调节变压器。它不是无功电源，但 是它可以通过调节无功的流向来调节电压，是重要的无功调节手段。无功负荷与 电压之间的变换关系较为重要，因为在电压变化时无功负荷的变化远远大于有功 负荷的变化。如图1 1 所示： 图卜2 电压无功的关系 线路电压损失的计算公式： a u ：p r ，+ ，q x 1 0 3 ( 七矿) u c 其中：p 、q 一线路传送的有、无功功率： r 、x 线路的电阻和电抗； 玑额定电压。 当线路增加了补偿电容后，其电压损失减少值为 址警1 0 1 j 即 4 ( 1 2 ) 塑塑奎堂堡主望奎 一一 可见当增加补偿容量时，电压损失的减少与补偿容量q o 成正比。 1 2 3 电网电压无功控制手段 在电力系统中，电压无功的调节手段较多。在各种手段中，首先应考虑发电 机的自动电压无功调节器 挖】。发电机除作为有功电源外，还供应一定的无功功 率，所以可用它来进行调压，这是一种不需要耗费投资的而且最直接的调节手段。 发电机在系统低谷负荷时有可能要用进相运行调压，即欠励磁运行。此时发电机 向系统发出有功而吸收无功。这是由于随着电力系统的不断发展，大型发电机组 日益增多，同时输电线路的电压等级越来越高，输电距离越来越长，加之许多配 电网络使用了电缆线路，从而引起了电力系统电容电流的增加，增大了无功功率 所致。尤其是在节假日，午夜等低负荷情况下，有线路引起的剩余无功功率，就 会使系统的电压上升，以致超过容许的范围。过去一般是采用并联电抗器或利用 调相机来吸收这部分剩余无功功率，但这样做增加了设备投资。因此早在5 0 年 代国外就开始试验研究大容量发电机进相运行调压。近些年我国也比较广泛地开 展了进相运行的试验研究。实践说明，进相运行是一项切实可行的办法不需要 额外增加设备投资，就可吸收无功功率，进行电压调整。但由于进相运行对系统 的静态稳定和端部发热有不良影响，所以运行中对其限制较严，要求在具有自动 励磁调节装置时，可容许短时在c o s 击为0 9 5 至0 1 的进相范围内进行。但为 了调压，如果c o s 巾需超出规程的限额以外，就要适当限制其出力以保证运行安 全。 但是由于电网结构日趋复杂，电压等级不断提高，各种用电设备接入电网消 耗了大量的无功电力，无功功率不足和电压波动大等问题日益突出，这时电压无 功的调节仅仅依靠发电机的自动电压无功调节器已远远不够，必须增强电网本身 的调控能力【l3 1 。一般情况下，无功补偿采用就近补偿的原则考虑，既实行分散 控制，它避免了无功的远距离输送，降低了线路的压降和损耗，提高了功率因数， 增加了社会效益和技术效益。而变电站是实现分散控制方式的理想场所。通过对 变电站的无功功率的就地平衡能很好地保证用电电压质量，因此，研究变电站的 电压无功控制具有重要的意义。 在变电站中，为了调压，目前普遍采用有载调压变压器，它通过改变高压绕 第一章绪论 组的分接头进行调压。这种调压方式灵活、可靠，投资较省，但存在很多i ；- j 题， 首先它不能平滑调压，只能分级调节，在目前的变压器分接头，主要有3 档和 8 档，对应的电压增量为2 5 和1 2 5 ：其次，它只能改变副方的电压水平， 也就是说，它的调节只是改变了无功在电网中的分布，不会产生任何的无功功率， 尽管有时它可以改变一个地方的电压水平，但它是以其他地区的无功减少为代价 的。因而在无功缺乏的电网中需要慎重对变压器分接头的调节，否则极有可能形 成连环的电压降低，导致电压崩溃。 因此，为了补偿无功消耗，控制无功功率【1 4 1 ，可以采用： ( 1 ) 静止无功补偿器 静止无功补偿器可以平滑调节，响应速度很快，是一种比较理想的无功电源。 但是这种装置目前国内还不能大量生产，因此普遍推广应用比较难。 ( 2 ) 同步调相机 调相机是一种专门设计的无功功率发电机。确切的说，是一种不带机械负载 的可以过励磁( 经常的运行状态) 或欠励磁( 较少的运行状态) 运行的同步电动 机。在系统电压偏低时，过励磁运行供给无功功率而将系统电压调高。在系统电 压偏高时，欠励磁运行吸收系统多余的无功而将系统电压调低。它与静电电容器 一样装设在枢纽变电站，比并联电容器有以下优点：可双向，连续调节；能独立 地用调节励磁来调节无功功率；较大的过负荷能力。缺点：设备投资高，起动， 运行，维修复杂；动态调节响应慢；不适应太大或太小的补偿：只能用于三相平 衡的补偿；增加系统短路容量等。 调相机的运行方式与发电机不同。发电机由原动机拖动运转，当失磁时，它 的电磁转矩将小于原动机的驱动转矩，因而电机被加速，并按原动机的调速特性 在新的转矩平衡点作稳定的异步运行。这时仍向系统送出有功功率，但从系统中 吸收无功功率。调相机情况则不同，由于它没有原动机，故在正常运行时即从系 统中吸收无功功率，以补偿同步运转中的各种有功损失( 机械损失、风损及电气 损失等) ，维持同步运行因为调相机不带步t - ) j n 的机械负荷，只有上述的自身损失， 数值不大，一般仅为调相机自身额定容量的2 左右。 ( 3 ) 并联电容器 并联电容器补偿是目前应用最广的一种调压方式。可永久连接或断路器连接 至系统某些节点上。当系统无功不足时，补偿装置要尽量装在无功负荷的中心， 河海大学硕士论文 做到无功功率就地平衡。通常小容量的、分散的、或用户的无功补偿采用电容器； 而大容量的、系统中枢点的无功补偿则采用调相机或兼用调相机和电容器。电容 器和调相机相比较，其优点是：投资省；运行经济；结构简单；维护方便；容量 可任意选择；适用性强。缺点是：不能连续调节；负荷的调节特性较差，这是由 于当无功负荷增大，电容器的补偿容量q = u 2 倒c ，因电压下降而减小，故调压 效果下降；对系统中的商次谐波有放大现象，在谐波电流过大时，可能引起爆炸。 并联电容补偿与串联电容补偿相比，在调压方面，串联电容补偿比并联电容 补偿的调压性能为好。这是由于与并联补偿相反，串联补偿的容量随无功负荷的 增减而增减。在降低网损及提高用户的功率因数等方面，并联电容补偿要比串联 电容补偿优越得多。因为并联补偿降低了线路上的无功输送容量，而串联电容补 偿基本上未改变输电线路上的无功输送容量。此外，串联补偿会产生铁磁谐振和 自励磁等许多异常现象。 ( 4 ) 并联电抗器 并联电抗器调压主要用在超高压( 3 3 0 k v 及以上) 系统的线路上。将它并联 在线路末端或中间，吸收线路上的充电功率，以防止超高压系统线路在空载充电 或轻负荷时的末端电压升高。 因此，为了调整电压和无功，许多变电站同时配置了有载调压变压器和无功 补偿并联电容器设备。根据负荷的变化对有载调压变压器和无功补偿电容器进行 综合调节，可以显著地提高电压、降低线路的损耗。目前我国在许多变电站中装 设了有载调压变压器和无功补偿并联电容器组等设备，电压质量得到了有效的改 善。有载调压变压器不仅能在有载的条件下调整电压，而且能在与电容器组投切 相配合的情况下使电容器的容量充分发挥作用。然而，目前绝大多数变电站还没 有对电压和无功实行综合自动调节，而是依靠调度值班人员进行手动调节。由于 采用人工手动调节不能及时跟踪无功负荷的变化，不能始终保持功率因数和电压 质量所要求的指标，电容器补偿达不到应有的经济技术效益，不能充分发挥设备 的潜力。因此，产生了与电压无功自动控制相应的自动控制装置。随着变电站综 合自动化的发展，电压无功自动控制装置也不断发展并已逐步成为变电站综合自 动化的一个重要组成部分。 第一章绪论 1 2 4 二次电压控制 电力系统电压控制的主要目标包括改善电压质量，增强系统安全，减少系统 损耗三个方面。满足这些目标需要考虑网络电压的约束。电压上限的确定主要是 为了避免变压器的饱和以及在此电压水平下，绝缘材料不至于老化或损坏。而电 压下限的确定主要取决于安全约束，用以避免过负荷，保持系统的静态稳定和使 电厂的辅助设备能够维持正常运行。通常认为，电网电压的波动应该在额定电压 5 的范围内。如果电压能够维持在该范围内，可以认为系统的电压处于“健康” 状态；而在某些运行条件下会发生电压越限( v o l t a g ev i o l a t i o n ) 的情况，即 某些节点的电压低于额定电压的9 5 或高于额定电压的1 0 5 。维持电压水平在指 定的运行范围内意味着需要通过相应的控制措施补偿由于负荷波动，网络结构变 化，故障或其它的紧急情况引起的电压变化。这些控制措施是通过对a v r 电压参 考值的调整或其它无功补偿装置控制参数、电压参考值的调整完成的。 二次电压控制作为防止电压崩溃事故的措施，首先由法国e d f ( e l e c t d c i t ed e f r a n c e ) 提出【1 5 1 ，已在法国、意大利 1 6 1 、西班牙【1 7 j 等国家付诸实施。研究表明j 8 - 2 5 ， 二次电压控制是管理控制区内可利用的动态无功功率的有效方法。目前，在这种 实现方案中，参与二次电压控制的主要是各划分区域内的控制发电机组。电力系 统的电压控制具有分级递阶的结构，如图1 - 3 所示。 图卜3 具有递阶结构的电压控制系统示意图 电压控制系统由三级组成： 塑童查堂堡主丝苎 三级电压控制( t e r t i a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 处于最高层，是对全系统的控 制，由系统控制中心执行。三级电压控制监视全系统的电压，在紧急情况下，它 也可以采取一些紧急措施，通过二次控制系统的紧急控制手段，实现直接控制。 除安全监视外，经济问题是该控制层主要考虑的问题，经济调度是这一控制层的 日常工作。三级电压控制的任务是：利用系统范围的信息，确定能够满足电网安 全约束的、使系统经济运行的各主导节点的电压幅值：哮“，嗜“。 二级电压控制( s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 处于中间层，是对某个区域 的控制，由各地区的控制中心执行。被控对象是每个区域内选出的一组受控机组， 不受控机组不参与二次电压控制过程。受控机组用来控制该区域内主导节点的电 压。主导节点是在每个控制区域中选出的最关键的电压母线，该节点的电压变化 能够反应整个区域内所有节点的电压变化情况，而且当区域内各节点电压因受干 扰发生变化之后，如果将主导节点的电压恢复至干扰前的水平，则能够使锝区域 内其他节点的电压同样得到恢复。主导节点的电压设定值由三级电压控制系统给 定。 一级电压控制( p r i m a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 处于最底层，是对某个具体设 备的控制，是这些设备应该完成的基本功能。一级电压控制器主要是区域内控制 发电机组的自动电压调节器( “r ) 或其它无功控制器。这些控制设备仅利用局 部信息和或二次电压控制系统传来的附加信号来确定控制量以补偿快速和随机 的电压波动，提供系统所需要的无功支持，将电压维持在指定的参考值附近。 在这种分层、分区的控制框架中，三级电压控制是其中的最高层，它以全系 统的经济运行为优化目标，并考虑稳定性指标。二次电压控制接受三级电压控制 的控制信号，保证主导节点的电压幅值在设定值附近。一级电压控制器根据二次 电压控制器的控制信号调节系统所需的无功支持。在电压的这种分级递阶控制系 统中，每一层都有其各自的控制目标，低层控制接受上层的控制信号作为自己的 控制目标，并向下一层发出控制信号。 构成二次电压控制的方式有许多种，每种方式各有其利科“。其中，由法 国电力公司提出的二次电压控制1 习是一种很有吸引力的方案，如图卜2 所示。 从电压控制的角度来看，二次电压控制和发电机a v r 的功能相似，可以看成 是所划分的各个区域的a v r 。测量电压矿“州为该区域主导节点的电压幅值，其 9 第一章绪论 参考值呓芦蚋由三级电压控制器给出。如果主导节点的实际电压幅值和设定的参 考值有偏差，则二次电压控制器按照预定的控制规律改变各被控发电机组一次电 压控制器的设定参考值，以保证主导节点的电压幅值在设定值附近。其中，无功 控制器是一个缓冲环节，主要作用是根据区域总的无功需求和发电机的无功出力 来调整发电机组的一次电压参考值。 图卜4 二次电压控制示意图 二次电压控制的主要特点包括： 二次电压控制的主导思想是从区域( 或全局) 的观点出发，根据系统的工况 对区域中的无功资源再分配，以缓解在该运行情况下。电网中某些地区无功不足， 而另外一些地区的无功源又没有被充分利用这种“贫富”差距，充分利用网络的 现有无功资源，从而提高整体的电压安全水平，提高系统的稳定性。 二次电压控制是一种新型的电压控制方式，它采用分区控制的原则，将挨个 系统分成不同的控制区，对每个控制区进行独立的控制。二次电压控制是利用电 压控制区内主导节点的电压变化以及其它信息协调该控制区内的受控机组而实 现的。二次电压控制系统经这些被控发电机组的一次电压控制回路形成一个闭环 自动控制系统，通过对控制机组励磁系统的电压设定值的调节来协调同一区域内 所有控制机组的控制行为，从而改变整个控制区域内的无功分布。因而，实现二 次电压控制的关键问题是分区和主导节点的选择。 1 0 河海大学硕士论文 1 3 论文的主要工作 本文的主要工作如下： 1 研究了电网中电压无功之间的关系，及其控制规律。 2 研究了电网中各种无功补偿方式，并根据不同控制装置得出了相应的控制 规律。 3 研究了电网的有功无功解耦特点，提出了无功源空间坐标定义。 4 研究了各种电压控制区的划分方法，并提出了基于神经网络的自动分区方 法。 5 改进了传统的二次电压控制策略，提出了基于w a r d 等值的二次电压控制 的研究。 河海大学硕士论文 第二章电压控制与无功补偿基本原理 2 1 引言 电压是衡量电能质量的重要指标。保证用户处的电压接近额定值是电力系统 运行调整的基本任务之一。电力系统运行的电压水平取决于无功功率的平衡。系 统中各种无功电源的无功功率输出应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下 对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。 由于无功功率流过电网，会增 加网络的有功损耗和电压损耗，因此在电力系统运行中，无功功率的原则一般是 就地平衡，避免无功的长距离传输咖1 。 2 2 电压与无功的关系乜叭驯 2 2 1 p q 解耦特性 ，酬 1 = - 彳厂r 一 d u 图2 - 1 电力线路的电压和功率图2 - 2 向量图 如图2 - 1 ，2 - 2 ，若已知6 ：，3 ： d 古：j ( r + 闪：半( r + j x ) 以 d 吭：毕( r + i x ) 令：u 2 = u 2 z o ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 卜 兰三皇皇墨竺型量垂些! ! 堡苎! 堡里一 d 晚= 毪丝+ j 笺警 。) 显然，向量图中的 u ：墨堡垒兰 ( 2 4 ) “2 5 u ：墨墨= 鱼墨 (25)2 “2 5 , = t g - * 蒜矗 e ， 在高压输电系统中，可以近似的认为x r ，于是由式( 2 1 ) ( 2 - 6 ) 得 z 警；u “+ 警；姒“等；a ，= t g - 吣t 2 x u u 2 2 协7 ) 由式( 2 7 ) ，可以得出在高压配电系统中： 线路( 变压器) 两端电压幅值差，主要是由于输送的无功功率产生的( 或 电压幅值差是传送无功功率的条件，v - o 强耦合，v p 弱耦合) ，无功从 电压幅值高的节点流向电压幅值低的节点； 线路( 变压器) 两端电压相角差，主要是由输送的有功功率产生的( 电压 相角差是传送有功功率的条件，艿- p 强耦合，占一q 弱耦合) ，有功从电 压相角超前节点流向电压相角滞后节点。 因此，适度地进行无功补偿，可以有效地提高补偿点的电压质量。 2 2 2 系统无功一电压静态特性 一竹 图2 4 简单电源系统图2 - 4 无功一电压静态特性曲线 河海大学硕士论文 如图2 - 33 白- e g 源系统 q = u s i n = u 半圳警2 芝c 胁s s - u ，s ， 由式( 2 - 8 ) ，根据不同的e 值可以绘出不同的u q 曲线，如图2 - 4 。从图中 可以看出，随着e 增加，曲线的顶点( e c o s 8 ) 也升高，u 不会低于顶点；负荷 端电压u 值越高，由电源通过线路( 变压器) 输送到负荷端的无功将减少。 2 2 ，3 负荷无功一电压静态特性 负荷无功一电压静态特性曲线与系统无功一电压静态特性曲线相对应，如图2 5 曲线组。曲线l 负荷大于曲线1 。 图2 - 5 负荷无功一电压静态特性图2 - 6 负荷无功一电压平衡过程 2 2 4 负荷无功一电压平衡过程 如图2 - 6 ，假使初始运行点在u ，此时对应为负荷无功一电压特性曲线1 与 系统无功一电压静态特性曲线2 ；负荷无功突然增加，由于电源的无功不能突变， 因此负荷点无法维持原来电压，负荷点电压沿曲线2 下降到u 。，这是负荷点牺 牲电压平衡无功缺额的过程，此时无功负荷水平为曲线1 。；随着发电机励磁电流 增大，系统增发无功，e 值不断交化，系统无功一电压特性曲线也同时变化，负 荷点电压逐步回复，负荷点电压沿曲线1 上升，直到与曲线2 相交，到达无功一 电压新的平衡点。 1 4 第二章电压控制与无功补偿基本原理 2 2 输电系统无功传输特性 图2 7 简单模型的功角曲线 由功角曲线可知，当线路传送的有功功率水平较高时，对应的功角比较大， 此时送端和受端需要大量的无功功率。假设系统送端和受端发电机的电势相等， 即e ；= e r ，图中给出了对应于功角曲线的无功功率变化特性，这里q 。= 一q r 。静 态稳定极限运行点对应的功角等于9 0 0 ，此时送端和受端所需要的无功功率等于 p 。；。通常，人们只关心电压幅值的变化。但在电压紧急或崩溃状况下，当受端 或负荷端发生电压跌落时，实际输电线路、等值输电线路或变压器的无功功率传 输能力将十分熏要。现在仅考虑通过输电线路的无功功率，用v s 么。和v , z o 分别代表线路送端和受端的电压，x 代表输电线路电抗，则有： f ，：兰匕竺! 旦二竺 ( 2 9 ) o ：v ? - v , v c o s o 5 x 当线路两端的相角差较小时有c o s 兰1 ，所以有下列近似表达式 q ，：垡掣 ( 2 1 0 ) o ：v ? - v v , c o s o 茸$t 7 由式( 2 - 9 ) 和式( 2 一l o ) 可知：无功功率传输大小主要取决于电压的幅值，传输方 向为由电压高的一端流向电压低的一端。进而有： ( 1 ) p 和8 耦合较强； ( 2 ) q 和矿耦合较强。 无功功率传输的难度 塑塑茎兰堡主笙奎 无功功率传输难度表现在：如果线路两端电压相角差较大，则即使两端电压 幅值差值再大，也不可能通过该线路传输无功功率。长线路或重载情况都可能导 致两端电压相角差增大。根据电力系统运行要求，各点电压幅值应维持在 1 5 口“的范围，这更增；o - f 无功传输的难度。因此相对于有功功率传输而言， 无功功率则不能长距离传输。 除了上述原因外，尽量减小线路无功传输的第二个原因就是为了减小线路的 有功和无功损耗。为保证电力系统运行的经济性，输电线路的有功损耗应降至最 低；同样，为减少并联电容器等无功补偿设备的投资，输电线路的无功损耗也应 降至最低。 输电线路串联阻抗上的有功和无功损耗分别为12 r 和，2 ，其中，2 可用下式 表示 卜= 【警1 【掣v 】= 学 ( 2 - 1 1 ) 矿 y 一 从而有 p 。划r = 学r( 2 _ 1 2 ) 纠j = ! 警x ( 2 - 1 3 ) 由上式可知，为使线路的功率损耗最小，必须使线路传输的无功功率最小， 同时还应保持高的电压水平。保持高的电压水平可以减小无功损耗，有助于维持 电力系统的电压稳定性。 减小线路无功传输的第三个原因就是为了减小由于甩负荷引起的线路短时 过电压，其中最严重的情况是突然打开线路受端开关，而线路通过送端仍处于激 励状态。 短路容量、短路比与电压调整 短路容量 网络某点的短路容量或功率等于该点三相短路电流与额定电压的乘积。 如果短路电流用k a 表示，相问电压用k v 表示，则短路容量为 只。= 4 3 + v + i ( m v a ) 在电力系统计算中各物理量习惯采用标么值，将短路容量简单表示为电 压( 通常取作l p u ) 和故障电流之积。故障电流通常考虑为额定电压( 1 p u ) 6 第二章电压控制与无功补偿基本原理 除以故障处的阻抗或电抗。这样，在单位电压情况下，短路容量在数值上就 等于系统导纳( 或者电纳) 值，即为系统戴维南等值阻抗( 或者电抗) 的倒 数。 应用短路电流计算程序可以求得短路容量和戴维南等值阻抗，也可以用 暂态稳定程序计算三相短路，然后根据故障点短路电流的初值来确定。 短路容量是系统电压强度的标志。短路容量大( 对应与低阻抗) ，表明 网络强，负荷、并联电容器或电抗器的投切不会引起电压幅值大的变化：相 反，短路容量小表明网络弱。 短路比 在电力系统分析中，有时希望将电气设备容量与系统强度进行相对比 较，该设备可能是负荷( 如大容量的电动机) 、h v d c 换流站或者静止无功 补偿器。一种简单的方法是将表征系统强度的短路容量除以设备容量。例如， 比较一个1 0 0 0 m w 的h v d c 换流站和短路容量为5 0 0 0 m v a 的系统，结果用 短路比等于5 0 0 0 1 0 0 0 或5 表示。短路比大表明系统性能好；相反，短路比 小意味着系统存在隐患，例如一台大容量的电动机如果接到电力网络的弱节 点上，则将可能发生堵转或故障后很难再加速恢复正常运行。同时，电动机 启动将导致系统电压跌落。 和短路比相关的一个术语是有效短路比，在研究h v d c 问题时通常采 用。短路比考虑的只是网络强度，而有效短路比还计及了设备所在处并联无 功装置的影响。如同步调相机可以增加故障电流，因此也就增加了有效短路 容量。另外一方面，并联电容器和谐波滤波器则减小了有效短路比。 电压调整 一些广泛应用的公式中都包含有系统短路容量，这些公式提供了投入并 联无功设备所引起的电压增量，具体如下 ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) 絮枣 y 一 即 是 矿 和 河海大学硕士论文 2 3 负荷的数学模型 负荷是电力系统的一个重要组成部分，其数学模型的准确程度对于电力系统 暂态分析结果的精度有很大的影响。虽然对于每一种负荷( 如感应电动机、白炽 灯或整流型负荷等等) ，要建立它的准确模型并不十分困难，然而，在电力系统 暂态分析中，需要知道的是反映某一个节点( 例如区域变电所低压母线) 的全部 负荷，即所谓综合负荷动态性能的数学模型。由于综合负荷由各种不同种类的负 荷所组成，不仅其组成情况随时变化，而且各个节点的负荷组成情况也不相同， 因此要准确获得负荷的数学模型是很困难的。关键在于对于不同的电力系统计算 运用与其相符的负荷数学模型。 最简单的负荷模型是将负荷用恒定阻抗模拟，即认为在暂态过程中负荷的等 值阻抗保持不变，其数值由扰动前稳态运行情况下负荷所吸收的功率和负荷节点 的电压来决定。这种模型比较粗略，但由于它比较简单，在计算精度要求不太高 的情况下仍获得了广泛应用【2 2 埘】。 电压校正控制动作时间一般是几分钟，因此可以认为系统此时暂态过程已经 结束，处于稳态运行点，系统中的各个变量都处于“准稳态”，即都在一定程度 上按正弦规律变化，系统中电压、电流可以用“时变”相量表示，这样的话负荷 模型就用准稳态相量模型。对于下图所示的系统，负荷的功率为： 言= e z o 。 j x d = u z 8 图2 - 8 系统模型 p l ( u ) = z v z s i n j q l ( 卟警刚一譬 消去6 角，可以得到 j q l ( 2 - 1 6 ) 第二章电压控制与无功补偿基本原理 ( 警) 2 粥c 岍陋崤u 2 2 t ， 考虑电压特性只( u ) ，绕( u ) 时，上述的功率电压静态方程就是图2 - 8 所示系 统的数学模型，它决定了网络各种可能的解( 即平衡点) 。下面针对不同的负荷 静特性进行分析。 ( 1 ) 刚性负载 如果负载的功率与电压无关且为常数，即 最( u ) = 只，皱( u ) = q ( 2 - 1 8 ) 其中只，q 为额定电e , u 。时负载的有功功率和无功功率，这种负载称为理想 的刚性负载。因此式( 2 1 0 ) 可以重写为： 删+ 卜甜 对于给定电压u ，上式为( 只，幺) 平面上的一个圆，圆心在q 轴上并从圆心 垂直向下移动u 2 x 。如图2 - 9 所示。增加电压u ，将产生一族圆，圆心下移， 半径增大，而且可以画出这一族圆的边界，如图2 - 1 0 所示。 蝎 、l 墨一 、m 、 见一 占一，q 五 厂 营j 1 xp 、一一。 疋爹日 图2 - 9 刚性负荷的( 只，q ) 图 图2 - 1 0 负荷为刚性时系统平衡点的分布区域 对于边界内的每一点如a 点，必然是两个圆的交点，对应方程( 2 - 1 9 ) 两个可 能的解( 分别对应电压为或u ，) 。而边界上的点如b 点，对应方程( 2 - 1 9 ) 只 有一个解( 对应u ，) 。边界的方程也是可以得到的，因为在边界上只有一个电 压u 满足对应的只，幺。为此将方程( 2 - - 1 1 ) 改写为： + ( z q 一等心卜哟= 。 z 。， 河海大学硕士论文 在边界上，对应给定的只，已f 只有一个电压u 能满足方程( 2 - - 2 0 ) 。凼 此必有： = 2 q 引2 叫坪哟= 。 ( 2 _ 2 1 ) 即： q 。= 等一蔫 z z ， 方程( 2 - 2 2 ) 描述的曲线为开口向下的抛物线，抛物线线的顶点为( o ，丢) ， 与只轴的交点为( 西e 2 ，o ) 。该抛物线有重要的意义。因为在抛物线之内，每 个( 只，q ) 满足两个网络解对应不同的负荷电压水平；而抛物线之上，每一个 ( 只，q ) 仅满足一个网络解对应一种负荷电压水平；抛物线之外的( 只，q ) 没有 解，也就是说在现实中网络不能以这种方式运行。 ( 2 ) 其它的负荷特性 上面的分析假定负荷为理想的刚性负荷，而一般情况下负荷不可能是理想的 刚性负荷，而不同的负荷特性对应的解的区域的特性是不同的。下面分析一下不 同的负荷特性对应的解的区域。 假定只c = 只，姥c = ( 篑 2 q ，即有功功率为理想的刚性，而负荷无功 功率与电压的平方成正比。代入方程( 2 - 1 7 ) ，分析后得到图2 - 1 l ( b ) 的区域特性。 假蜘啦只驯吣 爿2 q 棚负黼功功率与电压成砒， 而负荷无功功率与电压的平方成正比。代 , 3 - 程( 2 1 7 ) ，分析后得到图2 1 1 ( c ) 的区域特性。 假蜘卟( 箦 2 e 驯卟( 甜q 棚负荷有功功率、无功功率均与 电压的平方成正比。代入方程( 2 1 7 ) ，分析后得蛰 图2 一1 1f d ) 的区域特件。 第二章电压控制与无功补偿基本原理 么狱 篪戮 h 一 - h 一如- 吼 l ， - ( 爿 ， 么厶- 圾旧 图2 - l l 各种负荷特性对应的系统平衡点区域分布情况 重新考虑图2 - 1 1 ( d ) 的情况，这种情况下对( 只，姨) 没有限制。这可以证明 如下： e 。) 2 最= 毒扩= g 扩；q = 皓 2 q = 器扩= 最扩 c z z 。， 可见等效负荷可以用：r o = e 一声。即恒定导纳负荷代表，如图2 - 9 所示。只 和q 从0 到无穷大变化对应于等效的导纳从0 ( 开路) 变化至无穷大( 短路) 。 因为对任意的e = e j 口。，电流都将流过图2 - 1 2 所示的电路，因此对任意的 化，幺) ，方程( 2 一1 7 ) 均存在解。而且此时负荷节点的电压可以由下式求出： 2 1 河海大学硕士论文 u ：! ! ：一 ( g 。j ) 2 + ( b 。x + 1 ) 2 即对任意的( 瓯，b 。) ，对应电压u 的网络解均存在。 蠢= e z o t x i ) = u z 5 j 。 图2 1 2 等效可变导纳负荷的系统模型 2 4 本章小结 ( 2 - 2 4 ) 本章首先介绍了电压和无功的关系特性，接着讨论了无功传输特性及常用的 几种无功补偿方式，由于考虑电压控制问题肯定离不开负荷的静态特性，所以最 后讨论了负荷的数学模型。 3 1 引言 第三章电压控制分区 随着社会生产和生活水平的提高，我国的电压质量问题日