電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性研究

仝志鵬

(山西昱光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036900)

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電力系統(tǒng)的不斷完善，電壓穩(wěn)定性已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的熱點(diǎn)課題?，F(xiàn)主要研究分析了電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定的種類、原因、解決方法，并對(duì)兩大電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本思想、理論成果和應(yīng)用情況加以總結(jié)，以期為電力系統(tǒng)運(yùn)行和科研工作提供參考。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；電壓不穩(wěn)定；AGC；AVC

收稿日期:2015-04-30

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

0引言

目前我國(guó)處在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，超高壓系統(tǒng)構(gòu)成了主要網(wǎng)架，控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)保障了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，西電東送建設(shè)不斷加強(qiáng)，我國(guó)裝機(jī)容量和年發(fā)電量均處于世界領(lǐng)先地位。隨著電源容量日益增長(zhǎng)，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)建設(shè)也不斷加強(qiáng)。但由于我國(guó)土地面積廣闊、電力資源相對(duì)偏遠(yuǎn)、電氣設(shè)備廣泛普及，對(duì)供電電壓安全要求不斷提高，因此保證供電電壓的穩(wěn)定性也是保障經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)能源合理開(kāi)發(fā)利用、滿足人民基本需求、維護(hù)國(guó)家安全穩(wěn)定的基本前提。

1電壓不穩(wěn)定研究

1.1電壓不穩(wěn)定類型

電壓不穩(wěn)定包括非同步運(yùn)行、電壓崩潰、頻率崩潰。其中，非同步運(yùn)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(duì)電力系統(tǒng)會(huì)造成相當(dāng)嚴(yán)重的危害，1978年12月法國(guó)電網(wǎng)和1987年7月日本東京電網(wǎng)的電壓崩潰都造成了重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重破壞了社會(huì)穩(wěn)定；電力系統(tǒng)頻率與有功功率成正相關(guān)關(guān)系，有功功率不平衡越來(lái)越嚴(yán)重時(shí)，頻率將逐步下降，下降到0時(shí)發(fā)生崩潰。

在電力系統(tǒng)中常常會(huì)發(fā)生電壓偏差、波動(dòng)和過(guò)電壓，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

電壓偏差是指實(shí)際電壓與額定電壓的緩慢穩(wěn)態(tài)偏差。發(fā)生電壓偏差時(shí)，電壓偏高或偏低，其大小穩(wěn)定在某一個(gè)值。電力系統(tǒng)的調(diào)壓方式、供電距離、線路阻抗及無(wú)功補(bǔ)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?zé)o功補(bǔ)償，安裝并聯(lián)電容器，保證感性元件的穩(wěn)定；

(2) 采用有載調(diào)壓變壓器，保障電壓質(zhì)量；

(3) 根據(jù)實(shí)際情況選擇變壓器的變比；

(4) 減少配電系統(tǒng)阻抗，避免過(guò)大的線路損耗；

(5) 盡量使三相負(fù)荷平衡，保證供電可靠性。

電壓波動(dòng)是指實(shí)際電壓與額定電壓的急劇動(dòng)態(tài)偏差。當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定、發(fā)生電壓波動(dòng)時(shí)，電壓值大小不斷變化。用電設(shè)備負(fù)荷的巨大變化產(chǎn)生了沖擊性負(fù)荷，從而導(dǎo)致了電壓波動(dòng)。抑制電壓波動(dòng)的措施有：增加發(fā)電廠的裝機(jī)容量，較大的裝機(jī)容量有利于保障系統(tǒng)的穩(wěn)定；提高供電電壓等級(jí)，有效避免電涌的產(chǎn)生；采用特定變壓器和專用線路輸電，減少并網(wǎng)和輸電過(guò)程中的損耗；改進(jìn)生產(chǎn)工藝及操作水平；采用專用穩(wěn)壓設(shè)備等。

內(nèi)部過(guò)電壓是由于斷路器操作、故障或者其他原因，使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，在系統(tǒng)內(nèi)部引起電磁能量積累和振蕩的過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓。內(nèi)部過(guò)電壓包括操作過(guò)電壓和暫時(shí)過(guò)電壓，操作過(guò)電壓是因?yàn)橄到y(tǒng)誤操作或故障引起，暫時(shí)過(guò)電壓是因?yàn)橄到y(tǒng)的電抗參數(shù)配合不恰當(dāng)引起。

暫時(shí)過(guò)電壓包含兩種類型：工頻過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓。工頻過(guò)電壓幅值不高，對(duì)系統(tǒng)中具有可靠絕緣的電氣設(shè)備危害較小，當(dāng)時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)，對(duì)絕緣設(shè)備運(yùn)行的危害不可小覷。工頻過(guò)電壓在超高壓系統(tǒng)的絕緣配合中具有重要作用，因?yàn)椴僮鬟^(guò)電壓幅值直接受工頻過(guò)電壓影響；同時(shí)，工頻過(guò)電壓的大小也是決定避雷器額定電壓的重要依據(jù)。電力系統(tǒng)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(lián)電容器等。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行或電抗元件故障時(shí)，系統(tǒng)中感性元件和容性元件在恰當(dāng)條件下可能形成不同的振蕩回路，產(chǎn)生諧振，從而引起諧振過(guò)電壓。

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

(1) 線性諧振過(guò)電壓，電路中的電抗和電阻都是常數(shù)。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(lián)電路，當(dāng)串聯(lián)回路的頻率和電源頻率相同時(shí)產(chǎn)生串聯(lián)諧振，串聯(lián)諧振發(fā)生時(shí)，感性元件和容性元件上的電壓遠(yuǎn)大于電源電壓，此時(shí)回路電阻的大小直接影響回路電流的大小。

(2) 參數(shù)諧振過(guò)電壓，系統(tǒng)中存在電感值周期性變化的感性器件，凹極發(fā)電機(jī)的感性元件和容性元件參數(shù)匹配時(shí)就有可能發(fā)生參數(shù)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(chǎn)生的能量來(lái)提供。

(3) 鐵磁諧振過(guò)電壓，常常發(fā)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(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生飽和，此時(shí)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(xiàn)象就會(huì)發(fā)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(wěn)定原因

電壓不穩(wěn)定的主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1) 由于用電需求量的不斷升高，發(fā)、輸電設(shè)備趨于極限值；

(2) 供電線路陳舊老化，壓降過(guò)大，接頭接觸不良；

(3) 系統(tǒng)中增加無(wú)功補(bǔ)償后，無(wú)功與電壓平方成正比，電壓降低時(shí)，無(wú)功大幅度減?。?/p>

(4) 電壓穩(wěn)定性研究還不夠深入。

1.3電壓不穩(wěn)定解決辦法

電壓不穩(wěn)定對(duì)于電網(wǎng)危害極大，可采取以下方法消除電壓不穩(wěn)定：

(1) 正確選擇變壓器的分接頭，保證用電設(shè)備的電壓水平；

(2) 合理設(shè)置電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償；

(3) 變壓器并列運(yùn)行；

(4) 加裝限流電抗器，防止電流過(guò)大；

(5) 采用穩(wěn)壓器保證電壓穩(wěn)定。

2電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)

AGC和AVC是當(dāng)代兩大電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有改善電壓質(zhì)量、減少線路損耗、增加電量?jī)?chǔ)備和緩解調(diào)度人員工作強(qiáng)度的功能。經(jīng)過(guò)科研人員的不斷研發(fā)，AGC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大電廠中，AVC技術(shù)還有待提高。

2.1AGC系統(tǒng)

如圖1所示，電力系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)系統(tǒng)主要由主站控制系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)和電廠控制系統(tǒng)等組成。

圖1　AGC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

AGC是能量管理系統(tǒng)EMS中的一項(xiàng)重要功能，其根據(jù)居民用電需求量來(lái)有效調(diào)控輸出，同時(shí)保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。近幾年來(lái)，AGC廣泛應(yīng)用于全國(guó)各大發(fā)電廠，AGC系統(tǒng)的投入大幅度提高了系統(tǒng)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(jī)或全廠AGC控制方式。

電廠中AGC的基本控制目標(biāo)為：(1) 保證電網(wǎng)發(fā)電量滿足用電需求量；(2) 保持系統(tǒng)頻率與計(jì)劃值相符，避免發(fā)生頻率崩潰；(3) 將系統(tǒng)發(fā)電功率合理分配到各區(qū)域，同時(shí)保持區(qū)域間凈交換功率符合計(jì)劃值。

2.2AVC系統(tǒng)

AVC利用通信技術(shù)有效控制電網(wǎng)中的無(wú)功資源以及調(diào)壓設(shè)備，從而來(lái)保障電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。通常AVC系統(tǒng)中配置一個(gè)上位機(jī)，對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓無(wú)功系統(tǒng)；配置多個(gè)下位機(jī)，各機(jī)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(jī)主要負(fù)責(zé)處理模擬量信息、開(kāi)關(guān)量信息，輸出控制命令和電壓無(wú)功目標(biāo)值，模擬量信息主要從發(fā)電機(jī)組采集，開(kāi)關(guān)量信息主要從母線等采集，控制命令、電壓無(wú)功目標(biāo)值主要通過(guò)電廠端RTU輸出。對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，估算出母線需要的無(wú)功總量，然后將無(wú)功合理分配給母線上的發(fā)電機(jī)，各個(gè)下位機(jī)接收對(duì)應(yīng)的信息和控制命令，實(shí)現(xiàn)各機(jī)組間的無(wú)功最優(yōu)配置。

下位機(jī)主要負(fù)責(zé)將采集到的模擬量和開(kāi)關(guān)量等信息及時(shí)傳送給上位機(jī)，之后上位機(jī)進(jìn)行分析和處理，并輸出控制命令和目標(biāo)無(wú)功值到各個(gè)下位機(jī)，根據(jù)控制命令采取相應(yīng)的操作，把每個(gè)機(jī)組的無(wú)功大小調(diào)整到目標(biāo)值。每個(gè)機(jī)組有一個(gè)下位機(jī)，保證機(jī)組在安全合理范圍內(nèi)運(yùn)行。采集母線信息的獨(dú)立下位機(jī)對(duì)勵(lì)磁無(wú)操作。

3結(jié)語(yǔ)

研究電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷探索，我國(guó)在電壓穩(wěn)定性及控制手段的研究上取得了豐碩的成果。電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，但隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電壓穩(wěn)定性要求將不斷提高，對(duì)電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)還需進(jìn)行更深入的研究。

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