无功电压调节技术在电网安全经济运行中的应用

发布时间：2007年01月17日
作者：张勇
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0 引言

目前，全国电力行业积极开展创建“一流企业”的工作，作为供电企业，电能质量是创建工作中的一个极为关键的考核指标。众所周知，电能质量包含3个方面：频率、电压和谐波含量。而电压作为其中必不可少的一个要素，其监视和调控已成为地区电网调度管理工作中最常见、最重要的工作之一。

1 电压波动原因及对系统设备的影响

1．1 影响电力系统电压的主要因素

1．1．1 由于生产、生活、天气等因素引起的负荷变化；

1．1．2 无功补偿容量的变化；

1．1．3 系统运行方式改变引起的功率分布和网络阻抗变化。

1．2 电压对用电设备的影响

对一般用电设备而言，电压偏低将降低其工作效率和质量；偏高则会对设备绝缘等构成严重威胁，影响设备使用寿命。

1．3 电压对电网稳定、经济运行的影响

电力线路传输的有功功率和线路两端电压的相角δ有关，其值δ，最大值，即电力线路的功率极限。

图1所示是系统中某节点的无功功率静态电压特性曲线图。Q1、Q2、△Q分别为无功电源、无功负荷、无功缺额的静态电压特性曲线（△Q=Q1-Q2），Ucr为临界电压，此时d△Q/dU=0。

图1 无功功率静态电压特性曲线图

电压稳定判据：d△Q/dU＜0

电压静态稳定储备系数：Ku=（U-Ucr）/U×100%

正常时Ku≥10%~15%，故障后Ku≥8%。

由以上分析可知，输电线路输送的功率受到稳定极限的限制，特别是小扰动下的静态稳定功率极限与电网运行电压有很大关系，电压越低，功率极限越低，越容易发生不稳定现象，严重时会造成电压崩溃。

线路、变压器等元件的有功损耗△P和无功损耗△Q与实际运行电压U的平方成反比，即在输送相同功率的情况下，电网运行电压越低，△P和△Q越大，单位电量的供电成本越高，电网的经济运行水平越低。

2 常用调压方式及特点

2．1 发电机调压

通过自身的自励装置自动调节机端电压、分配无功功率，可充分利用发电设备，无需额外投资。

2．2 变压器调压

改变变压器分接头位置从而改变变比达到调压目的。

2．3 改变电力网无功功率分布

即改变电网内各元件的电压损耗。改变有功功率的分布是非常困难的，所以通常是改变元件传输的无功功率，主要有：

2．3．1 并联电容器：主要用于提高功率因数，兼有调压功能。

2．3．2 串联电容器：用以吸收超高压输电线路的充电功率，防止线路空载或轻载运行时由于充电功率造成的电压升高。

2．3．3 同步调相机：可根据电压情况自动、快速、平滑地调节无功出力，在系统故障引起电压降低时，能提供电压支撑。

2．3．4 静止补偿器：根据负荷变动情况，可迅速改变输出的无功功率或保持母线电压恒定。

2．4 改变网络参数

通过改变元件的电阻和电抗达到改变电压损耗的目的。

2．4．1 增大导线截面减小电阻，主要用于负荷功率因数较高、原有导线截面偏小的配电线路。

2．4．2 改变网络接线方式，如投入或切除部分并联运行的变压器或输电线路。

2．4．3 减小线路电抗，主要采用分裂导线和装设串联电容器等方法。

综上所述，不需要附加投资的发电机调压是首先考虑的。在无功不足的系统中，首要问题是增加无功补偿设备。因投资低、运行维护方便，并联电容器被大量采用，只有在特殊场合下才采用静电补偿器和同步调相机。在无功电源充裕的系统中还应大力推广有载调压变压器。

对于一些通过多条不同电压等级线路、多级变压器供电的负荷，其高峰和低谷负荷的电压损耗差很大，以致无法用发电机调压或无功补偿的方法来满足用户电压的需求时，输变电系统中一级或多级变压器应采用有载调压变压器。应用这种装置需要电网的无功电源比较充裕，而且系统还要留有足够的备用无功电源。在实际应用中，可以考虑在某些地点安装一些低电压自动减载装置。在特殊运行方式下，可以使某些有载调压器退出自动控制方式，进行人工调压。

在220kV及以下系统中，目前应用最多的是所谓“逆调压”方式，即调整控制点供电电压使其在高峰负荷时的电压高于低谷负荷时的电压。一般高峰负荷时保持电压比系统标称电压高5%，低谷负荷保持标称电压。

3 系统无功电压综合调整模式分析

电力系统的无功功率与电压密切相关，其综合调整是一个比较复杂的问题，按空间和时间从功能上可分为3个等级：

3．1 一次（局部的）控制是分解的、自动的，往往是根据电压高低而动作，其目的是维持节点电压在一定范围内。如发电机、变压器分接头、并联电容器随负荷波动、网络拓扑变化而作自行动作调整。近年来逐步应用于我国城乡不同电压等级变电站的各种型式的微机型变电站无功电压综合控制装置就是基于这种控制模式，并在实际应用中取得了一定的效果。电压无功综合控制的目标是：

3．1．1 维持供电电压在规定范围内；

3．1．2 保持电网稳定和无功功率平衡；

3．1．3 在电压合格的前提下使电能损耗最小。

3．2 二次（区域的）控制系统是通过改变控制区内的发电机励磁调节器的整定值自动进行校正动作，也可直接投切关联电容器，改变变压器分头位置，时间常约数分钟。

3．3 三次（整个系统）控制是以经济和安全准则优化电网的运行状态，对各二次控制区进行协调。

4 长沙电网无功电压状况分析

4．1 现状

长沙地区处于湖南电网的负荷中心，境内没有大的电源支撑点。在季节性高峰负荷期间（尤其是夏季），省网220kV主系统电压持续偏低，各主干联络线潮流大大增加，系统稳定水平明显降低。地区内220kV、110kV变电容量及无功补偿设备明显不足，且分布不均，而负荷峰值却连创历史新高。

在持续高负荷的重压下，大部分110kV、10kV城区线路均重载甚至过载运行，而且220kV主系统电压本身又持续偏低，使系统无功损耗进一步增大，多种因素相交错，导致地区系统的无功电压状况急剧恶化，详见表1。在这种情况下，作为地区电网调度，能保证系统稳定、主设备安全和A类电压合格已相当不易，经济性、可靠性和电压稳定性根本无从谈起。

变电站	主变容量（MVA）	无功补偿容量（kVar）	有功负荷（MW）	主变高压侧下网无功（Mvar）	功率因数	补偿度（kVar/kW）
树木岭	2×180	52800	320	100	0.9487	0.165
天顶	3×120	73800	310	85	0.9644	0.238
榔梨	2×120	48000	200	70	0.9439	0.240
捞刀河	2×180	48000	330	130	0.9304	0.145

表1 长沙城区220kV变电站实测典型数据（2001年7月，非同时）

由于长沙地区的生活用电和第三产业、轻工业用电迅速增长，而耗能型重工业发展滞后，在高峰负荷猛增的同时，反映日负荷特性的峰谷差也急剧增大，日负荷曲线的波动性明显提高。由于处于省网负荷中心，本身受省网运行方式影响很大，加上负荷因素，造成地区系统电压波动幅度增加，往往是负荷高峰时所有无功补偿设备全部投入还难以满足需求，而低谷时几乎全部退出仍有可能越上限，调整的难度很大。

4．2 调控方法和措施

我们在严格遵守无功功率分层分区、就地平衡的原则下，尽量使各220kV站和相关110kV站紧密配合，采取电容器投退与分头调整相结合的方法，充分发挥各站已有无功补偿设备的作用，尤其在高峰负荷时，尽最大可能减少各无功界面的无功流量，降低功率损耗，保证电压水平。

近几年来，随着城乡电网大规模改造，长沙电网从500kV主系统到380V、220V用户接入线，各个电压层次都有很大变化。综合各种调压手段，我们目前主要采用的是有载调压变压器加并联电容器，并辅之以无功电压综合控制装置的调压模式。截止2001年底，长沙电网110kV及以上主变有载调压率已超过90%，城区高达98%。长沙城区的所有局属110kV变电站已全部实现无人值班。为适应无人值班工作的要求及电压调整的需要，绝大部分变电站已安装了无功电压综合控制装置，功能在不断完善。

按照无功电力管理要求，大力加强对电网无功平衡具有重要作用的用户在装电容器的运行管理，这些用户约占全地区总容量的40%。在地区电网调度端，其于CC-2000调度自动化系统软件平台的无功电压/潮流计算高级软件已开始应用于实际调度管理，电网运行管理正逐步由经验调度向科学调度转变。通过电网各级管理人员的艰苦努力，虽然经历了季节性高峰负荷的严峻考验，2000年、2001年长沙城区10kV A类电压合格率仍然达到了99.36%和99.54%。

5 结束语

湖南电网已经安全稳定运行21年，这与电网建设取得的巨大成绩密不可分，但从另一个角度看，这几年用电负荷也在迅速增长，加上“典型受端系统”的格局仍没有得到根本改变，还经常要疲于应付过载和稳定性问题，并且峰谷差急剧增大导致电压调控非常困难，这说明我们的电网还难以完全胜任各种负荷水平下对电网供电能力和质量的要求。这需要我们在充分科学论证的前提下加快电网建设速度，提高设备和调控手段的技术含量，其中还包括对已有设备的更新、改造，加大新设备、新技术、新方法在生产实践中的推广应用力度。只有全方位入手，多管齐下，才能维护电网持续安全稳定运行的大好局面。