浅析电力系统的无功控制与电压可靠性分析

王京超

摘要:论文分析了用于防止电压崩溃的系统设计和运行措施，以某炼化公司电站为案例进行典型事例分析，最后分析了系统电压波动原因分析和解决方案。

关键词:电力系统，电压崩溃，无功控制，静止无功发生器

电力系统是一个非线性动态系统，电压稳定是电力系统稳定的一个方面。无功供给不足将导致电压失稳。

一、电压稳定及电压崩溃的定义

所谓电力系统电压稳定性是指电力系统各母线电压在正常和受扰动后的动态过程中被控制在额定电压的允许偏差范围内的能力。在电力系统中，人们把因扰动、负荷增大或系统变更后造成大面积、大幅度电压持续下降，并且运行人员和自动系统的控制无法终止这种电压衰落的情况称之为电压崩溃。这种电压的衰落可能只需几秒钟，也可能长达10~20min，甚至更长，电压崩溃是电压失稳的最明显的特征，它会导致系统瓦解。而所谓的电压安全性是指在出现任何适当而又可信的预想事故或有害的系统变更后，系统维持电压稳定的能力。综观国内外的电网电压崩溃事故的发生和发展过程，从根本原因看，电压失稳归因于系统不能满足无功功率需求的增加。典型的电压崩溃过程可以描述为：在电力系统发生扰动后，因为发电机励磁系统的强励和负荷需求的减少，系统能够保持电压稳定之后，有载调压变压器OLTC 的连续调节使负荷电压和功率得到恢复，同时OLTC原电压下降，电流上升，导致发电机无功功率越限，发电机无功功率越限的连锁反应使得负荷电压急剧下降，这又使得补偿电容器输出的无功减少，以及电动机发生堵转而吸收更多的无功，从而引起附近的电动机堵转以及电容器端电压的进一步下降，如此恶性循环最终导致了电压急剧下降，出现电压崩溃。

二、防止电压崩溃的系统设计

(1)合理选取补偿设备的大小、额定值和补偿地点；

(2)电网电压和发电机无功输出的综合控制，在正常运行中要备有一定的可以瞬时自动调出的无功功率备用容量；

(3)保护控制设备和电力系统的要求之间协调；

(4)正确使用有载调压变压器；

(5)完善低电压自动联切负荷设备；

(6)运行中保证系统的电压稳定裕度；

其中：合理选取补偿设备的大小、额定值和补偿地点和补偿方法，电网电压和发电机无功输出的综合控制，安装足够容量的无功补偿设备,这是做好电压调整，防止电压崩溃的基础。随时校正正常负荷变化引起的电压变化，需要一定的调节手段，而为了满足事故紧急控制的需要，所要求的无功补偿容量还必须能快速投入使用。在正常运行中要备有一定的可以瞬时自动调出的无功备有容量。不同的无功补偿设备有不同的调节性能要求和不同的用途，如在由受端系统端的短路电流水平很低的电网中，枢纽变电所中装设静止补偿器(SVC)往往不能起到预期的作用，在系统故障后的动态摆动过程中，支持受端系统侧电压的作用。随着电力电子技术的发展，FACTS 技术在电力系统中的应用越来越广泛，其中新型静止无功发生器ASVG，具有响应速度快，可以在从感性到容性的整个范围中进行连续的无功调节，特别是在欠压条件下仍可有效地发出无功功率，在系统对称运行条件下所需储能电容容量较小，从而可以减小装置体积等优点，得到了电力工业界越来越大的关注。发电机励磁调节器的负荷补偿可调节其高压侧或通过升压变压器的一部分无功。在很多情况下，缩短了恒定电压点同负载的电气距离，有利于提高电压稳定性。另外，励磁控制的二级控制也可用于调节电网局部电压。提高电压安全性的紧急无功补偿电源的最优配置地点的选择，对于事故紧急无功补偿控制效果影响很大，根据电压崩溃的机理，将电网的电压弱节点作为紧急无功补偿电源的配置点是比较直接的方法，在无功电源规划中应用的也较多。当然也有其它选择配置地点的方法，例如将先导节点的概念应用到电力系统无功配置的规划研究中，选择目标为保证系统受扰动后所有负荷节点的电压偏移最小，并给出了易于实现的先导节点选择算法。电力系统电压调整器(PSVR)的应用将明显提高系统的电压稳定性。

三、典型事例分析

2006 年某炼化公司电站2# 发电机由于主气门不正常关闭无法正常恢复，被迫紧急停车。8 分钟后1# 发电机也因低电压跳闸。造成两台发电机全部跳闸的严重后果。这是一起典型的电力系统无功不足的电压崩溃事故。电气微机保护装置内记录如下:

1.1# 发电机7UM622（见表一）

表1 分析说明:

（1)1# 发电机跳车时发电机发出69.44MW 有功功率，从系统吸收59.74MVAR 无功功率。

（2)1# 发电机端口电压下降至4.23kV(约为正常时的67%，保护定值为75%、35;65V、0.55跳闸)

（3)4、5、6 项保护动作情况说明此时1# 发电机端口系统发生了系统振荡，电流、电压波动较大。

2.1# 发电机7UM622 保护内波形图

从波形分析，保护装置录波启动后600ms 时电压己下降至4.72kV(75％左右)，1100ms 时下降至4.41kV(70%左右)，说明系统电压波动明显。

四、系统电压波动原因分析

（1）说明在2# 发电机停车后，电站系统无功功率大量不足，从外系统吸收大量无功功率。

（2）2# 发电机停机时还发有37.29MVAR 无功功率，瞬时的停机对系统造成较大波动，引起1# 发电机端口出现系统振荡、波动。

（3）1# 发电机在2# 机停机后，有功功率出现波动，从数据显示最大值达69.44MW，此时1# 机受总视在功率75MVA 限制，无功无法达到最大出力，限制了1# 发电机励磁系统的强励倍数，所以从1#发电机功率曲线分析，1# 发电机无功功率有明显上扬(均达10MVAR)，但上升后明显无法维持稳定运行。

（4）所以说明在2# 发电机停机后电站系统出现无功功率严重不足，电压明显下降，此时1# 发电机强励动作，但受总能力所限，无法维持发电机端口电压在正常水平，引起发电机低电压保护动作跳闸。

五、解决方案

在电站一台发电机跳车情况下，总变两台主变压器电流最大均达到150A(额定电流为316A)，基本达到半负荷运行。有载调压机构自动闭锁，无法通过变压器分接头优化控制达到调整电压的目的。由于公司备用无功均采用手动操作的水平，在事故状态下，无法及时调整。由此，采用了新型静止无功发生器(ASVG)和电力系统电压调整器(PSVR)的无功/ 电压控制策略，作为提高系统可靠性的改进方案。

参考文献：

［1］卢强，孙元章.电力系统非线性控制［J］.北京科学出版社，

1993.

［2］王志芳.二级电压控制的研究.[D].北京:清华大学，1998.

［3］李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].中国电力

出版社，2005.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。