电力系统的无功控制策略研究及可靠性分析

2015-03-14彭明仔丘永亮

机电信息 2015年12期

关键词：组数投切档位

彭明仔丘永亮

（1.广州市净水有限公司，广东广州510655；2.广东工贸职业技术学院，广东广州510510）

0 引言

电力系统电压下降的主要原因是无功功率不足或分布不合理，电压无功控制的核心是合理选择控制策略，从而有效地减少有载变压器分接头和电容器组的动作次数，降低能量损耗，提高电压合格率，实现系统电压稳定。

1 传统九区图无功控制策略

为实现无功控制目标，目前电力系统大多采用九区图进行实时无功补偿。九区图控制策略是对变压器分接头档位、电容器组数、电压、无功等进行控制，根据电压及功率因数信息来判断当前的运行区域，再按照设定的控制策略，调节电容器组的投切组数及变压器分接头的档位，以最优的控制顺序和最少的动作次数使输出电压及功率因数处于正常工作区，尽量使电压稳定而功率因数接近于1。传统九区图控制策略如图1所示。

图1 九区图控制策略

传统九区图控制策略存在的问题：没充分考虑分接头调节和电容器投切对电压、无功的影响，且对分接头和电容器的调节不作限制。因此，实际使用时容易造成系统振荡、分接头调节次数过多。同时，该策略没有对调节范围进行预判，容易造成分接头调节及投切电容过大或过小，不易操作。

2 无功控制的系统模型

无功控制是通过基本潮流方程获得所需电容器组数和分接头档位，简单系统接线图如图2所示。

设U0为系统电压，U1、U2为变电站主变高低压侧电压，PL、QL分别为负荷有功和无功功率，k为变压器变比，Qc为补偿无功功率，Rs、Xs、RL、XL分别为线路阻抗参数，RT、XT为变压器阻抗参数，设变电站共有m组等容电容器，变电站综合负荷取恒定功率模型，则有：

图2 系统模型

设变比k不变，为维持主变低压母线电压在规定的UC，由式（1）可得式（2）：

式中，B0为一组电容器电纳；n为组数，是非负整数。

对于理想电网，电压降落横分量及全网电阻对电压的影响很小，可忽略不计。所以，在不计电压降落横分量和全网电阻的情况下，可按式（1）推导出nj和kj的近似计算公式：

通过式（4）、（5）可以计算出投切电容组数及变压器变比，预先掌握分接头档位及电容投切组数，从而减少分接头及电容投切的调节次数。

3 改进的无功控制策略

经分析，分接头调节主要用于电压调节，而电容器投切主要用于无功调节，同时也可用于电压调节，因而可以采用电容器优先动作进行调节的控制策略。公式计算档位及电容组数可能会使无功控制不够精确，所以需进行预判，分接头一次调节一档，电容器一次投切一组，每动作一次后都应进行电压、功率因数合格判断，并根据电压、无功、时间、分接头档位和电容器组投切开关状态等多因素进行综合判断。改进的无功控制策略流程如图3所示。

图3 改进的无功控制策略流程图

改进的无功控制策略是优先调节电容器，每次投切一组电容器，直至电压合格或电容器组数达到最大为止。如果投切电容器能使电压无功合格，则不必再调节分接头；若不合格，则再调节分接头或执行下一步骤。

4 算例分析

为了验证该策略的控制效果优于传统九区图无功控制策略，使主变低压侧母线电压处于规定的电压上下限值之间，高压侧功率因数尽量接近于1。

设0点时分接头档位和电容器组初始状态为＋3档、投入1组电容。功率因数上下限值分别为1和0.9，电压上下限值分别为10.7kV和10kV，假设不对控制对象的动作次数作限制。案例采用模拟数据进行对比分析。

经计算，表1和表2分别为改进的无功控制策略的效果和传统控制策略的效果（仅列举需调节部分），表中cap和tap分别为电容器组、分接头档位实际输出控制量。

5 无功控制策略的可靠性对比

由表1和表2可知，改进的无功控制策略及传统九区图策略都可以实现变电站的电压、无功控制要求。在传统九区图控制策略下0：00～23：00分接头共调节了14次，电容器组仅投切了1次，可知该策略未能充分利用电容投切手段进行调压和无功补偿，使分接头调节次数大大增加，超出日最大调节次数。

表1 改进的无功控制策略效果

表2 九区图无功控制策略效果

在改进的无功控制策略控制下，0：00～23：00分接头共调节了7次，电容器组共投切了8次。比较两种策略的控制效果，由于无功控制目标要求变压器分接头日调节次数尽量少，可知改进的无功控制策略明显优于传统九区图策略，它能够大大减少分接头调节次数，其原因在于充分应用了电容器投切替代分接头调节的电容优先原则。由此可知，改进的无功控制策略优点是能够使变压器分接头调节次数尽量达到最少。