电力系统电压稳定性研究

电力系统电压稳定性研究

仝志鹏

(山西昱光发电有限责任公司，山西 朔州 036900)

摘要：随着我国经济的快速发展和电力系统的不断完善，电压稳定性已经成为电力系统的热点课题。现主要研究分析了电力系统电压不稳定的种类、原因、解决方法，并对两大电压自动控制系统的基本思想、理论成果和应用情况加以总结，以期为电力系统运行和科研工作提供参考。

关键词：电力系统；电压不稳定；AGC；AVC

收稿日期:2015-04-30

作者简介：仝志鹏(1975—)，男，山西朔州人，工程师，从事火电厂电气专业技术管理工作。

0引言

目前我国处在经济高速发展阶段，超高压系统构成了主要网架，控制系统、通信系统和监控系统保障了电力系统的安全稳定运行，西电东送建设不断加强，我国装机容量和年发电量均处于世界领先地位。随着电源容量日益增长，电网规模不断扩大，电网建设也不断加强。但由于我国土地面积广阔、电力资源相对偏远、电气设备广泛普及，对供电电压安全要求不断提高，因此保证供电电压的稳定性也是保障经济高速持续发展、促进能源合理开发利用、满足人民基本需求、维护国家安全稳定的基本前提。

1电压不稳定研究

1.1电压不稳定类型

电压不稳定包括非同步运行、电压崩溃、频率崩溃。其中，非同步运行中电压在相位、频率和振幅这三方面不完全一致；电压崩溃包含局部电压崩溃和大面积电压崩溃，大面积电压崩溃对电力系统会造成相当严重的危害，1978年12月法国电网和1987年7月日本东京电网的电压崩溃都造成了重大经济损失，严重破坏了社会稳定；电力系统频率与有功功率成正相关关系，有功功率不平衡越来越严重时，频率将逐步下降，下降到0时发生崩溃。

在电力系统中常常会发生电压偏差、波动和过电压，严重影响电力系统的稳定性。

电压偏差是指实际电压与额定电压的缓慢稳态偏差。发生电压偏差时，电压偏高或偏低，其大小稳定在某一个值。电力系统的调压方式、供电距离、线路阻抗及无功补偿容量决定了电压偏差的大小。

改善电压偏差的主要措施有：

(1) 采取就地无功补偿，安装并联电容器，保证感性元件的稳定；

(2) 采用有载调压变压器，保障电压质量；

(3) 根据实际情况选择变压器的变比；

(4) 减少配电系统阻抗，避免过大的线路损耗；

(5) 尽量使三相负荷平衡，保证供电可靠性。

电压波动是指实际电压与额定电压的急剧动态偏差。当系统不稳定、发生电压波动时，电压值大小不断变化。用电设备负荷的巨大变化产生了冲击性负荷，从而导致了电压波动。抑制电压波动的措施有：增加发电厂的装机容量，较大的装机容量有利于保障系统的稳定；提高供电电压等级，有效避免电涌的产生；采用特定变压器和专用线路输电，减少并网和输电过程中的损耗；改进生产工艺及操作水平；采用专用稳压设备等。

内部过电压是由于断路器操作、故障或者其他原因，使系统参数发生变化，在系统内部引起电磁能量积累和振荡的过渡过程中产生的过电压。内部过电压包括操作过电压和暂时过电压，操作过电压是因为系统误操作或故障引起，暂时过电压是因为系统的电抗参数配合不恰当引起。

暂时过电压包含两种类型：工频过电压和谐振过电压。工频过电压幅值不高，对系统中具有可靠绝缘的电气设备危害较小，当时间持续较长时，对绝缘设备运行的危害不可小觑。工频过电压在超高压系统的绝缘配合中具有重要作用，因为操作过电压幅值直接受工频过电压影响；同时，工频过电压的大小也是决定避雷器额定电压的重要依据。电力系统中存在感性元件和容性元件，感性元件如电流互感器、电压互感器、变压器等，容性元件如高压电力电容器、自愈式低压并联电容器等。当系统运行或电抗元件故障时，系统中感性元件和容性元件在恰当条件下可能形成不同的振荡回路，产生谐振，从而引起谐振过电压。

电力系统中的电阻元件和容性元件都可看作是线性参数。但感性元件由于在振荡回路中包含多种特性，因此谐振过电压有以下几种类型：

(1) 线性谐振过电压，电路中的电抗和电阻都是常数。这类线性感性元件主要有不带铁芯的感性元件和激磁特性接近线性的带铁芯的感性元件。感性元件和电容元件形成串联电路，当串联回路的频率和电源频率相同时产生串联谐振，串联谐振发生时，感性元件和容性元件上的电压远大于电源电压，此时回路电阻的大小直接影响回路电流的大小。

(2) 参数谐振过电压，系统中存在电感值周期性变化的感性器件，凹极发电机的感性元件和容性元件参数匹配时就有可能发生参数谐振，维持振荡回路所需的能量由感性元件的电感周期性变化产生的能量来提供。

(3) 铁磁谐振过电压，常常发生在激磁特性呈非线性的带铁芯的感性元件电路中。带铁芯的感性元件往往在系统运行时发生饱和，此时电感值随着电流或者磁通量的变化而变化，在一定条件下铁磁谐振现象就会发生。铁磁元件的激磁特性呈非线性，因此铁磁谐振又称为非线性谐振。

1.2电压不稳定原因

电压不稳定的主要原因有以下几点：

(1) 由于用电需求量的不断升高，发、输电设备趋于极限值；

(2) 供电线路陈旧老化，压降过大，接头接触不良；

(3) 系统中增加无功补偿后，无功与电压平方成正比，电压降低时，无功大幅度减小；

(4) 电压稳定性研究还不够深入。

1.3电压不稳定解决办法

电压不稳定对于电网危害极大，可采取以下方法消除电压不稳定：

(1) 正确选择变压器的分接头，保证用电设备的电压水平；

(2) 合理设置电容器进行无功补偿；

(3) 变压器并列运行；

(4) 加装限流电抗器，防止电流过大；

(5) 采用稳压器保证电压稳定。

2电压自动控制系统

AGC和AVC是当代两大电压自动控制系统，具有改善电压质量、减少线路损耗、增加电量储备和缓解调度人员工作强度的功能。经过科研人员的不断研发，AGC已经广泛应用于各大电厂中，AVC技术还有待提高。

2.1AGC系统

如图1所示，电力系统自动发电控制(AGC)系统主要由主站控制系统、信息传输系统和电厂控制系统等组成。

图1　AGC系统总体结构

AGC是能量管理系统EMS中的一项重要功能，其根据居民用电需求量来有效调控输出，同时保证系统经济运行。近几年来，AGC广泛应用于全国各大发电厂，AGC系统的投入大幅度提高了系统的可靠性。其中，水电厂一般采用全厂AGC控制方式，火电厂则采用单机或全厂AGC控制方式。

电厂中AGC的基本控制目标为：(1) 保证电网发电量满足用电需求量；(2) 保持系统频率与计划值相符，避免发生频率崩溃；(3) 将系统发电功率合理分配到各区域，同时保持区域间净交换功率符合计划值。

2.2AVC系统

AVC利用通信技术有效控制电网中的无功资源以及调压设备，从而来保障电力系统安全经济运行。通常AVC系统中配置一个上位机，对应一个电压无功系统；配置多个下位机，各机之间可相互通信。

电厂AVC装置原理如图2所示。

图2　电厂AVC装置原理图

电厂中上位机主要负责处理模拟量信息、开关量信息，输出控制命令和电压无功目标值，模拟量信息主要从发电机组采集，开关量信息主要从母线等采集，控制命令、电压无功目标值主要通过电厂端RTU输出。对采集到的信息进行处理，估算出母线需要的无功总量，然后将无功合理分配给母线上的发电机，各个下位机接收对应的信息和控制命令，实现各机组间的无功最优配置。

下位机主要负责将采集到的模拟量和开关量等信息及时传送给上位机，之后上位机进行分析和处理，并输出控制命令和目标无功值到各个下位机，根据控制命令采取相应的操作，把每个机组的无功大小调整到目标值。每个机组有一个下位机，保证机组在安全合理范围内运行。采集母线信息的独立下位机对励磁无操作。

3结语

研究电力系统电压稳定性对我国经济发展有着重要意义，经过几十年的不断探索，我国在电压稳定性及控制手段的研究上取得了丰硕的成果。电压自动控制系统已广泛应用于电力系统中，但随着电力系统的不断发展，电压稳定性要求将不断提高，对电压自动控制系统还需进行更深入的研究。

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