電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定及其靜態(tài)補償技術(shù)綜述

于同偉,馮 柳,孫 鑫

（1.東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.沈陽供電公司,遼寧 沈陽 110003）

1 影響電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的因素

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定涉及有功功率和頻率控制。系統(tǒng)頻率恒定能保證異步和同步電動機速度恒定。頻率恒定依賴于有功功率的平衡。區(qū)域有功功率的供需變化通過頻率變化反映到整個系統(tǒng)。系統(tǒng)中的每臺發(fā)電機通過調(diào)速器提供了基本的速度調(diào)節(jié)功能,來自調(diào)度中心的輔助控制信息將分配發(fā)電機的發(fā)電容量,使有功功率得到平衡,穩(wěn)定了系統(tǒng)頻率。

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定還涉及無功功率及電壓控制?？刂颇繕藨獫M足：系統(tǒng)中所有裝置的端電壓在可接受的限值內(nèi);為保證最大限度利用輸電系統(tǒng),應加強系統(tǒng)穩(wěn)定性;使無功功率傳輸最?。ㄝ旊娤到y(tǒng)主要用于有功功率的傳輸）。

負荷變化時輸電系統(tǒng)對無功功率的要求也變化。由于無功功率不能長距離傳輸,電壓通過遍布整個系統(tǒng)的電力裝置來進行有效控制。因此要對控制無功功率和電壓裝置進行選擇和協(xié)調(diào)（與頻率控制相反,頻率控制取決于全系統(tǒng)的有功功率平衡）。

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中弱系統(tǒng)、長路線、重負載均會引發(fā)電壓穩(wěn)定問題,甚至導致電網(wǎng)崩潰事故。

電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)在正常條件下及受到擾動后,維持系統(tǒng)中所有母線電壓在可接受水平的能力。在發(fā)生擾動、增加負荷或改變系統(tǒng)條件時電壓逐漸失去控制衰減,電力系統(tǒng)就進入電壓不穩(wěn)定狀態(tài)。

不能滿足負荷的無功需求是引起不穩(wěn)定的主要因素。電壓穩(wěn)定問題通常發(fā)生在重負荷系統(tǒng)中。導致電壓崩潰的擾動可能有不同的誘因,除電網(wǎng)強度和功率傳輸水平外,影響系統(tǒng)電壓崩潰的主要因素包括發(fā)電機無功功率/電壓控制極限、負荷特性、無功補償裝置特性及電壓控制裝置（如帶負荷調(diào)節(jié)抽頭的變壓器）特性。

2 電壓崩潰的典型順序和關(guān)鍵因素

2.1 典型順序

a.電力系統(tǒng)經(jīng)歷非正常運行條件,負荷中心附近的大型發(fā)電機組退出運行。其結(jié)果使一些高壓線路重載,無功電源處于較低水平。

b.因事件觸發(fā),重負荷線路跳閘,導致相鄰線路增加負荷,高于自然功率,快速增加無功吸收,引起對系統(tǒng)的大量無功需求。

c.無功需求增加,導致臨近負荷中心電壓顯著降低。發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)器通過增加勵磁,恢復端電壓,增加的無功潮流將增大流經(jīng)線路及元器件的壓降。

d.配電系統(tǒng)的變電站變壓器將通過調(diào)整分接頭恢復區(qū)域電壓水平到故障前水平。每次調(diào)整都增加輸電線路的負荷,使得損耗加大,壓降增加。

e.無功需求進一步增加,導致發(fā)電機無功輸出增加,逐漸接近極限無功容量輸出。當有1臺發(fā)電機達到極限時,其端電壓就會降低,若仍然維持原有的有功出力則定子電流將增加,從而使發(fā)電機無功出力隨著電壓的降低而減少。這些無功需要其他發(fā)電機分擔,導致更多的發(fā)電機過負荷。這個過程最終導致電壓崩潰、發(fā)電機組失步及大面積停電。

2.2 關(guān)鍵因素

在已有的系統(tǒng)網(wǎng)架、運行方式及潮流水平下,電壓崩潰過程中有2個關(guān)鍵因素：電源與負荷距離遠,其本質(zhì)是感抗大、潮流大時無功需求大;低電壓工況下,帶負荷調(diào)節(jié)功能的變壓器動作形成了無功惡化的正反饋。

3 電壓穩(wěn)定控制手段

3.1 系統(tǒng)設(shè)計措施

a.應用無功功率補償裝置。需要考慮方式、地點和容量問題。

b.控制網(wǎng)絡(luò)電壓和發(fā)電機無功輸出。發(fā)電機電壓自動控制是以發(fā)電機端電壓穩(wěn)定為控制目標。以網(wǎng)絡(luò)電壓為控制目標的發(fā)電機電壓二次控制是可行方案。

c.保護和各種控制的協(xié)調(diào)。保護應是最后的手段,只要可能就應允許采取各種控制措施（自動或手動）消除過負荷。目前最好的手段是應用RTDS系統(tǒng)進行動態(tài)模擬。

d.控制變壓器分接頭調(diào)節(jié)。分接頭調(diào)節(jié)就地或集中控制。

e.低壓切負荷。適用于導致不穩(wěn)定的系統(tǒng)工況及事故發(fā)生的概率低但后果嚴重的電力區(qū)域。低電壓設(shè)計必須區(qū)分故障、暫態(tài)電壓降低及導致電壓崩潰的低電壓工況[1]。

3.2 無功功率補償裝置

a.并聯(lián)電容器。補償線路及變壓器的I2X損耗,保證在重負荷下也能有滿意的電壓水平。并聯(lián)補償是以犧牲穩(wěn)定區(qū)域及電壓調(diào)節(jié)范圍為代價,應適當應用。

b.串聯(lián)電容器。無功功率的輸出隨著線路負載增加而增加。增加穩(wěn)定極限,改善電壓調(diào)節(jié)。次同步諧振及過電壓是制約其應用的主要問題。

c.可控串聯(lián)補償裝置（TCSC）。解決串聯(lián)電容補償出現(xiàn)的次同步振蕩問題。

d.同步調(diào)相機。沒有有功輸出的同步機,電壓控制特性與同步發(fā)電機相同。

e.靜止無功補償器（SVC）。直接快速進行電壓控制。低次諧波含量較大,需裝濾波器。超過補償能力極限后SVC就等同于并聯(lián)電容。目前,我國輸電系統(tǒng)中共有6套大容量SVC投入使用,分別裝設(shè)在廣東江門、湖南云田、湖北鳳凰山（2套）、河南小劉及遼寧沙嶺的500 kV變電站中。國內(nèi)現(xiàn)在有2家供貨商：中國電科院電力電子公司,鞍山榮信電力電子公司。

ABB公司應用SVC提高電壓穩(wěn)定性的應用工程實例為Saudi Arabian 380 kV系統(tǒng)。ABB為SEC -CRB輸電網(wǎng)提供2臺SVC。

Siemens公司在巴西Enelpower 500 kV電網(wǎng)提供了±250Mvar的SVC,為Funil-substation 220 kV電網(wǎng)提供了200 Mvar到-100 Mvar的SVC;為美國NationalGrid Company Hark 275 kV電網(wǎng)提供150 Mvar到-75 Mvar的SVC;為印度尼西亞PLN 150 kV電網(wǎng)提供50 Mvar到-25 Mvar的SVC;為巴拉圭ANDE 220 kV電網(wǎng)提供250 Mvar到-125 Mvar的SVC。

靜止同步補償器（STATCOM）。是由三相逆變器和并聯(lián)電容器構(gòu)成,其輸出的三相交流電壓與所接電網(wǎng)電壓的三相電壓同步。整個裝置的無功功率大小或極性均由電流來調(diào)整,從而調(diào)整輸電線路的無功功率,動態(tài)地使電壓保持在一定范圍之內(nèi),以利于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定。STATCOM不僅可校正穩(wěn)態(tài)運行電壓,還可在故障后恢復期間高速穩(wěn)定電壓,對提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定十分重要,對電網(wǎng)電壓的控制能力很強。理論上講,直流側(cè)電容器只是用來維持直流電壓,不需要多大容量,而且這些電容由直流電容器構(gòu)成,體積小、價格低。STATCOM整體功能類似于同步調(diào)相機,調(diào)節(jié)范圍大,不會發(fā)生響應遲緩,反應速度快,沒有轉(zhuǎn)動設(shè)備的機械慣性、機械損耗和旋轉(zhuǎn)噪聲。STATCOM是一種完全的固態(tài)裝置,既能響應網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)態(tài),也能響應暫態(tài)變化,其控制響應速度比同步調(diào)相機快一個數(shù)量級。STATCOM是個電壓源,其電流值不受系統(tǒng)電壓的影響,控制電壓的能力強。由于沒有濾波器,占地面積小。

ABB公司于2004年12月在美國投運了1臺+ 100 Mvar/138 kV STATCOM,取代了1臺調(diào)相機。

4 電壓穩(wěn)定控制領(lǐng)域的新方向

4.1 分布式可控串補

美國電力電子專家Divan.D.M教授于2004年提出了分布式柔性交流輸電系統(tǒng)（Distributed Flexible AC Transmission Systems,縮寫為D—FACTS）的概念。這是一種新型FACTS技術(shù),該技術(shù)是將目前集中FACTS裝置實現(xiàn)的功能由大量的分布式靜止串聯(lián)補償器（DSSC）來完成。每個分布式控制器的補償度很小,因而容量也較?。s10 kVA）,可以制作得足夠輕巧,直接懸掛于電力系統(tǒng)輸電線上,以實現(xiàn)和傳統(tǒng)FACTS可控串補相近的功能。通過好的控制策略,可控串補可以實現(xiàn)的功能分布式基本都可以實現(xiàn)。因為是直接掛在線路上,可以采用等電位設(shè)計,不存在高電壓絕緣的問題,且因為容量比較小,不存在大電流的問題,可以采用市場上低價格的電力電子器件,采用成熟的低壓設(shè)計和制造技術(shù),降低成本,提高可靠性。

分布式可控串補比集中式串聯(lián)補償有以下優(yōu)點：

a.1個分布式串補單元出現(xiàn)問題可直接退出,不影響其它單元的運行;

b.安裝不需要額外占地;

c.可安裝在最佳位置;

d.使小容量DSSC機械地夾在傳輸線上,無需中斷線路,避免了絕緣等問題;

e.DSSC可以根據(jù)輸配電網(wǎng)絡(luò)潮流需求,分期分批制造和投入。

項目實施可以縮短電氣距離,很容易實現(xiàn)均衡線路潮流的作用;可以檢測線路的故障電流,對故障定位起到輔助作用;安裝視頻代替故障巡線等。

4.2 廣域測量與控制技術(shù)應用

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)控制都是就地測量就地控制,觀測控制設(shè)備的出口,只能改善出口側(cè)的性能。但隨著PMU（電源管理單元）在電力系統(tǒng)中大量安裝,構(gòu)建了WAMS（廣域測量系統(tǒng)）為新型控制系統(tǒng)的應用提供了可能。

WAMS能夠?qū)崟r將分布在電網(wǎng)各個地方的所有PMU的測量數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度中心?；陉P(guān)于測量的控制方法就是從中選取觀測量,然后去控制系統(tǒng)中任意位置的控制設(shè)備（發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)、SVC/STATCOM控制系統(tǒng)、集中式/分布式可控串補系統(tǒng)等）。

4.3 新型勵磁控制NR-PSS（魯棒非線性電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）

在系統(tǒng)發(fā)生大擾動的情況下,NR-PSS能使閉環(huán)系統(tǒng)適應運行點的大范圍變化,與目前應用的PSS-2A相比,大大提高系統(tǒng)的大干擾穩(wěn)定性,提高系統(tǒng)小擾動和大擾動穩(wěn)定極限。

大范圍應用NR-PSS將大幅度提高整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定極限,提高安全裕度,同時快速恢復系統(tǒng)中的故障及操作引發(fā)的動態(tài)響應。大大降低了由各種事件有可能觸發(fā)系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定的可能性。

[1] PRABHA KUNDUR.電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制[M]北京：中國電力出版社,2002.