淺談電力系統(tǒng)二級(jí)電壓控制的研究現(xiàn)狀及不足

華 梁

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院（蘇州校區(qū)），江蘇 蘇州 215137）

1 分級(jí)電壓控制

隨著電力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和電壓穩(wěn)定問題的日益突出，對(duì)大電網(wǎng)電壓/無功的協(xié)調(diào)控制提出了更高的要求。電壓分級(jí)控制是協(xié)調(diào)電壓控制的有效手段和方法，分級(jí)電壓控制的產(chǎn)生源于70年代人們對(duì)電壓崩潰的認(rèn)識(shí)。其基本思想是認(rèn)為由于電網(wǎng)中某些地區(qū)無功不足，造成局部電壓下降，引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致全網(wǎng)電壓水平下降，而另外一些地區(qū)的無功源又沒有被充分利用起來阻止這一現(xiàn)象的發(fā)生，最終系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰。綜合調(diào)動(dòng)全系統(tǒng)的無功源，最大限度的產(chǎn)生無功，并對(duì)無功潮流進(jìn)行最佳的控制，是防止電壓崩潰事故的有效途徑。

分級(jí)電壓控制把整個(gè)電網(wǎng)分成各個(gè)控制區(qū)域（Control Zones），每個(gè)控制區(qū)域是相互之間耦合程度大的節(jié)點(diǎn)集合，控制區(qū)域之間相互解耦或者近似解耦。選擇各個(gè)控制區(qū)域的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)（Pilot Node）和控制無功電源，主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)代表本區(qū)域的電壓水平，控制無功電源是能夠?qū)χ鲗?dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓提供足夠無功支持的無功設(shè)備。當(dāng)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)電壓受到擾動(dòng)產(chǎn)生變化后，如果把主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓恢復(fù)至擾動(dòng)前的水平，則區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的電壓將同樣得到恢復(fù)。

分級(jí)電壓控制分為三級(jí)，每一級(jí)控制系統(tǒng)都有自己的控制對(duì)象、控制目標(biāo)，同時(shí)在時(shí)間上相互解耦，低層控制按照上一層的控制信號(hào)作為自己的控制目標(biāo)，向下一層控制發(fā)出控制信號(hào)。分級(jí)電壓控制的基本原理見圖1。

一級(jí)電壓控制器設(shè)置在發(fā)電廠、用戶和各供電點(diǎn)的無功/電壓控制設(shè)備上，包括：同步電機(jī)（發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)）、靜止無功補(bǔ)償器、快速投切電容器、電抗器以及變壓器有載分接開關(guān)自動(dòng)切換等。響應(yīng)時(shí)間一般為一秒到十幾秒?？刂颇繕?biāo)是抵消快速負(fù)荷波動(dòng)造成的電壓波動(dòng)，維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。一級(jí)電壓控制設(shè)備分為3類：第一類是以本地局部信息進(jìn)行無功功率控制的無功設(shè)備；第二類是除了以本地局部信息進(jìn)行無功功率控制，還接受二級(jí)電壓控制器的控制信號(hào)，對(duì)二級(jí)電壓控制提供無功支持的無功設(shè)備，即控制無功電源；第三類是前兩類控制的組合。

二級(jí)電壓控制器設(shè)置在區(qū)域調(diào)度中心。響應(yīng)時(shí)間是幾十秒到幾分鐘，大于一級(jí)電壓控制的響應(yīng)時(shí)間?？刂颇繕?biāo)是當(dāng)系統(tǒng)中變化相對(duì)緩慢的負(fù)荷變化（相對(duì)一級(jí)電壓控制）或者區(qū)域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致區(qū)域的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生變化后，根據(jù)三級(jí)電壓控制器確定的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)參考值電壓，按照預(yù)定的控制策略，以某種協(xié)調(diào)方式重新設(shè)置區(qū)域內(nèi)控制無功電源的電壓參考值（Reference Value），以達(dá)到系統(tǒng)范圍內(nèi)良好的運(yùn)行性能。

圖1 分級(jí)電壓控制的原理圖

三級(jí)電壓控制器設(shè)置在系統(tǒng)調(diào)度中心，是等級(jí)電壓控制系統(tǒng)的最高級(jí)，其響應(yīng)時(shí)間是幾十分鐘?？刂颇繕?biāo)是以全網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行準(zhǔn)則來優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，確定各區(qū)域中主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓的參考值，協(xié)調(diào)各二級(jí)電壓控制系統(tǒng)，使全系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

2 分散二級(jí)電壓控制（DSVC）策略

分散二級(jí)電壓控制（DSVC）的原理是將整個(gè)電力系統(tǒng)劃分為幾個(gè)相互獨(dú)立的區(qū)，稱作“控制區(qū)域”，在每個(gè)控制區(qū)域中選出其最關(guān)鍵的對(duì)區(qū)域內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)有重要影響的電壓母線為“主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)”，并根據(jù)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差，按照某種預(yù)定的控制方式協(xié)調(diào)、有效地調(diào)整區(qū)域內(nèi)各控制發(fā)電機(jī)的AVR的參考電壓設(shè)定值或其它無功源的設(shè)定值，從而使主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓基本保持不變，進(jìn)而維持整個(gè)區(qū)域的電壓水平，并使無功分布在一個(gè)良好的狀態(tài)。這種調(diào)整將會(huì)使得機(jī)組的無功出力發(fā)生變化，調(diào)整的幅度是由主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓與其設(shè)定值的偏差所決定的。

DSVC一般通過硬件控制器實(shí)現(xiàn)，然而隨著系統(tǒng)的老化，在20世紀(jì)90年代初也出現(xiàn)了一些不足。

（1）在實(shí)行 DSVC以后隨著系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，在電網(wǎng)的某些部分原本相互解耦的控制區(qū)域間的聯(lián)系越來越緊密，相互影響會(huì)越來越明顯，也就是說原來的解耦關(guān)系遭到了一定程度的破壞。為了避免在控制過程中導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，要么就增加分區(qū)的數(shù)目，要么就降低控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但無論使用哪一種方法都會(huì)影響控制的效果。

（2）對(duì)發(fā)電機(jī)組無功功率分配限制過死。

（3）發(fā)電機(jī)無功功率內(nèi)部閉環(huán)調(diào)節(jié)信號(hào)快于區(qū)域電壓水平信號(hào)，可能使其在故障后的短時(shí)間內(nèi)向不利方向作用。

（4）裝置只部分考慮廠電壓控制功能，而未監(jiān)視電壓極限值，發(fā)電機(jī)運(yùn)行范圍的界限（功角、定子電壓、輔機(jī)電壓和轉(zhuǎn)子電流）也未精確考慮。

（5）控制系統(tǒng)的參數(shù)是固定的，從而不能對(duì)一些運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化。

因此針對(duì)DSVC控制策略的這些不足和電力系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r必須探求新的控制方法。

3 協(xié)調(diào)二級(jí)電壓控制（CSVC）策略

如何克服分散電壓控制的缺陷，這是設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)電壓控制策略的出發(fā)點(diǎn)，其目標(biāo)是從全局的觀點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)無功的調(diào)度和電壓的控制。在原先分散電壓控制中幾個(gè)獨(dú)立的控制分區(qū)由于電網(wǎng)聯(lián)系的日益緊密其解耦性越來越弱，從而由這些控制分區(qū)形成了一個(gè)大的區(qū)域，通過協(xié)調(diào)二級(jí)控制能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)大區(qū)的電壓控制設(shè)備的相互配合。在CSVC中，可控發(fā)電機(jī)的數(shù)目即控制變量的數(shù)目要大于主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)即輸出變量的數(shù)目，因此除了維持主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓以外，還有一定的可控自由度用于實(shí)現(xiàn)其它的控制目標(biāo)。

CSVC的基本原理仍是使主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)上的電壓維持在整定值，但控制信號(hào)的計(jì)算是針對(duì)包含幾個(gè)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的地區(qū)，并考慮各發(fā)電機(jī)對(duì)所有主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的作用。這樣可以防止這些聯(lián)系緊密地區(qū)各自獨(dú)立進(jìn)行電壓控制可能造成的相互間不穩(wěn)定?？刂浦行乃鸭兄鲗?dǎo)節(jié)點(diǎn)和電壓敏感節(jié)點(diǎn)的電壓遙測值，以及參與二級(jí)電壓控制的控制機(jī)組的母線電壓和有功/無功出力。將這些信息輸入多變量二級(jí)電壓協(xié)調(diào)控制器?？刂菩盘?hào)直接加于每臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器，這樣可避免出現(xiàn)傳統(tǒng)二級(jí)電壓控制系統(tǒng)在無功功率控制中可能造成的不良作用。由于可控發(fā)電機(jī)的數(shù)目即控制變量的數(shù)目要大于主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，因此，CSVC還能充分利用這些控制變量來滿足其他額外的運(yùn)行約束，對(duì)提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性起到很好的作用。

4 二級(jí)電壓控制問題的不足

縱觀現(xiàn)有的二級(jí)電壓控制策略的研究，主要存在如下問題：

（1）所選擇的二級(jí)電壓控制設(shè)備大多為連續(xù)調(diào)節(jié)的無功電源，如發(fā)電機(jī)、靜止無功補(bǔ)償器等，對(duì)應(yīng)的二級(jí)電壓控制優(yōu)化模型符合二次規(guī)劃模型，一般采用二次規(guī)劃法求解。對(duì)于快速投切電容電抗器組等離散型無功源，其處理方法是先把這些無功電源當(dāng)作可連續(xù)調(diào)節(jié)設(shè)備，再把計(jì)算結(jié)果和實(shí)際的調(diào)節(jié)檔位相比較，按接近的檔位調(diào)節(jié)。這樣做就有可能得到調(diào)節(jié)的次優(yōu)解，而并非最優(yōu)解。

（2）沒有選擇有載調(diào)壓變壓器（OLTC）作為二級(jí)電壓控制設(shè)備。雖然有載調(diào)壓變壓器不是無功源，但可以改變系統(tǒng)無功的分布，是系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)的有效手段。盡管有載調(diào)壓變壓器的響應(yīng)速度比較慢，大概在20～100 s之間，但足以滿足二級(jí)電壓控制的要求，故選擇有載調(diào)壓變壓器作為等級(jí)電壓控制中的電壓控制設(shè)備是必要的。

5 結(jié)束語

在電力互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和電力市場發(fā)展的大背景下，以全系統(tǒng)或整個(gè)區(qū)域的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為指標(biāo)，以提高系統(tǒng)電壓水平、保證電壓穩(wěn)定性為目的的無功電壓快速協(xié)調(diào)控制顯得越來越重要。在眾多解決該問題的研究中，由法國電力公司提出的二級(jí)電壓控制是一種很有競爭力的方案，并得到了廣泛的關(guān)注。但是，現(xiàn)有的二級(jí)電壓控制方式多采用連續(xù)調(diào)節(jié)設(shè)備，沒有考慮有載調(diào)壓變壓器、切負(fù)荷等離散控制方法，這在今后的研究工作中需要得到重視。

1 孫元章、王志芳、姚小寅.電力系統(tǒng)二級(jí)電壓控制的研究［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999（9）：9～14

2 孫元章、姚小寅、劉 峰.二級(jí)電壓控制對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000（2）：28～32

3 Paul J P,Leost J Y, Tesseron J M.Survey of the Secondary Voltage Control in France: Present Realization and Investigation［J］.IEEE Trans on Power Systems，1987（2）：505～511

4 Corsi S, Pozzi M, Bazzi U, et al. A Simple Real－time and On－line Voltage Stability Index Under Test in Italian Secondary Voltage Regulation［C］.CIGRE Conference,Paris，2000：38～115