電力系統(tǒng)提高功率因數(shù)方法的研究電氣工程及其自動化專業(yè)

1、電力系統(tǒng)提高功率因數(shù)方法的研究目錄2 提高電力系統(tǒng)功率因數(shù)的方法12.1影響電力系統(tǒng)功率因數(shù)的重要因素12.1.1 感應(yīng)電動機、變壓器、電抗器等感性負載是消耗無功功率的主要設(shè)備12.1.2 供電電壓超出規(guī)定范圍12.1.3電網(wǎng)頻率的波動12.2 提高功率因數(shù)的方法12.2.1 提高自然功率因數(shù)12.2.2 提高功率因數(shù)的補償方法23 變電站電壓無功綜合控制策略33.1變電站電壓無功綜合控制策略基本原理33.1.1并聯(lián)電容器提高功率因數(shù)原理33.1.2并聯(lián)電容器調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓原理33.1.3改變變壓器分接頭調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓原理43.1.4變電站電壓無功綜合控制策略的地位與分類43.2“九區(qū)圖”控制策略

2、43.2.1九區(qū)圖控制策略原理43.2.2“九區(qū)圖”控制策略存在的問題54五區(qū)圖控制策略64.1五區(qū)圖控制策略原理64.2五區(qū)圖控制策略的最優(yōu)電壓、無功啟動值上下限74.3“五區(qū)圖”控制策略存在的問題與改進方案104.3.1“五區(qū)圖”控制策略存在的問題104.3.2改進方案105 變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)具體設(shè)計方案105.1電壓無功綜合自動調(diào)節(jié)的實現(xiàn)方法105.1.1采用硬件裝置105.1.2使用軟件VQC105.2控制系統(tǒng)主電路與電壓無功綜合控制裝置原理圖的設(shè)計105.2.1補償電容器組投切量的計算115.2.2電容器分組125.2.3投切方式與開關(guān)選擇135.2.4電壓無功綜合控制裝置

3、原理圖135.3變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖14結(jié) 論15致 謝16參考文獻17I1 提高電力系統(tǒng)功率因數(shù)的方法1.1影響電力系統(tǒng)功率因數(shù)的重要因素據(jù)功率因數(shù)定義我們可知，當供電系統(tǒng)輸送的有功功率一定的情況下，若無功功率增大，則負載的功率因數(shù)就會隨之降低。在我國現(xiàn)行電力系統(tǒng)中，有許多因素影響著功率因數(shù)的大小，其中最主要的原因在于電力系統(tǒng)中存在的著大量的感性負載，會消耗大量的無功功率，從而對功率因數(shù)造成嚴重影響；其次供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數(shù)造成很大影響。下面就以上兩個方面進行討論。1.1.1 感應(yīng)電動機、變壓器、電抗器等感性負載是消耗無功功率的主要設(shè)備電動機、變壓器、電抗器

4、是現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)和居民生活用電設(shè)備中的最主要電氣設(shè)備，也是消耗無功功率的較大負載設(shè)備。這是因為異步電動機的定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙磁場的建立是決定異步電動機需要較多無功的主要因素；而異步電動機所消耗的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率兩部分所組成。同樣的，變壓器和電抗器都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，為建立交變磁場和感應(yīng)磁通就必然會消耗的電功率即無功功率；變壓器的無功損耗來自勵磁電流損耗和漏磁損耗，消耗無功的主要部分是它的空載無功功率，它和負載的大小無關(guān)。1.1.2 供電電壓超出規(guī)定范圍當供電電壓高于額定值的10%時，由于磁路飽和的影響，無功功率將得到快速增長，據(jù)有

5、關(guān)文獻統(tǒng)計顯示，當供電電壓為額定值的1.1倍時，一般工業(yè)企業(yè)的無功將增加35%左右；當供電電壓低于額定電壓時，無功功率也隨之減少，從而造成他們的功率因數(shù)相應(yīng)提高。但供電電壓降低會對電氣設(shè)備的正常運行造成一定影響，故應(yīng)當采取措施是電力系統(tǒng)的供電電壓保持在額定電壓的1倍至1.05倍之間，并盡可能的穩(wěn)定。1.1.3電網(wǎng)頻率的波動頻率的波動也會對電力系統(tǒng)的功率因數(shù)產(chǎn)生重要影響。電網(wǎng)頻率的波動會使電路中的感性、容性阻抗的阻值不穩(wěn)定，從而會對變壓器與異步電動機的無功功率產(chǎn)生影響。因此，在供配電過程中不僅供電電壓的幅值要保持穩(wěn)定，其供電電壓的頻率也要保持穩(wěn)定，從而確保功率因數(shù)更加穩(wěn)定、企業(yè)生產(chǎn)與居民生活用電

6、更加安全與節(jié)能。1.2 提高功率因數(shù)的方法1.2.1 提高自然功率因數(shù)提高自然功率因數(shù)的方法就是指在不加任何補償裝置的前提下，對電力系統(tǒng)采取合理的調(diào)度方式減少供電系統(tǒng)中無功功率的需要量從而提高功率因數(shù)。提高自然功率因數(shù)的方法不會造成額外的費用支出，所以在可以提高自然功率因數(shù)的情況下可以首選這種方法，如果效果不明顯，則可以再使用補償裝置來提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。（1） 正確選用感應(yīng)電動機的容量與型號。感應(yīng)電動機是電網(wǎng)終端十分常見的用電設(shè)備，特別是在工業(yè)企業(yè)中，大型工業(yè)機械使用的數(shù)量比較多，感應(yīng)電動機的效率和功率因數(shù)在負載70%100%運行時較高，其在額定負荷工作時的功率因數(shù)為0.85至0.9，而

7、在空載時的功率因數(shù)只有0.2至0.3。故而感應(yīng)電動機的合理使用也是影響功率因數(shù)較為常見的因素。所以正確選用感應(yīng)電動機型號使其額定容量與它所拖動的負荷相匹配、避免感應(yīng)電動機不合理的運行方式、合理安排和調(diào)整生產(chǎn)的工藝流程進而限制感應(yīng)電動機的空載運行是提高自然功率因數(shù)的重要步驟。在選擇感應(yīng)電動機時，應(yīng)該根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)的實際需求情況合理選擇感應(yīng)電動機的規(guī)格、型號以及容量，在運行過程中，要盡量保證感應(yīng)電動機處于高效運行的狀態(tài)，提高負載率，確保感應(yīng)電動機運行的經(jīng)濟性。特別的，在生產(chǎn)條件允許的情況下，還可以使用同步電動機來代替感應(yīng)異步電動機。此外，還應(yīng)該提高感應(yīng)電動機日常的檢修和維護工作質(zhì)量嚴格按照感應(yīng)電動機

8、的各項額定數(shù)據(jù)進行，提高感應(yīng)電動機的運行質(zhì)量和效率，進而提高其自然功率因數(shù)。（2）合理選擇和使用變壓器。變壓器的實際運行情況是影響功率因數(shù)的另一重要因素，變壓器一次側(cè)的功率因數(shù)不僅與負荷的功率因數(shù)有關(guān)，還和負荷率有著極其重要的關(guān)聯(lián)；當變壓器滿載運行時，一次側(cè)功率因數(shù)僅僅比二次側(cè)降低百分之四左右，若變壓器輕載運行，一次側(cè)功率因數(shù)會顯著下降，比二次側(cè)第百分之十一至百分之十八。變壓器的負荷率在60%以上運行時是變壓器最佳的運行狀態(tài)，經(jīng)濟性較高、功率因數(shù)也較大，一般在70%85%比較合適。所以要根據(jù)用電單位電網(wǎng)的實際運行狀態(tài)，合理選擇變壓器，使變壓器不做或少做輕載運行。但由于生產(chǎn)工廠中變壓器數(shù)量較少，

9、種類不多，不像感應(yīng)電動機那樣容易更換，而且新購買一臺變壓器會投資較多資金，所以只有當負荷率小于30%時（此時功率因數(shù)低，會造成極大的電能浪費）在符合經(jīng)濟性與技術(shù)性的原則下合理更換合適容量的變壓器，提高負荷率進而提高功率因數(shù)，降低電能損耗，提高供配電系統(tǒng)的運行效率。1.2.2 提高功率因數(shù)的補償方法當用戶采用提高用電設(shè)備自然功率因數(shù)的方法、充分發(fā)揮設(shè)備潛力、改良設(shè)備運行性能后還未能達到電力設(shè)計技術(shù)規(guī)范所要求的數(shù)值時，就必須采用專門的無功補償裝置進行人工提高功率因數(shù)。按照補償?shù)臒o功功率的性質(zhì)，又可以分為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)無功功率補償設(shè)備兩大類。（1） 穩(wěn)態(tài)無功功率補償設(shè)備。 穩(wěn)態(tài)無功功率補償設(shè)備主要包含同

10、步調(diào)相機與并聯(lián)電容器。同步調(diào)相機是一種專門用來無功補償?shù)目肇摵蛇\行的同步電動機，通過調(diào)節(jié)它的勵磁電流起到補償系統(tǒng)無功功率的作用；因為其為旋轉(zhuǎn)機械并且安裝運行維修都十分復(fù)雜，故在工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)供配電系統(tǒng)中很少用到。而并聯(lián)電容器則是一種專門用來無功補償?shù)碾娏﹄娙萜鳎蛩韧秸{(diào)相機安裝簡單、運行維護方便，有功功率損耗小、組裝靈活、擴充方便，并且無旋轉(zhuǎn)部分，所以并聯(lián)電容器是工業(yè)企業(yè)目前使用最廣泛的無功補償設(shè)備；但是電容器補償只能有級調(diào)節(jié)，不能隨負荷的變化進行連續(xù)平滑的自動調(diào)節(jié)（2） 動態(tài)無功功率補償設(shè)備。 動態(tài)無功功率補償設(shè)備用于急劇變動的沖擊負荷，如煉鋼電弧爐、軋鋼機等的無功功率補償。其特點是將可控

11、的電抗器與移項電容器并聯(lián)使用，電容器可發(fā)出無功功率，可控電抗器可以吸收無功功率，可按照負荷的變動情況改變無功功率的大小和方向，調(diào)節(jié)或者穩(wěn)定系統(tǒng)的運行電壓，從而使功率因數(shù)保持在要求的水平上。這種動態(tài)補償方式，具有響應(yīng)速度快、平滑調(diào)節(jié)性能好、補償效率高、維修方便及諧波、噪聲、損耗小等特點，尤其適用于沖擊性負荷的無功功率補償，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。2 變電站電壓無功綜合控制策略2.1變電站電壓無功綜合控制策略基本原理2.1.1并聯(lián)電容器提高功率因數(shù)原理上一章節(jié)中提到利用并聯(lián)電容器組進行無功補償從而提高功率因數(shù)的方法，現(xiàn)簡單介紹一下其補償原理。在現(xiàn)行電力系統(tǒng)各類負載中，其中絕大部分是電感性或者電阻

12、性的負載，因此電流IRL將總滯后電壓一個角度。當在如下圖31所示電路中并聯(lián)接人電容器C之后，其總電流變?yōu)镮=IC+IRL，進一步根據(jù)圖32所示的相量圖易得，并聯(lián)電容器C之后U與I之間的夾角變小，由功率因數(shù)的定義我們就可以知道供電回路的功率因數(shù)相應(yīng)提高了。 圖31 圖322.1.2并聯(lián)電容器調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓原理在電力系統(tǒng)供配電線路上，線路電壓降= （式31）當不加無功補償裝置時，線路電壓降1= （式32）在上述格式中，P表示有功功率，Q表示無功功率，R為線路等值電阻、X為線路等值電抗，U代表線路額定電壓。當增加無功補償裝置之后，線路電壓降為 (式33）分析（式32）與（式33）容易得到：U2R、QX

13、PR，故增加無功補償置之后，線路電壓升高量為： （式34）如果補償裝置添加處的母線三相短路容量為，那么,代入（式34）可得： （式35）由上式可見，越大，越小，添加補償裝置的升壓效果越明顯，則相應(yīng)的越大，并且電壓升高量的數(shù)值與負荷的有功功率、無功功率關(guān)系并不緊密。故而在靠近電力系統(tǒng)供配電線路的末端，系統(tǒng)短路容量較小的位置，添加電容器組的升壓效果越明顯。據(jù)研究資料統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當系統(tǒng)電壓每提升1%，可提高0.5%用電效率，增加1.5%的電力設(shè)備容量，減小2%的線路損耗。2.1.3改變變壓器分接頭調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓原理雙繞組或者三繞組變壓器常有若干的分接頭供選擇，即變壓器的變比可以按已定變比自主選擇；故

14、自主的按需求選擇變壓器分接頭也可以實時調(diào)整電壓。2.1.4變電站電壓無功綜合控制策略的地位與分類在現(xiàn)階段的變電站中，普遍存在利用有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)電容器組相結(jié)合進行電壓調(diào)整與無功補償?shù)姆椒ǎ员ＷC的電力系統(tǒng)能夠經(jīng)濟、綠色、安全、穩(wěn)定運行。隨著我國特色社會主義的發(fā)展，綜合國力的不斷提高，建立變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)(VQC)已成為保障變電站輸送高質(zhì)量電壓、平衡無功分布、電網(wǎng)平穩(wěn)運行、用戶用電安全的關(guān)鍵性手段。保證電壓合格、無功平衡、調(diào)節(jié)次數(shù)盡可能少是變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)運行需要滿足的基本原則。因此合理的、完善的控制策略對于變電站甚至整個電網(wǎng)的調(diào)整具有決定性的意義，是變電站電壓無功綜合控

15、制系統(tǒng)的核心部分。變電站電壓無功綜合控制策略經(jīng)過了一個漫長的、不斷完善的過程，現(xiàn)可以將控制策略大致得可以分為單一控制功能的控制策略和綜合控制功能的控制策略兩種；單一控制功能的控制策略又可以分為按電壓控制與按功率因數(shù)控制兩種；綜合控制功能的控制策略可以分為按電壓、時間綜合控制，按電壓、功率因數(shù)綜合控制與按電壓、無功綜合控制三種。其中按電壓、無功綜合控制的變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，“九區(qū)圖”控制策略就是其中發(fā)展最為成熟的控制策略。2.2“九區(qū)圖”控制策略2.2.1九區(qū)圖控制策略原理“九區(qū)圖”控制策略是應(yīng)用到VQC中最經(jīng)典、最成熟、使用時間最長的一種綜合控制策略，通過實時監(jiān)測變壓器低壓

16、側(cè)母線電壓與高壓側(cè)無功功率，并以此作為控制策略啟動參考量，根據(jù)系統(tǒng)工作點在各不同區(qū)域?qū)?yīng)的邏輯關(guān)系，進一步判斷出調(diào)節(jié)指令可以實現(xiàn)無功的實時補償，優(yōu)化無功分布，提高電壓質(zhì)量，降低線路損耗，取得較好的經(jīng)濟效益。目前傳統(tǒng)的“九區(qū)圖”控制策略是按照系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下的極限電壓和無功作為上下限，將在直角坐標系下的電壓、無功平面分為9個不同的區(qū)域。（見下圖33）圖33（圖中U是變壓器低壓側(cè)母線電壓，Q是變壓器高壓側(cè)無功功率）Q低于給定值表示變電站向電網(wǎng)輸送無功，Q高于給定值表示電網(wǎng)無功不足，Q上限與下限之差值必須大于1組電容器容量。變壓器分接頭、補償電容器組的基本調(diào)節(jié)規(guī)律是：變壓器分接頭上調(diào)(或下調(diào))后

17、，U變大(或變小)，進線功率因數(shù)變小(或變大)，但是調(diào)節(jié)變壓器分接頭對無功的分布一般影響不大；投入(或切除)電容器后，Q變小(或變大)，U變大(或變小)，變大(或變小)。其詳細控制策略如下表31：序號電壓情況無功情況控制策略0合格合格不調(diào)整1越上限合格降壓2越上限越上限先切電容，若電壓仍越上限，則降壓3合格越上限切電容4越下限越上限先升電壓，無功仍越上限，切電容5越下限合格升壓6越下限越下限先投電容，若電壓仍越下限，則升壓7合格越下限投電容8越上限越下限先降壓，如無功仍越下限，投電容 表312.2.2“九區(qū)圖”控制策略存在的問題在當前實際變電站電壓無功綜合控制策略中，應(yīng)用最廣泛的當屬傳統(tǒng)“九區(qū)

18、圖”控制策略，按照電壓、無功的上限、下限將運行區(qū)域劃分為形如“井”字的九個區(qū)域，每個區(qū)域?qū)?yīng)著各自的控制策略，根據(jù)變電站實際運行狀態(tài)實時的進行電壓無功調(diào)節(jié)。然而由于“九區(qū)圖”控制策略的調(diào)節(jié)邊界居然與電壓的實時狀態(tài)無關(guān)，故因此就會產(chǎn)生一系列的問題：（1） “九區(qū)圖”控制策略中的電容器組與變壓器分接頭這兩設(shè)備不同的動作順序，將會產(chǎn)生頻繁動作、投切震蕩等影響控制結(jié)果、減少設(shè)備使用年限、電網(wǎng)運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象。（2） 如上圖33所示的2、4、6、8區(qū)，投切電容器組與調(diào)整變壓器分接頭都會起作用，此時難以區(qū)分哪一種操作效果更好。（3） “九區(qū)圖”的控制策略中，當系統(tǒng)運行狀態(tài)進入0區(qū)時控制系統(tǒng)將不再調(diào)整，這時

19、可能會存在極限狀態(tài)，造成電網(wǎng)長時間運行在不合格狀態(tài)的邊緣地帶，不能及時進入最佳運行模式下。（4） “九區(qū)圖”控制策略對電容器組與變壓器分接頭的使用次數(shù)是無上限的，然而實際的電容器組投切次數(shù)與變壓器分接頭的調(diào)整次數(shù)是有嚴格規(guī)定的。3五區(qū)圖控制策略3.1五區(qū)圖控制策略原理傳統(tǒng)“九區(qū)圖”綜合控制策略的控制調(diào)節(jié)原理是將控制目標電壓、無功直接引入控制啟動邊界，將UQ平面劃分出形如“井”字型的九個不同的動作區(qū)域，通過在數(shù)值上大小比較的方式進行操作判斷。然而我們還可以根據(jù)操作動作的不同性質(zhì)，將控制裝置的基本操作動作分為：不動作、升變壓器檔位、降變壓器檔位、投入電容器組、切除電容組這五種不同操作動作。首先通過

20、特定的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集現(xiàn)場的實時運行數(shù)據(jù)，其次根據(jù)提前所給定的控制目標以及各種參數(shù)的約束條件，進一步判斷比較上述五種不同操作動作的控制效果，選擇控制效果最優(yōu)的操作動作，作為當前實際操作動作；這就形成了以控制裝置的基本操作動作為直接控制對象的控制思想。在UQ平面上當前的工作點處，將控制裝置五種基本操作動作矢量化，如圖41所示: 圖41五個基本操作矢量為:0.不動作矢量：；1.升檔矢量：；2.降檔矢量：；3.投電容矢量：；4.切電容矢量：)；從圖41可以看出，除不動作矢量之外，剩余的四種操作動作都改變將電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，使當前工作點M（Q，U）移動。這樣電壓無功綜合控制的問題就可以看成通過判斷選

21、擇最優(yōu)操作動作矢量（i=0，1，2，3，4)作為控制裝置操作動作，使當前工作點M（Q，U）移動到控制目標工作點Mp或者不斷靠近目標工作點Mp。假設(shè)電壓無功控制裝置在執(zhí)行第i號操作動作之后，電力系統(tǒng)的工作點移動到點Mi，現(xiàn)定義此時工作點Mi到給定目標工作點Mp的距離的平方作為操作優(yōu)劣距離，那么操作優(yōu)劣距離。形成以最小作為判斷操作效果優(yōu)劣的唯一依據(jù)的控制思想。 圖42在UQ平面得到如上圖42所示的控制區(qū)域示意圖，該圖仿照“九區(qū)圖”的稱法可稱之為“五區(qū)圖”。通過以上分析，可以將該控制思想總結(jié)為面向五個具體操作動作，在各個操作動作矢量化的基礎(chǔ)上，有針對性的以操作優(yōu)劣距離為判據(jù)來選擇在一定工作條件下的最

22、優(yōu)操作動作。3.2五區(qū)圖控制策略的最優(yōu)電壓、無功啟動值上下限由上文可知：不動作矢量為f0(Q，U)=(Q，U)；降檔矢量為f2(Q，U)=(Q，U-dU)；根據(jù)幾何知識可知，在其分界線上這兩個操作動作的優(yōu)劣距離相等，故L0=L2,在U-Q五區(qū)圖內(nèi)的相量關(guān)系為：（U- UP）2+（Q-QP）2=（U-dU-UP）2+（Q-QP）2 （式39）； 推出降檔動作與不動作界限方程為： U=UP+（1/2）dU （式310）； 圖43根據(jù)線段垂直平分線到線段兩端點距離相等的原理，在上圖43的操作矢量模型可以看出，在理想工作點MP(QP，UP)處，分別執(zhí)行f0、f1操作后的工作點為M0、M1，到M0、M1

23、兩點距離相等的點的集合是M0、M1的垂直平分線，可以發(fā)現(xiàn)，在該垂直平分線上的任一點執(zhí)行f0、f2操作后的工作點到理想工作點的優(yōu)劣距離相同，因此該垂直平分線為f0、f2操作的分界線，其方程為：U=UP+（1/2）dU （式310），與前述計算推出的邊界方程相同。同理M0M2的垂直平分線對應(yīng)f0、f1操作的邊界，M0M3垂直平分線對應(yīng)f0、f4操作的邊界，M0M4的垂直平分線對應(yīng)f0、f3操作的邊界。以上確定的是不動作矢量f0與其它操作矢量的邊界，相對比較直觀，容易理解，在U-Q平面上也很容易看出，下面討論其它操作矢量之間的邊界確定。降檔矢量：f2(Q，U)=(Q，U-dU)；切C矢量：f4(Q，

24、U)=(Q+Qc，U-Uc)；這兩個操作動作矢量的分界線上操作優(yōu)劣距離也應(yīng)相等，即:L2=L4（U-UC-UP）2+（Q+QC-QP）2=（U-dU-UP）2+（Q-QP）2 （式311）；推出降檔動作與切電容器動作界限方程:U=UP+（dU2-（QC+UC）2+2QCQP）/2（dU-UC）-QCQ/（dU-UC） （式312）；在M1M3的垂直平分線上的任意工作點M(Q，U)，執(zhí)行f2、f4操作后的優(yōu)劣距離MiMP，與工作點M(Q，U)到M1、M3端點的距離分別相等，而MM1=MM3，所以M1M3的垂直平分線對應(yīng)操作的邊界，如圖一所示。研究發(fā)現(xiàn)該垂直平分線在U-Q平面內(nèi)的方程恰為此公式，這

25、就從解析幾何的角度證明了M1M3的垂直平分線為f2、4f動作區(qū)間的邊界。同理M2M4的垂直平分線對應(yīng)f1、f3操作的邊界，M2M3的垂直平分線對應(yīng)f1、f4操作的邊界，M1M4的垂直平分線對應(yīng)f2、f3操作的邊界。從圖中還可以看出，交點B為五區(qū)圖中的三種操作動作：不動作矢量、降分接頭矢量、切電容器矢量的邊界點，所以當系統(tǒng)工作在此點上時執(zhí)行不動作矢量、降分接頭矢量、切電容器矢量優(yōu)劣距離均相等。同理當系統(tǒng)運行在交點A、C、D處時，理論上都可以采取三種不同的操作動作，得到的邊界公式具體如下：（1）升檔動作與不動作界限：LCD:U=UP-（1/2）dU（2）降檔動作與不動作界限：LAB:U=UP+（1

26、/2）dU（3）投C動作與不動作界限:LAD:U=UP-（QC+UC+2QCQP）/2UC+QCQ/UC（4）切C動作與不動作界限:LAD:U=UP+（QC+UC+2QCQP）/2UC+QCQ/UC（5）升檔動作與投C動作界限:LD:U=UP+（QC2+UC2）-dU2+2QCQP/2（dU-UC）-QCQ/（dU-UC）（6）降檔動作與投C動作界限:LA:U=UP+dU2-（QC2+UC2）-2QCQP/2（dU+UC）+QCQ/（dU+UC）（7）降檔動作與切C動作界限:LB:U=UP+dU2-（QC2+UC2）+2QCQP/2（dU-UC）-QCQ/（dU-UC）（8）升檔動作與切C動作

27、界限:LC:U=UP+（QC2+UC2）-dU2-2QCQP/2（dU+UC）+QCQ/（dU+UC）分析以上各邊界公式并結(jié)合“五區(qū)圖”可以發(fā)現(xiàn)，“五區(qū)圖”的邊界特性與幾個重要的參數(shù)dU、QC、UC等有著密切的關(guān)系：（1）0區(qū)的邊界分別與f0、f1、f2、f3、f4矢量垂直。（2）0區(qū)的高度為:：H0=dU；0區(qū)的寬度為：W0=（QC2+UC2）/QC=QC/cos2，值越小，QC越大，則0區(qū)寬度越大。（3）若UCdU，則1區(qū)4區(qū)的邊界線的斜率可近似的取為：KA=-KB=KC=-KD=QC/dU隨著斜率的增大，“五區(qū)圖”的四條邊界臂就會向豎直中軸線收攏，即1區(qū)和2區(qū)的面積相對縮小，系統(tǒng)更多的采

28、取對電容器的操作。（4）若UC與dU比較不可忽略，則UC越大，“五區(qū)圖”的4條邊界臂就會向順時針方向旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的14區(qū)的區(qū)域分布也會圍繞0區(qū)向順時針方向旋轉(zhuǎn)；反之亦然。（5） 若UC趨向于0，則0區(qū)的輪廓會更趨向于矩形，“五區(qū)圖”就更趨向于“九區(qū)圖”的圖形樣式，可以認為“九區(qū)圖”是“五區(qū)圖”的一種極限形式。可見，參數(shù)dU、QC、UC決定了“五區(qū)圖”的邊界特性，通過適當設(shè)置不僅改變了“五區(qū)圖”的圖形，也可以改變相應(yīng)的控制步長，適應(yīng)現(xiàn)場不同的控制要求。3.3“五區(qū)圖”控制策略存在的問題與改進方案3.3.1“五區(qū)圖”控制策略存在的問題（1） 由“五區(qū)圖”控制策略原理與控制邊界可知，“五區(qū)圖”的最佳控

29、制目標不能只是一個工作點，而應(yīng)該選擇一個區(qū)域作為最佳控制目標。（2） “五區(qū)圖”控制策略的最佳目標區(qū)域在控制系統(tǒng)的非啟動區(qū)域內(nèi)；只能實現(xiàn)局部優(yōu)化卻很難實現(xiàn)全區(qū)域系統(tǒng)一體控制。（3） 五區(qū)圖控制策略理論比較先進，但還有待實踐檢驗。3.3.2改進方案鑒于“九區(qū)圖”與“五區(qū)圖”控制策略都具有各自的優(yōu)缺點，現(xiàn)將“九區(qū)圖”和“五區(qū)圖”相結(jié)合、取長補短，形成更加優(yōu)良的、不局限于就地控制、實現(xiàn)全局優(yōu)化、集中控制與分散控制相結(jié)合的綜合控制系統(tǒng)。“九區(qū)圖”控制策略的操作啟動值來源于全網(wǎng)最優(yōu)無功電壓整定，即當工作點不再最優(yōu)控制區(qū)域內(nèi)時，將啟動控制策略判斷最優(yōu)操作，進一步選取適宜當前狀態(tài)的操作動作?！拔鍏^(qū)圖”控制策

30、略僅對有越限的變電站進行調(diào)控，這樣不僅可以減少電壓無功控制系統(tǒng)裝置的頻繁操作，又可以保證整個電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量和無功功率的最優(yōu)分布。然而在實際變電站中該控制方法應(yīng)用的比較少，實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗較少，具體實施方案與理論還有待改進和研究。4 變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)具體設(shè)計方案 現(xiàn)以某地110kV變電站為研究對象進行變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計，該變電站有兩臺容量為3.15MVA的三繞組有載調(diào)壓變壓器（110kV35kV10kV）。4.1電壓無功綜合自動調(diào)節(jié)的實現(xiàn)方法4.1.1采用硬件裝置可以對變壓器低壓側(cè)、高壓側(cè)母線電力參數(shù)和補償電容器組參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，通過邏輯運算判斷選擇操作動作，控制變壓

31、器分接頭、電容器組投切來實現(xiàn)變電站電壓無功自動調(diào)整，以保證變電站輸送的電壓在規(guī)定的范圍之內(nèi)、系統(tǒng)功率因數(shù)盡可能高、線路損耗盡可能少的一種裝置。4.1.2使用軟件VQC在現(xiàn)場的監(jiān)控主機上利用現(xiàn)有的遙測信息，用軟件模塊控制操作動作的方法實現(xiàn)變電站電壓無功的自動調(diào)控，在將來有望通過該方法建成由電網(wǎng)調(diào)度中心統(tǒng)一指揮的全系統(tǒng)電壓無功的實時自動控制系統(tǒng)。4.2控制系統(tǒng)主電路與電壓無功綜合控制裝置原理圖的設(shè)計變電站電壓無功綜合控制系統(tǒng)的主設(shè)備是電容器組，并且還須需要裝配控制系統(tǒng)所必要的開關(guān)和各類保護設(shè)備。設(shè)備主接線圖如下。 設(shè)備主接線圖4.2.1補償電容器組投切量的計算考慮到在無功補償之后，系統(tǒng)功率因數(shù)可能

32、會發(fā)生滯后或超前的情況，當發(fā)生滯后或超前的情況后，就需要系統(tǒng)再次進行調(diào)整（投入或者切除電容器組）；但不論是需要投入電容器組亦或是切除電容器組，都需要事先計算出投切電容器組容量。系統(tǒng)功率因數(shù)滯后時的功率相量圖如圖51所示，圖中為數(shù)據(jù)采集裝置檢測到的功率因數(shù)實時值，、則分別為功率因數(shù)整定值的上限、下限。由于無功補償之后對系統(tǒng)的有功功率并無影響，所以當進行無功補償時，功率因數(shù)的補償軌跡則為一條與P垂直的直線，如圖51中的虛線所示。如若使功率因數(shù)合格，那么則需要補償后的大于整定值的下限cos2，故需要投入的最小補償容量應(yīng)為 （式51）其中 圖51 圖52系統(tǒng)功率因數(shù)超前時的功率相量圖如圖52所示，圖中

33、仍為數(shù)據(jù)采集裝置檢測到的功率因數(shù)實時值（當功率因數(shù)超前時為負，滯后時為正），、仍分別為功率因數(shù)整定值的上限、下限。那么此時所需切除的電容器組最小容量應(yīng)為 （式52）通過上述（式51）（式52）就可以求出所需投入或切除的電容器組容量，然后根據(jù)控制裝置實際所配備的電容器組配置情況，就可以選出最接近計算投切量的電容器組投切組數(shù)進行投切。若取變電站供電的月最大有功計算負載為，月平均負載系數(shù)為av（一般取O.70.8）；補償前的功率因數(shù)角為1（可取最大負載時的值）；補償后的功率因數(shù)角為2（可參照電力部門要求確定），那么總補償容量可由： （式53）求得。4.2.2電容器分組一定容量的電容器應(yīng)該進行適當分組

34、，這樣可以做到電容器的分級投切，使無功補償適應(yīng)系統(tǒng)運行的不同情況，當無功負荷較低時少投入電容器，當無功負荷較大時，多投入電容器。本設(shè)計根據(jù)變電站擁有兩臺315MVA的變壓器的實際情況，根據(jù)式(43)計算，并依據(jù)電容補償量的配置要求，補償電容器的容量應(yīng)達到主變?nèi)萘康?030，因此取為12000kVar，20只lOkV三相電容器分成8組，每段母線上4組，分別為：I、II段各4組：第一組4600kvar第二組2600kVar第三組2600kVar第四組2600kVar第一組總?cè)萘繛?400kVar，第二組總?cè)萘繛?200kvar，第三組總?cè)萘繛?200kVar，第四組總?cè)萘繛?200kVar，按循環(huán)投切方式每段母線可以產(chǎn)生如下7種容量組合：第一種1200kVar(只投第二組)第二種2400kVar(只投第一組)第三種3600kVar(投第一、第三組)第四種2400kVar(投第二、第四組)第五種3600kvar(投第二、第三、第四組)第六種4800kvar(投第一、第三、第四組)第七種6000kvar(四組全投)。4.2.3投切方式與開關(guān)選擇運行中的電容器當其斷路器開斷時，因為初期的恢復(fù)電壓很小，所以電流開斷比較容易，觸頭稍一打開，電極間的電弧