淺析電壓穩(wěn)定與無功補(bǔ)償

淺析電壓穩(wěn)定與無功補(bǔ)償

0電壓有效部位電氣系統(tǒng)電壓穩(wěn)定是指系統(tǒng)干擾后，在系統(tǒng)特征和負(fù)荷特征的共同作用下，維護(hù)點(diǎn)負(fù)荷點(diǎn)的電壓，并以在平衡點(diǎn)附近運(yùn)行的能力。研究表明:電壓及其穩(wěn)定與無功功率是密不可分的。一般地,對(duì)應(yīng)于有功功率恒定時(shí)的電壓(無功功率特性),dQr/dV=0就是系統(tǒng)電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)或電壓失穩(wěn)點(diǎn),當(dāng)dQr/dV<0時(shí),系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。電壓崩潰是電力系統(tǒng)負(fù)荷點(diǎn)電壓失去穩(wěn)定后急劇下降的結(jié)果或過程,電壓崩潰是指系統(tǒng)在某個(gè)全局性的(如故障、失去較大電源)或局部的擾動(dòng)作用下,出現(xiàn)系統(tǒng)電壓在短時(shí)間內(nèi)持續(xù)、不可逆轉(zhuǎn)的下降,最終導(dǎo)致大面積停電,系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞。電壓崩潰可以是全局的,也可以是局部的,系統(tǒng)電壓失穩(wěn)后可能導(dǎo)致電壓崩潰,但電壓崩潰不是電壓失穩(wěn)的唯一終極結(jié)果,電壓失穩(wěn)后是否發(fā)生電壓崩潰,關(guān)鍵取決于負(fù)荷的電壓特性。隨著大容量電動(dòng)機(jī)和其它感性負(fù)載的使用,電力系統(tǒng)的無功功率的研究呈現(xiàn)三個(gè)新特點(diǎn):(1)無功功率需求量有較大的增加;(2)無功功率的波動(dòng)較大;(3)無功問題常常伴隨諧波問題出現(xiàn)。無功功率的缺乏不僅會(huì)引起電壓下降,而且還會(huì)影響到電壓穩(wěn)定,甚至?xí)痣妷罕罎?國(guó)際與國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的幾次大面積停電事故,要么是無功問題直接引起電壓崩潰,要么是在停電中伴隨著電壓崩潰問題。說明現(xiàn)在電力系統(tǒng)中的電壓與無功問題變得愈來愈嚴(yán)重與復(fù)雜,有必要對(duì)其進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析與研究。1暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題電壓穩(wěn)定性研究按采用的模型可劃分為兩大類別,一類是基于潮流方程的靜態(tài)研究,另一類是基于微分方程的動(dòng)態(tài)研究。電力系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,系統(tǒng)中所有的動(dòng)態(tài)元件都對(duì)電壓穩(wěn)定有著重要影響。電壓穩(wěn)定的研究一般通過電壓失穩(wěn)不同的表現(xiàn)形式進(jìn)行分析:(1)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題,負(fù)荷的緩慢增加導(dǎo)致負(fù)荷端母線電壓緩慢下降。在到達(dá)電力系統(tǒng)承受負(fù)荷增加能力的臨界值或接近臨界值時(shí),任何使系統(tǒng)狀態(tài)越出臨界值的擾動(dòng),如負(fù)荷的繼續(xù)增加、系統(tǒng)故障或系統(tǒng)運(yùn)行的正常操作都將使負(fù)荷母線電壓發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的突然下降,這種特點(diǎn)的電壓穩(wěn)定喪失是不易被運(yùn)行人員覺察的。(2)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定問題,電力系統(tǒng)發(fā)生故障后,為保證其功角暫態(tài)穩(wěn)定及維持系統(tǒng)頻率,除了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)操作外,也可進(jìn)行自動(dòng)切機(jī)切負(fù)荷等操作,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得脆弱或全系統(tǒng)電源支持負(fù)荷的能力變脆弱,緩慢的負(fù)荷恢復(fù)過程可能導(dǎo)致電壓失穩(wěn)。(3)暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題,在電力系統(tǒng)發(fā)生故障或其他類型的大擾動(dòng)后,在伴隨系統(tǒng)處理事故的過程中,發(fā)電機(jī)之間相對(duì)搖擺且某些負(fù)荷母線電壓發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的突然下降,而此時(shí)發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)搖擺可能并未超出使電力系統(tǒng)功角失穩(wěn)的程度。自從電壓穩(wěn)定問題受到重視以來,電壓崩潰現(xiàn)象的機(jī)理探討一直很活躍,提出了各種各樣的解釋。目前對(duì)電壓崩潰機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍存在著巨大的差異,現(xiàn)階段對(duì)于電壓崩潰現(xiàn)象的物理解釋主要有P-U曲線解釋、無功功率平衡解釋、有載調(diào)壓開關(guān)OLTC負(fù)調(diào)壓作用解釋和同步電機(jī)解釋等。無功功率解釋表明:在電力系統(tǒng)中電壓水平的高低主要受無功功率的影響。把電壓崩潰與某種形式的無功功率的不平衡聯(lián)系起來,這類觀點(diǎn)的典型代表便是傳統(tǒng)的dΔQ/dU判據(jù),這是一種經(jīng)典的直觀物理解釋。在dΔQ/dU中,ΔQ=QG-QL,該判據(jù)的意義是:當(dāng)電力系統(tǒng)某一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)無功功率不平衡量對(duì)該節(jié)點(diǎn)電壓的導(dǎo)數(shù)小于0時(shí),該節(jié)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定的;大于0時(shí)則是電壓不穩(wěn)定的;等于0的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)。設(shè)討論的為某一系統(tǒng)中的一個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn),如圖1所示,給出了向這點(diǎn)供電的電源的無功功率靜態(tài)電壓特性曲線QG和負(fù)荷的無功功率靜態(tài)電壓特性曲線QL。正常運(yùn)行時(shí),該節(jié)點(diǎn)輸入、輸出的無功功率必須平衡,即必須運(yùn)行于QG和QL的交點(diǎn)。但是這樣的交點(diǎn)有兩個(gè),系統(tǒng)在這兩點(diǎn)是否都能穩(wěn)定可行可以用小干擾法來加以分析。1)在點(diǎn)1運(yùn)行時(shí),如果一個(gè)微小的擾動(dòng)使該節(jié)點(diǎn)的電壓略微下降,則負(fù)荷需要的無功功率將改變到與1″對(duì)應(yīng)的值,電源供應(yīng)的無功功率將改變到與1′對(duì)應(yīng)的值,該節(jié)點(diǎn)無功功率將有過剩,電源向該節(jié)點(diǎn)輸送的無功功率將減少,網(wǎng)絡(luò)中的電壓降落也將相應(yīng)減少,該節(jié)點(diǎn)電壓又恢復(fù)到初始值。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)微小的擾動(dòng)使該節(jié)點(diǎn)電壓上升一個(gè)微量ΔU>0時(shí),則該節(jié)點(diǎn)無功功率將有缺額,迫使電源多送無功功率,網(wǎng)絡(luò)中的電壓損耗也相應(yīng)增大,導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)電壓下降而恢復(fù)到原始值。所以,在點(diǎn)1運(yùn)行時(shí)電壓是靜態(tài)穩(wěn)定的。2)在點(diǎn)2運(yùn)行時(shí)的情況不同,用相似的方法可以得出點(diǎn)2電壓不穩(wěn)定的結(jié)論。在點(diǎn)1運(yùn)行時(shí)電壓處于較高水平而dΔQ/dU<0;在點(diǎn)2運(yùn)行時(shí)電壓處于較低水平而dΔQ/dU>0,所以合乎邏輯的結(jié)論便是上面介紹的dΔQ/dU判據(jù)。2預(yù)防電壓不穩(wěn)與電壓消失的措施目前普遍認(rèn)為,加強(qiáng)無功備用,提高緊急狀態(tài)下的無功應(yīng)變能力,防止無功功率的遠(yuǎn)距離傳輸,緊急切負(fù)荷,閉鎖甚至反調(diào)OLTC是預(yù)防電壓不穩(wěn)與電壓崩潰的有效措施。下面列出的是改善無功功率分布的主要方法。2.1根據(jù)發(fā)電機(jī)的作用擴(kuò)大發(fā)電機(jī)的相位滯后和相位超前的容量,使電源的接入能夠加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)而不是削弱。充分考慮發(fā)電機(jī)組的作用,即在系統(tǒng)出現(xiàn)電壓嚴(yán)重下降的情況下,保持盡可能多的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行極為重要。發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)的過負(fù)荷能力可以延緩電壓崩潰的時(shí)間,裝設(shè)足夠的無功補(bǔ)償設(shè)備同樣是保持各區(qū)域的無功功率供需平衡的直接有效措施。2.2基于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)淖罴汛胧┎捎枚嗷芈返妮旊娋€路和環(huán)形系統(tǒng),提高輸電系統(tǒng)電壓等級(jí),加強(qiáng)受端電網(wǎng)的電源支撐。在受端接入調(diào)相機(jī)和其它無功補(bǔ)償裝置,形成潮流減少的趨勢(shì),改善受端的電壓、潮流特性,提高受端電壓恒定的能力。1)串聯(lián)電容器:使用串聯(lián)電容器可有效地減少線路電抗,從而降低凈無功網(wǎng)損。基于這一措施,線路可以從其一端的強(qiáng)系統(tǒng)向其另一端的無功短缺的系統(tǒng)傳送更多的無功功率。2)并聯(lián)電容器:雖然并聯(lián)電容器的過分使用可能是電壓不穩(wěn)定問題的原因之一,但是有時(shí)附加的電容器也能解決電壓不穩(wěn)定問題,因?yàn)榇藭r(shí)可以在發(fā)電機(jī)中預(yù)留出“旋轉(zhuǎn)無功儲(chǔ)備”。通常,所要求的無功功率大多是就地提供的,而發(fā)電機(jī)主要提供有功功率。3)靜止無功補(bǔ)償器SVC與靜止無功發(fā)生器SVG:SVC、SVG等動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置可解決動(dòng)態(tài)情況下的無功快速跟蹤補(bǔ)償問題,并且與同步補(bǔ)償機(jī)等配合使用對(duì)控制電壓和防止電壓崩潰也是有效的。但必須認(rèn)識(shí)到動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置有很確定的極限,當(dāng)一個(gè)超過了規(guī)劃準(zhǔn)則的擾動(dòng)使其達(dá)到極限值時(shí),系統(tǒng)中的電壓崩潰會(huì)與其有很大的關(guān)系。2.3降壓降壓技術(shù)在較高電壓下運(yùn)行可減少系統(tǒng)的無功需求,因?yàn)樗拱l(fā)電機(jī)運(yùn)行在遠(yuǎn)離無功極限的地方,因此,幫助運(yùn)行人員預(yù)留了對(duì)電壓的控制。低電壓甩負(fù)荷可以減少一定的負(fù)荷,進(jìn)而避免電壓崩潰。在輻射狀負(fù)荷的場(chǎng)合下,甩負(fù)荷應(yīng)該基于一次側(cè)電壓。在靜態(tài)穩(wěn)定中,甩掉受端系統(tǒng)中的負(fù)荷將是最有效的。另外,采用低功率因數(shù)發(fā)電機(jī)也是一種有效的技術(shù)措施。在無功短缺地區(qū)或靠近偶爾需要大的無功儲(chǔ)備地區(qū)時(shí),采用功率因數(shù)為0.85或0.8的發(fā)電機(jī),進(jìn)一步采用具有無功過負(fù)荷能力的高功率因數(shù)發(fā)電機(jī)加并聯(lián)電容器組,可能更靈活、更經(jīng)濟(jì)。3柔性配電設(shè)備電網(wǎng)中廣泛使用的無功補(bǔ)償方式是固定電容器補(bǔ)償,但是現(xiàn)在由于負(fù)荷的構(gòu)成發(fā)生了變化,傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式已不能適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求,而基于電力電子元器件構(gòu)成的SVC、SVG等柔性輸配電設(shè)備則能很好地對(duì)無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,進(jìn)而穩(wěn)定電壓水平和抑制高次諧波。3.1tcr型無功補(bǔ)償裝置SVC裝置是一種快速調(diào)節(jié)無功功率的裝置,它可使所需無功功率作隨機(jī)調(diào)整,從而保持在沖擊性負(fù)荷連接點(diǎn)的系統(tǒng)電壓水平的恒定。它可有效抑制沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)和閃變、高次諧波,提高功率因數(shù),還可實(shí)現(xiàn)按各相的無功功率快速補(bǔ)償調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)三相無功功率平衡,使負(fù)荷處于穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行狀態(tài)。SVC由可控支路和固定(或可變)電容器支路并聯(lián)而成,主要有四種類型,即可控硅閥控制空芯電抗器型(TCR型)、可控硅開關(guān)控制電容器型(TSC型)、自飽和電抗器型(SR型)和可控硅閥控制高阻抗變壓器型(TCT型),其中TCR型具有反應(yīng)時(shí)間快(5~20ms)、運(yùn)行可靠、無級(jí)補(bǔ)償、分相調(diào)節(jié),能平衡有功、適用范圍廣、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。TCR裝置還能實(shí)現(xiàn)分相控制,有較好的抑制不對(duì)稱負(fù)荷的能力,因而其應(yīng)用最廣,使用例子最多。其基本的無功平衡原理如下。TCR型補(bǔ)償裝置典型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,在實(shí)際應(yīng)用中,一般由TCR和若干組不可控電容器FC(濾波器)并聯(lián)而成。通過控制與電抗器串聯(lián)的雙向晶閘管的導(dǎo)通角,既可以向系統(tǒng)輸送感性無功電流,又可以向系統(tǒng)輸送容性無功電流。由于TCR的基波等效電納為:式中:α—晶閘管觸發(fā)延遲角;L—電抗器電感;ω—系統(tǒng)基波角頻率。因TCR與FC并聯(lián),則整個(gè)SVC的等效電納為:從式(2)可以看出,SVC的等效電納也是晶閘管觸發(fā)延遲角α的連續(xù)函數(shù),通過改變晶閘管的觸發(fā)延遲角,就可以連續(xù)改變SVC的等效電納。TCR型和TSC型補(bǔ)償器都能有效的補(bǔ)償系統(tǒng)中的無功電流,但各有自己的缺點(diǎn),TCR型補(bǔ)償器容易產(chǎn)生諧波,而TSC型補(bǔ)償器對(duì)于沖擊性負(fù)荷引起的電壓閃變不能進(jìn)行很好的抑制。二者的缺點(diǎn)正是對(duì)方的優(yōu)點(diǎn),所以TCR+TSC型補(bǔ)償器應(yīng)運(yùn)而生。由TCR提供可調(diào)的感性無功功率,FC提供容性無功功率,同時(shí)作為5、7次諧波的濾波器,當(dāng)FC提供的容性無功功率不足時(shí),TSC投入運(yùn)行。所有形式的SVC都屬于并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置,補(bǔ)償原理都是通過控制晶閘管的觸發(fā)角,改變接入電網(wǎng)中的等效電納,而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出無功目的。但這些SVC設(shè)備之所以能產(chǎn)生感性無功功率,依靠的是其中的電容器,這就導(dǎo)致SVC與靜電電容器補(bǔ)償裝置有著同樣不可彌補(bǔ)的障礙,即當(dāng)電壓水平過于低下,急需無功補(bǔ)償時(shí),補(bǔ)償器的輸出反而會(huì)減少。3.2svd的工作原理由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,使用大功率可關(guān)斷晶閘管(GTO)器件代替普通的晶閘管構(gòu)成的無功補(bǔ)償器已開始進(jìn)入實(shí)用階段。這種裝置稱為靜止無功發(fā)生器(StaticVarGenerator,簡(jiǎn)稱SVG)。SVG可以分為電壓型和電流型兩種類型,直流側(cè)分別采用電容和電感作為儲(chǔ)能元件。實(shí)際上,由于運(yùn)行效率的原因,迄今投入實(shí)用的SVG大都采用電壓型橋式電路,如圖3所示,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量損耗小、成本低且易于控制,因此,SVG往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或直接并聯(lián)到電網(wǎng)上,適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位,或直接控制其交流側(cè)就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。典型的電壓型SVG的工作原理:以二極管構(gòu)成的整流橋從交流系統(tǒng)吸取少量有功功率,對(duì)直流電容C充電,保持電壓穩(wěn)定?？刂破鞲鶕?jù)電網(wǎng)無功變化情況,通過6個(gè)全控型開關(guān)器件構(gòu)成的三相逆變器向系統(tǒng)輸入感性或容性無功。SVG向系統(tǒng)注入的無功功率可表示為:式中:VS—系統(tǒng)電壓;RS—逆變橋的等效電阻;δ—SVG輸出電壓與VS的夾角。由式(3)可知,通過調(diào)節(jié)δ的大小,就可以控制SVG注入系統(tǒng)的無功功率。由于RS很小,所以調(diào)節(jié)范圍非常大。如果多臺(tái)SVG并聯(lián)移相輸出,則既可加大補(bǔ)償容量,又能抑制裝置本身的諧波電流。3.3橋式交流電路與SVC相比,SVG還具有一些突出優(yōu)勢(shì):(1)諧波量小:在多種型式的SVC裝置中,SVC本身產(chǎn)生一定量的諧波,如TCR型的5、7次特征次諧波量比較大,占基波值的5%~8%,給SVC系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)帶來困難。而在SVG中則完全可以采用橋式交流電路的多重化技術(shù)、多電平技術(shù)或PWM技術(shù)來進(jìn)行處理,以消除次數(shù)較低的諧波。(2)連接電抗小:SVG接入電網(wǎng)的連接電抗,其作用是濾除電流中可能存在的較高次諧波,另外起到將變流器和電網(wǎng)這兩個(gè)交流電壓源連接起來的作用,因此所需的電感值并不大,也遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量相同的TCR等SVC裝置所需的電感量。此外,對(duì)于那些以輸電補(bǔ)償為目的的SVG來講,如果直流側(cè)采用較大的儲(chǔ)能電容,則SVG還可以在必要時(shí)短時(shí)間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定數(shù)量的有功功率,這對(duì)于電力網(wǎng)來說是非常有益的,這是SVC裝置所不能比擬的。(3)可控性能好、調(diào)節(jié)速度更快:其電壓幅值和相位的快速調(diào)節(jié)典型值為幾個(gè)毫秒。它的端電壓對(duì)外部系統(tǒng)的運(yùn)行條件和結(jié)構(gòu)變化不敏感。因此,SVG不僅可以得到較好的靜態(tài)穩(wěn)定性能,而且可得到較好的大干擾故障下的暫態(tài)穩(wěn)定性能。4svc運(yùn)作原理電壓崩潰的物理實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)已不能維持其送達(dá)負(fù)荷的功率與負(fù)荷所要求吸收的功率之間的平衡,即系統(tǒng)根本喪失了平衡點(diǎn)。電壓穩(wěn)定及電壓崩潰與無功功率的平衡是密不可分的,所以分析電壓穩(wěn)定和無功功率的補(bǔ)償有實(shí)際意義。通過分析可知,電壓和無功功率呈現(xiàn)了無功功率需求量大