电压稳定与无功优化

电压稳定性与电压/无功优化控制电气信息学院李华强主要内容第一章、电压稳定基本理论；第二章、电压稳定指标与评估算法；第三章、电压稳定分析与控制的主要应用。第四章、无功/电压系统的分析、优化与控制。第一章：电压稳定基本理论1.1电压水平与无功功率；1.2物理现象的描述和电压失稳机理；1.3分岔理论；1.1电压水平与无功功率一．有功、无功功率对电压水平的影响222UXQRPU222URQXPU22222222PRQXPXQRVVVV高压输电网络中R＜＜X电压降落的纵分量是因传送无功功率而产生，电压降落的横分量则因传送有功功率产生。电压稳定主要与无功功率相关；角度稳定主要与有功功率相关。二、负荷功率与电压水平1、负荷的电压静态特性:负荷的电压静态特性是指电压缓慢变化时负荷功率的变化特性，即负荷的功率与其端电压的关系。有功功率电压静态特性;无功功率电压静态特性。二、负荷功率与电压水平异步电动机的无功电压静态特性1.00.80.60.80.6QVabca:满负荷b:75％负荷c:50％负荷在额定电压附近，无功与电压的变化趋势相同；在秒级时间内恢复负荷；功率因数低，无功需求大；电压低或机械负荷增大时易于失速停转。二、负荷功率与电压水平变压器的无功电压静态特性R+jXG+jBVS220220100%100%VVSSVSIXVSBVQQQNNkNTT当电压下降时，无功损耗增加二、负荷功率与电压水平2、电压水平：要维持整个系统的电压水平，就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿无功功率的损耗。三．电压控制1、调压措施：发电机调压；同步调相机调压；利用变压器分接头调压；静电电容器调压；静止无功补偿器（SVC）调压；串联补偿调压；切去部分负荷调压；改变电网无功功率分布调压。三．电压控制2、各种调压方法的比较和应用：发电机调压:是电网中调整运行电压的重要设备。发电机不仅是有功电源，也是无功电源，有些发电机还能通过进相运行吸收无功功率，所以可用调整发电机端电压的方式进行调压。这是一种充分利用发电机设备，不需要额外投资的调压手段。如果发电机有充足的无功备用，通过调节励磁电流增大发电机电势，可以从整体上提高电网的电压水平，提高电压的稳定性。非额定功率因数下运行时可能发出的有功功率P和无功功率Q要受定子电流额定值（额定视在功率）、转子电流额定值（空载电势）、原动机出力（额定有功功率）的限制。静电电容器调压(3-46)：它是通过并联电容器向系统供给感性无功功率来实现调压。不断增加的并联补偿下的PV曲线当负荷增长时可以通过并联电容补偿的增加来满足电压安全约束。但是，当增加到一定程度时，系统显示出病态。利用变压器分接头调压：调整变压器分接头挡位可改善局部地区电压。有载调压变压器可以在带负荷的条件下切换分接头，而且调节范围也比较大。这样可以根据不同的负荷大小来选择各自合适的分接头，能缩小电压的变化幅度，也能改变电压变化的趋势。但在实际系统的运行中，由于负荷的峰谷差较大，可能要频繁调整分接头，这会引起电压的波动。如果系统的无功不足，那么当某一地区的电压由于变压器分接头的改变而升高后，该地区所需的无功功率也增大了，这就可能扩大系统的无功缺额。从而导致整个系统的电压水平更加下降，严重的还会产生电压崩溃。串联补偿(3-51)：采用串联电容器补偿线路的部分串联阻抗，从而降低传送功率时的无功损耗，并使电压损耗中的QX/V分量减小，提高线路末端电压。由于串联电容器提供的无功功率不受节点电压的影响，因此它对于电压稳定性的提高有良好的作用。另外，它还可以提高网络的功率传输能力进而提高系统的静稳极限。早期用固定串联补偿器提高线路输送容量，现在晶闸管可控串联补偿器（TCSC）是主要的FACTS装置。静止无功补偿器（SVC－StaticVarCompensator）调压(3-48)：是一种广泛使用的快速响应无功功率补偿和电压调节设备，对于支持系统电压和防止电压崩溃，是一种强有力的措施。SVC它是可控硅控制/投切的电抗器和可控硅投切的电容器，或者它们组合而成的控制器的统称。它由电容器组与可调电抗器组成，通过向系统提供或吸取无功功率进行调压。可以进行连续调节。SVC种类：可控硅控制电抗器型（TCR：ThyristorControlledReactor）：可控硅控制的电抗器，是一种并联联接的可控硅控制的电感，其有效电抗可通过对可控硅阀的部分导通控制进行连续调节。TCR中电抗的电流可以通过控制晶闸管的触发角α连续调节。α＝0时，可控硅阀完全导通，电流达到最大值；α＝90°时，可控硅阀完全关断，电流为零。可控硅投切电容器型（TSC：ThyristorSwitchedCapacitor）：可控硅投切的电容器，是一种并联联接的可控硅投切的电容，其有效电抗以阶梯方式变化，可控硅阀的操作方式为完全导通或完全关断。也就是说，电容器要么接入系统，要么退出系统。可控硅投切电容器－可控硅控制电抗器型（TSC-TCR：ThyristorSwitchedCapacitor－ThyristorControlledReactor）可控硅投切的电容器－可控硅控制的电抗器。一般情况下，TSC-TCR由多个TSC支路和一个TCR支路并联组成。TCR支路由电抗器与两个背靠背连接的晶闸管相串联构成。通过控制晶闸管的触发延迟角改变TCR的等值电抗。即可以调节电感电流的大小。TSC由电容器与两个反向并联的晶闸管串联构成。TSC中通过对阀的控制使电容器只有两种运行状态：即投入和断开状态。投入状态下，两晶闸管之一导通，电容器起作用，TSC发出容性无功功率；断开状态下，两晶闸管阻断，TSC支路不起作用，不输出无功功率。与机械式可投切电容器的关键区别在于TSC的投切由阀的控制快速地完成，动态性能好。同步调相机调压(3-49)：利用同步调相机向系统提供、吸取无功功率进行调压。同步调相机相当于空载运行的同步电动机，也就是只能输出无功功率的发电机。它可以过励磁运行，也可以欠励磁运行，运行状态根据系统的要求调节。在过励磁运行时，它向系统提供给感性无功功率，起无功电源的作用；在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率，起无功负荷的作用。同步调相机可以强励，有过载能力。STATCOM（StaticSynchronousCompensator）调压(3-49)：它是今年来发展的一种新型静止无功发生器装置。其输入来自一组储能电容器上的直流电压，其输出的三相交流电压与电力系统电压同步。STATCOM的功能要优越于SVC。例如，当电网连接无功补偿装置的母线电压下降时SVC的最大无功输出也会随之下降，因为其最大无功输出与电压的平方成正比。而STATCOM的输出犹如发电机的电势般不会下降。仍能加大其无功输出。切去部分负荷调压(3-53)：当已不能采取上述措施，或者上述措施调节电压的速度不够快时，或者系统发生了紧急事故电压急剧下降时，应该考虑适当地切去部分负荷，以确保整个系统的安全运行。改变电网无功功率分布调压(OPF)：根据优化的原理改变无功功率分布，达到调压的目的。在无功功率不足的系统中，首要的问题是增加无功功率补偿设备，而不能只靠调整变压器电压的方法。在无功电源充裕的系统中，应大力采用和推广有载变压器调压。一般采用地区自动调节电压与集中自动调节电压相结合的方式，即就地控制和集中控制相结合的方式。各种补偿装置的特点发电机；变压器；并联电容器；串联电容器；SVC；STATCOM；三．电压控制3、调压方式逆调压方式恒调压方式顺调压方式三．电压控制4、电压计算的几个指标：1）电压降落2）电压损耗3）电压偏移4）合格率)(321jXRIUdUU%100*%21NUUUU%100*%1NNUUU供电支路首端电压偏移%100*%2NNUUU供电支路末端电压偏移%100*1%）该时段电压监测总时间和某一时段内电压越限总（电压合格率三．电压控制5、无功功率的平衡系统中无功功率的平衡关系为三方的平衡，即无功源、无功负荷、无功损耗的平衡，如下式所示：0QQQLGC1.2物理现象的描述和电压失稳机理一、电压稳定性概念1、电压稳定性：[电力系统安全稳定导则]中将电压稳定定义为：电力系统受到小的扰动或大的扰动后，系统能保持或恢复到容许的范围内，不发生电压崩溃的能力。一、电压稳定性概念2、电压崩溃：是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的电压下降过程。当出现扰动使电压急剧下降。并且运行人员和自动系统的控制已无法终止这种电压衰落时，系统就会进入电压不稳定的状态，这种电压的衰落可能只需几秒钟，也可能长达几分钟、几十分钟。如果电压下降过程不能停止，最终电压崩溃就会发生。一、电压稳定性概念3、电压不稳定的三种时间框架（P2－1）暂态电压稳定性(0－10秒)：发电机励磁动态；SVC;直流输电等。中期电压(暂态后)稳定性(1－数分钟)：ULTC；最大励磁限制等;长期电压稳定性（数十分钟）：过负荷。一、电压稳定性概念4、研究的方法分类：1）静态电压失稳(Staticvoltageinstability)2）动态电压失稳(Dynamicvoltageinstability)3）暂态电压失稳(Transientvoltageinstability)静态电压失稳是指负荷的缓慢增长导致电压水平逐渐降低，在达到系统能承受的临界负荷水平是导致的电压失稳。动态电压失稳是指系统发生故障后，尽管一些控制措施被采取，但是由于系统的结构变得的脆弱或全系统（或局部）由于支持负荷的能力变弱，缓慢的恢复过程导致的电压失稳。由于系统在失去稳定前已经处于动态过程中，发电机、其它控制装置、负荷的动态行为都会对动态电压失稳产生影响。暂态电压失稳是指系统发生故障后，伴随系统处理事故的过程中某些负荷母线电压发生不可逆转的突然下降的失稳过程。1.2物理现象的描述和电压失稳机理二、物理现象与电压崩溃机理分析1、崩溃实例；2、机理分析。1、电压崩溃实例1986年巴西：在一些交流输电线路跳开后，系统电压降低。SaoRoque逆变站的交流电压降低到0.85pu,持续数秒，造成多次换相失败。当加大直流传输时，换流站的无功损耗更大，最后直流系统停运，交流系统解列。1983年12月27日瑞典：斯德哥尔摩西部一座变电站断路器发生故障，导致变电站两回400kV线路一起跳开。大约8s之后，一条220kV线路因过载而断开。带负荷调压变压器动作降低了输电系统的电压水平，造成其余的由北向南的输电线路电流增加。大约在故障发生50s之后，又有一条400kV线路跳开。接着瑞典南部发生了连续的开断，并形成了电气孤岛。在事故演变过程中，低频减载没有防止系统发生频率和电压崩溃。1978年12月19日法国：法国当时是从其它国家输入功率。在早晨7：00－8：00负荷增加了4600MW，前几天为3000MW。8：00以后电压开始下降，8：05－8：10期间高压电网中一些变压器分接头闭锁。8：20东部400kV输电系统的电压降至342－374kV。当过载继电器跳开一条重要的400kV线路后，系统线路于8：26开始陆续跳开，系统崩溃。1982年美国佛罗里达州：4次扰动情况相似，均由佛罗里达州中部或南部的一台大型发电机组跳开而引发。由于系统输入功率的减少，经过1－3min后系统电压降低，并发生解列。在发生电气孤岛后低频减载切除了2000MW负荷。这些事故促使在多个230kV变电站安装了由电压继电器投切的并联电容器组。1987年日本东京：夏。异常高的负荷量使系统电压过度降低。500kV电压在13:15分降至460kV，在13:19分降至370kV。13:19分电压崩溃。1985年5月17日美国佛罗里达州：一起灌木丛火灾导致500kV线路跳开，系统在数秒之内发生电压崩溃。2、电压崩溃机理分析核心问题：无功不足。电压崩溃机理：重负荷运行状态下系统负荷持续增加，系统