電網(wǎng)無功補償和電壓調(diào)節(jié)分析

 智能電網(wǎng)無論如何智能，首先它作為電網(wǎng)必須要保證其提供的電能優(yōu)質(zhì)可靠。談到電能質(zhì)量，不可避免的要來認識認識什么是電網(wǎng)的無功補償和電壓調(diào)節(jié)。

無功對于電網(wǎng)系統(tǒng)設計來說，肯定是非常非常重要的了，這塊其實內(nèi)容很多，就做一個簡單的梳理總結(jié)，有一些工程實踐中的認識，希望可以互相印證。

無功對應電壓，有功對應頻率，應該是一個比較普遍大概的認識，當然沒錯。所以無功補償和電壓調(diào)節(jié)是密不可分的，也是調(diào)度考核的重要指標。

一、無功補償概述和原則

無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰俊７彩怯须姶啪€圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率(鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率)來發(fā)光外，還需80乏左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對外做功，才被稱之為“無功”。

電力系統(tǒng)的無功補償與無功平衡是保證電壓質(zhì)量的基本條件，首先是一些重要原則當然很多是國網(wǎng)的原則，雖說要擺脫國網(wǎng)思路束縛，但是有些好東西還是要保留。

分層分區(qū)補償原則：有鑒于經(jīng)較大阻抗傳輸無功功率所產(chǎn)生的很大無功功率損耗和相應的有功功率損耗，電網(wǎng)無功功率的補償安排宜實行分層分區(qū)和就地平衡的原則。所謂的分層安排，是指作為主要有功功率大容量傳輸即220--500kV電網(wǎng)，宜力求保持各電壓層間的無功功率平衡，盡可能使這些層間的無功功率串動極小，以減少通過電網(wǎng)變壓器傳輸無功功率時的大量消耗;而所謂分區(qū)安排、是指110kV及以下的供電網(wǎng)，宜于實現(xiàn)無功功率的分區(qū)和就地平衡。

電壓合格標準：

500kV母線：正常運行方式時，最高運行電壓不得超過系統(tǒng)額定電壓的+10%;最低運行電壓不應影響電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、廠用電的正常使用及下一級電壓調(diào)節(jié)。

發(fā)電廠和500kV變電所的220kV母線：正常運行方式時，電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓0～+10%;事故運行方式時為系統(tǒng)額定電壓的的-5%～+10%。

發(fā)電廠和220kV變電所的110kV～35kV母線：正常運行方式時，電壓允許偏差為相應系統(tǒng)額定電壓-3%～+7%;事故后為系統(tǒng)額定電壓的的±10%。

帶地區(qū)供電負荷的變電站和發(fā)電廠(直屬)的10(6)kV母線：正常運行方式下的電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的0～+7%。

無功補償配置原則：各電壓等級變電站無功補償裝置的分組容量選擇，應根據(jù)計算確定，最大單組無功補償裝置投切引起所在母線電壓變化不宜超過電壓額定值的2.5%，并滿足主變最大負荷時，功率因數(shù)不低于0.95。

以上只是大概的比例估計，具體工程的變電站的無功配置是需要通過計算的，計算分不同運行方式(針對容性和感性)，無功計算一般是有無功交換的整個區(qū)域一起計算，主要與區(qū)域負荷、電廠和外部無功輸入、區(qū)域內(nèi)變電站進出線充電功率有關。

無功不足應采取的措施：

要求各類用戶將負荷的功率因數(shù)提高到現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定的數(shù)值。

挖掘系統(tǒng)的無功潛力。例如將系統(tǒng)中暫時閑置的發(fā)電機改作調(diào)相機運行;動員用戶的同步電動機過勵磁運行等。

根據(jù)無功平衡的需要，增添必要的無功補償容量，并按無功功率就地平衡的原則進行補償容量的分配。小容量的、分散的無功補償可采用靜電容電器;大容量的、配置在系統(tǒng)中樞點的無功補償則宜采用同步調(diào)相機或靜止補償器。

電壓中樞點：指那些能夠反映和控制整個系統(tǒng)電壓水平的節(jié)點(母線)。

中樞點的無功電壓控制至關重要，一般根據(jù)實際情況選擇以下作為中樞點：(1)大型發(fā)電廠的高壓母線;(2)樞紐變電所的二次母線;(3)有大量地方性負荷的發(fā)電廠母線。

3)變壓器：變壓器是消耗無功功率的設備。除空載無功損耗外，當傳輸功率時，又通過串聯(lián)阻抗產(chǎn)生無功損耗。依前所述理由，通過變壓器傳送大量的無功功率在運行中應當是力求避免的，當變壓器短路阻抗大時更當如此。通過變壓器傳送功率產(chǎn)生的電壓降，可以適當選擇變壓器的電壓抽頭予以補償。

電壓器主要分為三類：供電變壓器、電廠升壓變、電網(wǎng)聯(lián)絡變。

供電變壓器：不但向負荷提供有功功率，也往往同時提供無功功率，而且一般短路阻抗也較大。對于直接向負荷中心供電的變壓器，宜于配置帶負荷調(diào)壓分接頭，在實現(xiàn)無功功率分區(qū)就地平衡的前提下，隨著地區(qū)負荷的增減變化，配合地區(qū)無功補償設備并聯(lián)電容器及低壓電抗器的投切，以隨時保證對用戶的供電電壓質(zhì)量，這點國網(wǎng)電力系統(tǒng)導則中有規(guī)定。

對這類變壓器是否要采用隨電壓而自動調(diào)壓分接頭，國際上并無統(tǒng)一做法。因為變壓器自動調(diào)壓的作用不總是積極的，如果在系統(tǒng)無功功率缺傾很大的時候，也一定要保持負荷的電壓水平而調(diào)整電壓分接頭，勢必將無功功率缺額全部轉(zhuǎn)嫁到主電網(wǎng)，從而可能引起重大系統(tǒng)事故。如1978年12月19日法國大停電事故，1983年12月27日的瑞典大停電事故和1987年7月23日日本東京系統(tǒng)大停電事故的起因，都直接與供電變壓器自動調(diào)電壓分接頭有關。本質(zhì)上原因在于這只是一種間接手段，但不能改變系統(tǒng)的無功需求平衡狀態(tài)。

發(fā)電機升壓變：這一類變壓器是否配電壓分接頭和是否帶負荷調(diào)節(jié)電壓分接頭，沒有定論，發(fā)電機本身已經(jīng)是很方便的無功調(diào)節(jié)設備，在升壓變壓器上配電壓分接頭似乎并沒有什么特殊必要。當然，各個系統(tǒng)有各自的傳統(tǒng)習慣和做法。

主網(wǎng)聯(lián)絡變壓器：這一類變壓器的特點是容量大，如500/220/35主變。在研究這一類變壓器是否應當裝設帶負荷調(diào)節(jié)的電壓分接頭時，有兩個特點值得考慮，第一，無功功率補償和調(diào)節(jié)能力的分層平衡，決定了作分連接兩大主電網(wǎng)的聯(lián)絡變壓器，原則上不應承擔層間交換大量無功功率的任務，而單純因有功負荷變化所造成的電壓變化則較小，第二，一般地說，因為連接的是主電網(wǎng)，每一側(cè)到變壓器母線的短路電流水平都相當高，都將遠大于變壓器本身的容量，調(diào)節(jié)變壓器的電壓分接頭已經(jīng)失去了可以有效調(diào)節(jié)母線電壓的作用。1982年國際大電網(wǎng)會議變壓器委員會提出過一份報告，特別指出了有了帶負荷調(diào)節(jié)電壓分接頭，不僅它本身不可靠，同時還增加了變壓器整體設計的復雜性。當然這也不是絕對的，也需要視具體情況而定。

4)并聯(lián)電容器：并聯(lián)電容器早已廣泛地用于較低電壓的供配電網(wǎng)和用戶，又稱低容，用于補充無功。最大特點是價格便宜而又易于安裝維護。國際上，各大電力系統(tǒng)都是逐年不斷地大且增加采用并聯(lián)電容器，大多數(shù)是為了控制負荷功率因數(shù)，也有一些接到主變壓器三次側(cè)作為無功補償調(diào)節(jié)的手段。并聯(lián)電容器的性能缺陷是，它的輸出功率隨母線電壓降低而成平方地降低，這在電壓低的情況下將可能導致惡性循環(huán)。

5)并聯(lián)電杭器：并聯(lián)電抗器是吸收無功功率的設備。500kV線路直接接到線路上，稱為高抗，之前過電壓部分已經(jīng)提到過它的作用(限制工頻和操作過電壓，避免自勵磁、與中性點小電抗相配合，可以幫助超高壓長距離線路在單相重合閘過程中易于消弧，從而保證單相重合閘成功);220kV線路一般裝在變壓器繞組三次側(cè)，為低抗。

6)串聯(lián)電容器：又稱串補，用于補償線路的部分串聯(lián)阻抗，從而降低輸送功率時的無功損耗，因而也是一種無功補償設備。但串聯(lián)電容更是電力系統(tǒng)經(jīng)遠距離輸電時比較普遍采用的提高系統(tǒng)穩(wěn)定和送電能力的重要手段。南網(wǎng)運用相當多。

串聯(lián)電容器提升的末端電壓的數(shù)值QXC/V(即調(diào)壓效果)隨無功負荷增大而增大、無功負荷的減小而減小，恰與調(diào)壓的要求一致。這是串聯(lián)電容器調(diào)壓的一個顯著優(yōu)點。但對負荷功率因數(shù)高(cosφ>0.95)或?qū)Ь€截面小的線路，由于PR/V分量的比重大，串聯(lián)補償?shù)恼{(diào)壓效果就很小。

在高壓系統(tǒng)中采用串聯(lián)補償，也有一些困難。一是補償站本身的復雜性，要求能在故障切除后即時再投入串聯(lián)電容和對串聯(lián)電容器本身的保護。近年來開發(fā)的氧化鋅非線性電阻保護系統(tǒng)，有助于解決這方面的困難，其次是增加了繼電保護的困難，傳統(tǒng)的距離保護用在串聯(lián)補償線路上遇到一些特殊的問題;第三，要解決汽輪發(fā)電機組配出串聯(lián)補償線路可能產(chǎn)生的次同步諧振問題(這塊是一個獨立課題，出現(xiàn)過不少事故)。

7)同步調(diào)相機：同步調(diào)相機是最早采用的一種無功補償設備，現(xiàn)在基本不采用。但為了適應電網(wǎng)穩(wěn)定以及直流輸電的需要，在一些情況下仍然具有它的特定作用。

8)靜止補償器SVC：靜止補償器有電力電容器和可調(diào)電抗并聯(lián)組成。電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，根據(jù)調(diào)壓需要，通過可調(diào)電抗器吸收電容器組中的無功功率，來調(diào)節(jié)靜止補償其輸出的無功功率的大小和方向。靜止補償器能快速平滑的調(diào)節(jié)無功功率，以滿足無功補償裝置的要求。這樣就克服了電容器作為無功補償裝置只能做電源不能作負荷且不能連續(xù)調(diào)節(jié)的缺點。但其也不適用于一個受端系統(tǒng)很弱的電網(wǎng)中，因為其容量將隨母線電壓下降而成平方地降低。

從本質(zhì)上來說靜止補償器主要是一種反應迅速的無功功率調(diào)節(jié)手段。和同步調(diào)相機比較，雖然造價相當，但靜止補償器的調(diào)節(jié)遠為快速，’這是一個突出的優(yōu)點。而為了能發(fā)揮它在需要時的無功功率快速調(diào)節(jié)能力，至于因正常負荷變動引起的電壓變化，過程比較緩慢，用一般的便宜得多的電容器與電抗器投切等，完全可以滿足要求，沒有必要選用這種高性能的設備。所以一般用于負荷沖擊大的節(jié)點、電壓樞紐節(jié)點、功率容易波動的聯(lián)絡線兩側(cè)以及事故緊急備用節(jié)點。

至于更為先進的TCSC、STATCOM等設備放在以后的柔性電力系統(tǒng)里面提及。

三、系統(tǒng)無功設計

1)系統(tǒng)各點允許的最高長期運行電壓，受接入電力設備絕緣水平和變壓器飽和的限制。例如在我國，規(guī)定500kV電網(wǎng)的最高長期運行電壓為550kV，變壓器的最高運行電壓不得超過相應電壓分接頭額定值的105%等。

2)系統(tǒng)各點的最低運行電壓，決定于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行需要和變壓器帶負荷電壓分接頭的調(diào)正范圍的要求，對于發(fā)電廠，還受廠用電要求的制約。

3)國外大多數(shù)電力系統(tǒng)考慮，允許的電壓波動范圍都在額定值的±5%-±10%的范圍(正常和N-1方式)

在設計電力系統(tǒng)的無功功率時，還需要考慮如下的一些基本要素：

不使超高壓長距離線路的甩負荷過電壓超過一定允許值(穩(wěn)態(tài)工頻過電壓值)

保證電網(wǎng)的送電穩(wěn)定性。這是對電網(wǎng)最低電壓水平的限制。為了在各種可能的正常運行和規(guī)定事件后的電網(wǎng)運行方式下，保持運行中的所有輸電線路都有一定的穩(wěn)定裕度因而要求各樞紐變電所電壓能保持高于一定的最低水平。事故一般考慮N-1，也有的考慮嚴重些N-2。世界上發(fā)生了不止一次因電壓問題引起的系統(tǒng)大事故，這點會在以后電網(wǎng)大停電部分提及，電力系統(tǒng)穩(wěn)定部分也會涉及。

直流輸電的需要。直流輸電的換流裝置無論以整流器方式或逆變器方式運行時，都將從交流側(cè)吸收無功功率，這一部分無功需求相當大，也是直流輸電系統(tǒng)需要重點考慮的內(nèi)容。

解放發(fā)電機和同步調(diào)相機的無功功率能力，使之留作事件后的緊急補償需要。如并聯(lián)電容器作為正常時的無功功率補償，完成正常運行時校正電壓的任務，而把發(fā)電機之類的旋轉(zhuǎn)無功容量空出來作為事故備用。這也是國外系統(tǒng)的一種普遍做法。

對于無功功率的事故緊急備用問題，可以和電網(wǎng)有功功率的備用情況作比較。在有功功率的安排上，必須留有足夠的調(diào)峰容量、調(diào)頻容量、運行備用容量以及當發(fā)生大功率缺口時的按頻率降低自動減負荷。電網(wǎng)的無功功率安排，客觀上也完全有同樣類似的要求，但卻一直不如有功功率那樣明確。就電網(wǎng)特性而論，兩者最大的不同在于：對于頻率，是全網(wǎng)一致，電網(wǎng)中任一點的有功電源和有功負荷的增減對電網(wǎng)頻率變化都起到基本同樣的影響;而對于電壓，則是區(qū)域性乃至逐點式的，各點的無功電源和無功負荷對電壓變化的影響，主要是就地的，因而必須分層分區(qū)安排和調(diào)節(jié)，使無功電源與無功負荷基本逐點對應。所以當著電網(wǎng)發(fā)生了大的無功功率缺額的時候，在現(xiàn)實生活中卻很難按照處理有功功率缺額相類似的原則去處理。所以這就導致實際生產(chǎn)中，發(fā)生較大事故時無功電壓調(diào)節(jié)相當困難，導致電壓崩潰等嚴重后果。

對于高壓電網(wǎng)，需要制訂專門的無功功率規(guī)劃，除了主要由地區(qū)電廠供應地區(qū)負荷的小系統(tǒng)外，一般都需要在全系統(tǒng)的基礎上進行無功功率補償設備的協(xié)調(diào)配置。許多系統(tǒng)的做法，首先是按系統(tǒng)峰負荷時運行方式，決定配置無功功率的補償容量;然后按系統(tǒng)低谷負荷時的運行方式進行校核，決定線路充電功率的吸收容量及其實現(xiàn)手段。

無功功率補償?shù)脑O計，一般需要研究兩大類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)情況下的三種運行方式。兩大類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：正常和N-1;三種運行方式：大負荷，小負荷，潮流倒送方式。

系統(tǒng)無功設計時，還有一些細節(jié)問題：

500kV雙回線在運行中突然斷開一回，其后果是原來由斷開那回線傳輸?shù)挠泄β蕦⒘⒓崔D(zhuǎn)移到保留在運行中的一回線上來。由于保留在運行中的那回線的電流突然增大，線路的無功損耗將成平方地增大。同時還失去了原來一回線的充電功率，這個缺額不小而且必須由兩側(cè)系統(tǒng)立即提供補償。瑞典1983年12月17日的大停電事故就是由于主輸電線路跳閘，受端無功補償能力不足引發(fā)的。

在運行的電網(wǎng)中，為了解決這類問題，可以采取連切部分送端機組，或在條件合適的情況下連切部分受端負荷，以減少通過保留運行線路中的傳輸電力，以保持事件后系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但是這種后備措施，應當留給生產(chǎn)運行系統(tǒng)，以應付實際可能出現(xiàn)的比設計系統(tǒng)時選取的更為嚴重的情況下的事件。

高低壓電磁環(huán)網(wǎng)運行中高壓線路突然因故斷開。例如500kv與220kV線路或220kV與110kV線路并行運行。在我國，這種情況都發(fā)生在新出現(xiàn)高一級電壓電網(wǎng)的初期，在這樣的并聯(lián)環(huán)網(wǎng)上傳輸有功功率，大部分將通過高壓網(wǎng)一邊的線路。如果傳輸?shù)挠泄β瘦^大，當環(huán)網(wǎng)中高壓線路因故障斷開后，通過并聯(lián)低壓線路傳送的電力，將立即增大到遠遠大于它的自然功率，其后果，或者立即引起同步運行穩(wěn)定性破壞，或者受端系統(tǒng)電壓崩潰，或者因超過線路的熱容量功率而燒斷線路。這些事故，在我國的運行電網(wǎng)中，都分別不止一次的發(fā)生過，是嚴重的事故后運行情況。所以這種高低壓電磁環(huán)網(wǎng)設計時必須避免。

是否要利用500kV線路的充電功率。一般來說不會利用，在輕負荷情況下，無論采用高壓并聯(lián)電抗器或是采用低壓并聯(lián)電抗器，總需要恰當?shù)赜枰匝a償。對比電網(wǎng)出現(xiàn)低電壓的情況，對于生產(chǎn)運行系統(tǒng)說來，如果沒有設備條件，電網(wǎng)出現(xiàn)高電壓會成為一種不可控的嚴重現(xiàn)象。長期不可控的高電壓，會給電力設備的安全運行帶來很大的威脅。

線路高壓電抗器的補償容量，可以考慮選擇為線路充電容量的70%左右，長線路可在線路兩端各設一組，中短線路可只在線路一側(cè)裝設。這樣，當線路傳送功率為自然功率的55%左右，線路本身的無功功率適相平衡，而當偏離此值時，兩側(cè)系統(tǒng)只需提供不大的無功補償功率。

四、運行系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)

運行系統(tǒng)對電壓的控制，是安排和充分利用電網(wǎng)中的無功功率補償容最和調(diào)節(jié)能力，隨時保持正常運行情祝下和事故情況后電網(wǎng)中各樞紐點電壓值不超過規(guī)定限頰，并保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

主要的調(diào)壓設備：發(fā)電機、變壓器和其它無功補償設備(如并聯(lián)電容器/電抗器和SVC等)、直流輸電系統(tǒng)。

調(diào)壓的主要手段：1)調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓，2)調(diào)節(jié)變壓器的分接頭，3)調(diào)節(jié)無功補償設備的無功投切容量，4)發(fā)電機、變壓器與無功補償設備的組合調(diào)壓。

調(diào)壓的空間范圍：單個發(fā)電廠變電站的VQC控制，多個廠站的AVC控制，全局的綜合無功協(xié)調(diào)三級控制。

調(diào)壓的時間范圍：單個時段(單一負荷水平)的靜態(tài)控制、多個時段(多種負荷水平的動態(tài)控制)。

其中有一點，無功優(yōu)化的研究很多，文章很多，但在實際工程中卻基本沒有應用，既有操作問題，又有若干尚待明確的調(diào)節(jié)原則問題。例如，當運行條件變化，要維持系統(tǒng)的無功優(yōu)化，根據(jù)電網(wǎng)無功功率與電壓分布的特點，勢必要求全系統(tǒng)各點的各種無功功率調(diào)節(jié)手段與電壓調(diào)節(jié)手段頻繁動作，而如果沒有高度發(fā)達的電力通信網(wǎng)絡和自動化條件，實際上就辦不到。又例如，和頻率調(diào)節(jié)不一樣，無功功率的調(diào)節(jié)和壓調(diào)節(jié)不可能完全依靠同步機和靜止補償器，因而無法做到均勻細調(diào);由于不可能建立全網(wǎng)電壓標準，只能以就地側(cè)量電壓為依據(jù)，這些累計的測量誤差勢必給優(yōu)化帶來影響，如此等等。

比較現(xiàn)實的做法是，在留足事故緊急備用的前提下，盡可能使系統(tǒng)中的各點電壓運行于允許的高水平，不但有利于系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，也可獲得接近于優(yōu)化的經(jīng)濟效益。

在一些國家的電力系統(tǒng)中還配置了二次電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)處理電壓問題。在電網(wǎng)中實現(xiàn)了無功功率及電壓的區(qū)域性集中控制，如法國電網(wǎng)，很有代表和借鑒意義。在法國系統(tǒng)中，共有三個控制層(一次、二次及三次)。一般地說，電壓的快速無規(guī)則變化均由系統(tǒng)電廠機組的“一次作用”進行補償。這種一次作用要求快速(反應時間數(shù)秒)，因而必須自動。主要由機組的勵磁調(diào)節(jié)實現(xiàn)，其次靠400/225kV變壓器的自動電壓分接頭。為了處理電壓的慢變化，由“二次”與“三次”控制作用建立系統(tǒng)的新狀態(tài)，二次控制所管理的是在一地區(qū)內(nèi)可資利用的動態(tài)無功功率，其反應時間約為3-5min，目前，三次控制為手動。從而取得全系統(tǒng)各點電壓的全面協(xié)調(diào)。

運行實踐確認了二次控制的優(yōu)點，即在正常情況下電壓得到了較好控制。這其實也引申出一個研究方向，就是無功電壓的控制方式(分散控制、集中控制、協(xié)調(diào)控制)

至于重要的電壓穩(wěn)定問題，將在電力系統(tǒng)穩(wěn)定部分和大停電部分總結(jié)。

無功和電壓部分就總結(jié)這么多，其實工程實踐中涉及無功的方面非常多，非常值得重視，感覺沒有寫出所有想說的，以后想起了會補充，確實是系統(tǒng)設計的重點內(nèi)容。