电力系统电压稳定及其静态补偿技术综述

于同伟,冯 柳,孙 鑫

（1.东北电力科学研究院有限公司,辽宁 沈阳 110006;2.沈阳供电公司,辽宁 沈阳 110003）

1 影响电力系统电压稳定的因素

电力系统的稳定涉及有功功率和频率控制。系统频率恒定能保证异步和同步电动机速度恒定。频率恒定依赖于有功功率的平衡。区域有功功率的供需变化通过频率变化反映到整个系统。系统中的每台发电机通过调速器提供了基本的速度调节功能,来自调度中心的辅助控制信息将分配发电机的发电容量,使有功功率得到平衡,稳定了系统频率。

电力系统的稳定还涉及无功功率及电压控制。控制目标应满足：系统中所有装置的端电压在可接受的限值内;为保证最大限度利用输电系统,应加强系统稳定性;使无功功率传输最小（输电系统主要用于有功功率的传输）。

负荷变化时输电系统对无功功率的要求也变化。由于无功功率不能长距离传输,电压通过遍布整个系统的电力装置来进行有效控制。因此要对控制无功功率和电压装置进行选择和协调（与频率控制相反,频率控制取决于全系统的有功功率平衡）。

在现代电力系统中弱系统、长路线、重负载均会引发电压稳定问题,甚至导致电网崩溃事故。

电压稳定性是电力系统在正常条件下及受到扰动后,维持系统中所有母线电压在可接受水平的能力。在发生扰动、增加负荷或改变系统条件时电压逐渐失去控制衰减,电力系统就进入电压不稳定状态。

不能满足负荷的无功需求是引起不稳定的主要因素。电压稳定问题通常发生在重负荷系统中。导致电压崩溃的扰动可能有不同的诱因,除电网强度和功率传输水平外,影响系统电压崩溃的主要因素包括发电机无功功率/电压控制极限、负荷特性、无功补偿装置特性及电压控制装置（如带负荷调节抽头的变压器）特性。

2 电压崩溃的典型顺序和关键因素

2.1 典型顺序

a.电力系统经历非正常运行条件,负荷中心附近的大型发电机组退出运行。其结果使一些高压线路重载,无功电源处于较低水平。

b.因事件触发,重负荷线路跳闸,导致相邻线路增加负荷,高于自然功率,快速增加无功吸收,引起对系统的大量无功需求。

c.无功需求增加,导致临近负荷中心电压显著降低。发电机的自动励磁调节器通过增加励磁,恢复端电压,增加的无功潮流将增大流经线路及元器件的压降。

d.配电系统的变电站变压器将通过调整分接头恢复区域电压水平到故障前水平。每次调整都增加输电线路的负荷,使得损耗加大,压降增加。

e.无功需求进一步增加,导致发电机无功输出增加,逐渐接近极限无功容量输出。当有1台发电机达到极限时,其端电压就会降低,若仍然维持原有的有功出力则定子电流将增加,从而使发电机无功出力随着电压的降低而减少。这些无功需要其他发电机分担,导致更多的发电机过负荷。这个过程最终导致电压崩溃、发电机组失步及大面积停电。

2.2 关键因素

在已有的系统网架、运行方式及潮流水平下,电压崩溃过程中有2个关键因素：电源与负荷距离远,其本质是感抗大、潮流大时无功需求大;低电压工况下,带负荷调节功能的变压器动作形成了无功恶化的正反馈。

3 电压稳定控制手段

3.1 系统设计措施

a.应用无功功率补偿装置。需要考虑方式、地点和容量问题。

b.控制网络电压和发电机无功输出。发电机电压自动控制是以发电机端电压稳定为控制目标。以网络电压为控制目标的发电机电压二次控制是可行方案。

c.保护和各种控制的协调。保护应是最后的手段,只要可能就应允许采取各种控制措施（自动或手动）消除过负荷。目前最好的手段是应用RTDS系统进行动态模拟。

d.控制变压器分接头调节。分接头调节就地或集中控制。

e.低压切负荷。适用于导致不稳定的系统工况及事故发生的概率低但后果严重的电力区域。低电压设计必须区分故障、暂态电压降低及导致电压崩溃的低电压工况[1]。

3.2 无功功率补偿装置

a.并联电容器。补偿线路及变压器的I2X损耗,保证在重负荷下也能有满意的电压水平。并联补偿是以牺牲稳定区域及电压调节范围为代价,应适当应用。

b.串联电容器。无功功率的输出随着线路负载增加而增加。增加稳定极限,改善电压调节。次同步谐振及过电压是制约其应用的主要问题。

c.可控串联补偿装置（TCSC）。解决串联电容补偿出现的次同步振荡问题。

d.同步调相机。没有有功输出的同步机,电压控制特性与同步发电机相同。

e.静止无功补偿器（SVC）。直接快速进行电压控制。低次谐波含量较大,需装滤波器。超过补偿能力极限后SVC就等同于并联电容。目前,我国输电系统中共有6套大容量SVC投入使用,分别装设在广东江门、湖南云田、湖北凤凰山（2套）、河南小刘及辽宁沙岭的500 kV变电站中。国内现在有2家供货商：中国电科院电力电子公司,鞍山荣信电力电子公司。

ABB公司应用SVC提高电压稳定性的应用工程实例为Saudi Arabian 380 kV系统。ABB为SEC -CRB输电网提供2台SVC。

Siemens公司在巴西Enelpower 500 kV电网提供了±250Mvar的SVC,为Funil-substation 220 kV电网提供了200 Mvar到-100 Mvar的SVC;为美国NationalGrid Company Hark 275 kV电网提供150 Mvar到-75 Mvar的SVC;为印度尼西亚PLN 150 kV电网提供50 Mvar到-25 Mvar的SVC;为巴拉圭ANDE 220 kV电网提供250 Mvar到-125 Mvar的SVC。

静止同步补偿器（STATCOM）。是由三相逆变器和并联电容器构成,其输出的三相交流电压与所接电网电压的三相电压同步。整个装置的无功功率大小或极性均由电流来调整,从而调整输电线路的无功功率,动态地使电压保持在一定范围之内,以利于提高电力系统稳定。STATCOM不仅可校正稳态运行电压,还可在故障后恢复期间高速稳定电压,对提高电力系统暂态稳定十分重要,对电网电压的控制能力很强。理论上讲,直流侧电容器只是用来维持直流电压,不需要多大容量,而且这些电容由直流电容器构成,体积小、价格低。STATCOM整体功能类似于同步调相机,调节范围大,不会发生响应迟缓,反应速度快,没有转动设备的机械惯性、机械损耗和旋转噪声。STATCOM是一种完全的固态装置,既能响应网络中的稳态,也能响应暂态变化,其控制响应速度比同步调相机快一个数量级。STATCOM是个电压源,其电流值不受系统电压的影响,控制电压的能力强。由于没有滤波器,占地面积小。

ABB公司于2004年12月在美国投运了1台+ 100 Mvar/138 kV STATCOM,取代了1台调相机。

4 电压稳定控制领域的新方向

4.1 分布式可控串补

美国电力电子专家Divan.D.M教授于2004年提出了分布式柔性交流输电系统（Distributed Flexible AC Transmission Systems,缩写为D—FACTS）的概念。这是一种新型FACTS技术,该技术是将目前集中FACTS装置实现的功能由大量的分布式静止串联补偿器（DSSC）来完成。每个分布式控制器的补偿度很小,因而容量也较小（约10 kVA）,可以制作得足够轻巧,直接悬挂于电力系统输电线上,以实现和传统FACTS可控串补相近的功能。通过好的控制策略,可控串补可以实现的功能分布式基本都可以实现。因为是直接挂在线路上,可以采用等电位设计,不存在高电压绝缘的问题,且因为容量比较小,不存在大电流的问题,可以采用市场上低价格的电力电子器件,采用成熟的低压设计和制造技术,降低成本,提高可靠性。

分布式可控串补比集中式串联补偿有以下优点：

a.1个分布式串补单元出现问题可直接退出,不影响其它单元的运行;

b.安装不需要额外占地;

c.可安装在最佳位置;

d.使小容量DSSC机械地夹在传输线上,无需中断线路,避免了绝缘等问题;

e.DSSC可以根据输配电网络潮流需求,分期分批制造和投入。

项目实施可以缩短电气距离,很容易实现均衡线路潮流的作用;可以检测线路的故障电流,对故障定位起到辅助作用;安装视频代替故障巡线等。

4.2 广域测量与控制技术应用

传统的电力系统控制都是就地测量就地控制,观测控制设备的出口,只能改善出口侧的性能。但随着PMU（电源管理单元）在电力系统中大量安装,构建了WAMS（广域测量系统）为新型控制系统的应用提供了可能。

WAMS能够实时将分布在电网各个地方的所有PMU的测量数据传送到调度中心。基于关于测量的控制方法就是从中选取观测量,然后去控制系统中任意位置的控制设备（发电机励磁系统、直流控制系统、SVC/STATCOM控制系统、集中式/分布式可控串补系统等）。

4.3 新型励磁控制NR-PSS（鲁棒非线性电力系统稳定器）

在系统发生大扰动的情况下,NR-PSS能使闭环系统适应运行点的大范围变化,与目前应用的PSS-2A相比,大大提高系统的大干扰稳定性,提高系统小扰动和大扰动稳定极限。

大范围应用NR-PSS将大幅度提高整个电网的电压稳定极限,提高安全裕度,同时快速恢复系统中的故障及操作引发的动态响应。大大降低了由各种事件有可能触发系统电压不稳定的可能性。

[1] PRABHA KUNDUR.电力系统稳定与控制[M]北京：中国电力出版社,2002.