电网电压稳定问题及无功补偿

李小君 王 骁

（1.云南电网楚雄供电局 2.国网浙江安吉县供电有限公司）

0 引言

为了确保电网能够实现安全运行的目标，需要采取有效措施使其电压处于稳定状态。其中，电压稳定是当外界因素对电力系统造成干扰后，系统电压依然可以维持或快速恢复至原先的情况，不会引起电压崩溃的结果。根据相关统计资料可知，我国有许多大范围停电现象是由于电网发生电压崩溃所导致的。由此可见，电压稳定问题已经变成当前电网发展需重点解决的一项问题。

1 电网电压稳定问题分析

1.1 电网电压稳定问题

根据电网运行过程中的电压故障情况，可以把系统电压稳定状态分成如下三种类型：第一种属于短暂稳定，在发生系统故障问题时电压可以较快恢复到正常状态的状况，主要包括 N－1故障、交流N－2故障和直流单极闭锁故障。第二种是能够保持暂态稳定状态，而长期运行电压保持在0.9p.u以下，电压质量无法良好恢复的状况。包括直流双极闭锁和某些线路检修过程发生交流N－2故障的状况。第三种属于暂态失稳的状况，通常表现为电压长期在0.7p.u.以下运行，并出现系统失稳的现象，例如进行某些线路检修过程时发生的N－2故障。

1.2 电压失稳机理分析

1.2.1 直流故障

当直流电网出现单级闭锁、双极闭锁或者是在检修线路时出现直流双极闭锁的现象时，都不会使系统电压出现失稳的情况。通过重新分配电网有功功率与无功功率，电网运行状态将形成一个新平衡状态，但需注意此时可能会存在出现某些故障问题时电网系统实际可以恢复的电压不高，无法实现系统的稳定安全运行，可将其归为第二种状况，即处于暂态稳定状态，而且长期电压保持在0.9p.u.以下，电压无法恢复到较高的质量。

当出现直流闭锁的情况时，电网电压将发生最大程度的下降，表现为缺少无功补偿，需要通过本地发电机来弥补动态缺额，为了能够保持恒定的发电机机端电压，随着励磁电压的升高，发电机的无功功率也会随之增大。考虑到某些地区实际接入的电源数量很少，因此会快速丧失大量有功功率，这就需要剩下的交流联络通道来担负额外的潮流，从而引起电网系统的电压降低现象。

1.2.2 交流故障

在电网出现交流系统故障时，直流系统是否会发生换相失败的现象；同时还要考虑遇到换相失败的情况，电网系统能否继续恢复到新的稳定状态。当遇到交流线路与直流线路，同时会出现双极闭锁现象，将会在瞬间产生大量有功与无功功率，而无法在故障通道中完成电能的输送过程，此时需要重新分配系统潮流。之后，交流联络线路将获得更高的输送功率，从而可以通过此线路为受端电网输入更大的电流，使受端电网在正常状态下获得更高的无功需求。如果不对原先网络进行无功补偿，便会引起受端电压的降低，甚至还会引起受端电压出现明显波动的现象。

对于电网负荷中心而言，其中有一个重要特征是有很大比例的负荷需通过来自远距离区域的特超高压直流或交流线路进行接入。因此，负荷中心需合理配置无功补偿设施才能确保电压保持稳定状态。通常是以电容器作为无功补偿设备，一旦当系统受到外界扰动因素影响导致受端电网无法及时获得无功时，便会引起电压减小，此时来自电容器的无功功率将通过电压平方的方式快速降低，使电压继续下降。

大部分受端电网都含有很多静态容性并联补偿设备，通常都以手动模式进行定时投切。当遇到某些较为严重故障时，无法迅速提供无功支撑电压，同时当系统电压下降后还会使无功电源容量继续减小，导致系统状态进一步恶化。当故障被消除后系统节点电压保持低于0.9p.u.的状态，必须采取有效处理措施，否则将会引起系统的恶性循环，最终导致电压发生崩溃的情况。

1.3 解决策略分析

1.3.1 设置合理的网架结构

为选定区域构建更多的对外联络线路，降低单条线路需要承担的负荷。通过数据计算可知，在2020年前完成此工程的投产使用，便不会出现第二种电压不稳定的状况，从而有效改善系统稳定性并提高电压恢复的能力。考虑到本研究所选地区的经济比较发达，因此采取更改网架结构的方式来重新建立500kV线路将会遇到许多难题。

1.3.2 增加新的电源

由于在该区域中只能通过水电厂与燃气电厂的方式来为系统供应无功补偿。考虑到煤炭的消耗量需要被控制在一个严格的范围内，因此在该地区继续增加新燃煤电厂也具有一定的现实意义，同时在 “十三五”计划阶段其它各类电源计划也面临着很大的不确定性。

1.3.3 配备动态无功补偿设施

可以考虑为变电站配备专门的动态无功补偿设施，并且实际工程建设的项目实施也比较简单。系统可以通过动态无功补偿设施迅速获得电压支撑，有效提升系统的稳定性，减小直流闭锁发生的概率。此项措施属于当前改善电网电压稳定性的最优方案。

2 动态无功补偿配置方案研究

2.1 动态无功补偿装置原理

在电力系统当中，经常被用到静止无功补偿器（SVC）、同步调相机以及静止补偿器 （STATCOM）这三种动态无功补偿装置。见下表。

装置种别 SVC 调相机STATCOM设备种别静止设备，不会将短路电流与转动惯量提供给系统。旋转设备，具备将短路电流与转动惯量提供给系统的功能。静止设备，不会将短路电流与转动惯量提供给系统。占地面积 偏大 同等容量 SVC的三分之一同等容量SVC的三分之一调节速度40ms 1～2s 20ms经济性运行维护、静态投资与损耗费用都偏低。损耗与运维的费用偏高，静态投资偏低。损耗与运维费用偏低，但静态投资偏高。无功特性系统电压对其产生的影响较大，和电压平方呈正比例关系。系统电压对无功输出的影响比较小，存在短时强励能力两倍过载，实现进相运行。系统电压对其产生的影响较大，与系统电压呈正比例关系。0.8% 1.5% 1%使用寿命 15年 30年 15年有功损耗

2.2 动态无功补偿装置类型选择

考虑到变电站的布点非常密集，整体网架结构比较复杂，需要承担很高的负荷，在500kV电网中产生的短路电流裕度非常有限。在这种情况下，调相机已经不适合对其进行动态无功补偿。通过比较SVC与STATCOM可以发现，因为SVC通过晶闸管来调控电抗器的时候使用的是不能关断的晶闸管；当晶闸管导通后，需要等电流变至零时才可以完成自然关断的过程。综上所述，从SVC发送指令直至晶闸管到达10ms的最大响应延时，再加上TCR所占的过渡时间，使整个SVC装置约需消耗60ms或更长的响应时间。STATCOM是一个可控电流源，发生延时的原因是该装置存在自身的固有时间。根据以上分析，可以通过STATCOM来有效处理动态无功的问题。

2.3 配置容量分析

动态无功补偿设备的配置容量除了会对系统的稳定性造成影响以外，还会改变工程经济性，并决定最终选择何种方案，因此必须对配置容量进行精确分析。

（1）对于第二种系统电压稳定状况进行动态无功补偿研究。为了确保电压能够恢复到0.9p.u.，应至少将无功补偿容量设定为100Mvar。

（2）对第三种电压稳定状况进行研究后选择相应的动态无功补偿方案。为保证系统遇到故障问题时依然可以保持电压稳定状态，应设置300Mvar的最低无功补偿容量。

经综合考虑，为保证电网电压能够保持长期稳定，应将动态无功补偿容量设定为300Mvar。

3 结束语

由于电网系统的用电负荷较大，能够获得的无功支撑过少。同时该地区与外界的交流通道都具有较大的潮流，当遇到故障情况时便会导致潮流发生大量转移并引起直流线路无法进行连续换相的问题；此外，考虑到直流容量很大，当遇到闭锁问题时，与外界相连的交流通道需承受很大的电力，进一步引起无功电压失稳的问题。通过电网电压稳定情况分析可知，检修方式下的N－2故障易造成系统无功电压问题，有必要针对性的采取有效措施以改善系统稳定情况。