变电站自动无功控制装置的研究与实现

谢文涛

(江苏国信仪征热电有限责任公司，江苏 仪征 211400)

1 引言

随着社会经济和工业生产的发展，电力系统中的大型用电设备数量不断增加，对于电力系统的供电质量提出了更高的要求[1－2]。电力系统中，无功控制对于维持电力系统电压稳定性至关重要，如何实现电压的稳定控制以及功率因数的合理控制，对于提高电力系统的运行稳定性具有重大意义[3]。

当电力系统中无功功率的输出较低时，会造成电力系统供电电压降低；当电力系统中无功功率输出较高时，会造成电力系统供电电压上升；系统供电电压过高或过低都会对用电设备的正常运行造成影响，使得电力系统运行的经济效益降低[4－5]。所以，为了确保电力系统的运行稳定性和经济性，电力系统必须具备自主实现供电电压稳定控制和系统无功功率准确调节的功能[6]。

2 无功控制目标及原理分析

2.1 无功控制目标

变电站的自动无功控制是指控制系统供电电压始终在规定的范围内，以及电网的无功功率处于平衡状态，并且要求最大限度减少变压器分接抽头的调档次数以及无功补偿电容器组的投切次数[7]。具体来说，无功控制目标包含三点:

(1)保证系统供电电压处于规定范围内，即UL≤UT2≤UH(UL和UH分别代表规定电压范围的下限值和上限值)。供电电压的调节可以通过改变变压器二次侧分接抽头和投切无功补偿电容器组相结合的方式实现。

(2)控制电力系统无功功率平衡的前提是电力系统能够输出的无功功率不小于系统负荷消耗的无功功率和线路损耗。因此电力系统变电站主变压器高压侧输出的无功功率Q1需要满足:QL≤Q1≤QH，(QL和QH分别代表主变压器高压侧输出无功功率的下限值和上限值)；电力系统变主变压器高压侧的功率因数cos(φ)需要满足:cos(φL)≤cos(φ)≤cos(φH)，(cos(φL)和 cos(φH)分别代表主变压器高压侧功率因数的下限值和上限值)。在常规情况下，输电线路送入到变电站的无功功率应该为正值。

(3)为了实现供电电压处于规定范围内，以及无功功率处于平衡状态的基本目标，需要对系统调压变压器和无功补偿电容器组进行合理的控制。在进行电参量有效调节的同时，也需要降低调压变压器和无功补偿电容器组的无效动作。过多进行调节动作，会对器件的电气性能及使用寿命造成影响。

2.2 无功控制原理

变电站通常情况下都是通过调节变压器分接抽头和投切无功补偿电容器组的方式来实现供电电压与无功功率的控制；调节变压器分接抽头的方式[8]，不仅能够调节供电电压，还会对无功功率产生影响；投切无功补偿电容的方式，在调节无功功率的同时也影响了供电电压[9]。

变电站采取了就地调节的原则，调节站内的装置实现供电电压和无功功率的调节[10]。以最基本的电力系统为研究对象，主变压器选择有载调压变压器，电容采用并联电容器组，其等值电路如图1所示。

图1 变电站等值电路原理图

其中，为US变电站的系统输出电压，UT1、UT2为主变压器高压侧和低压侧的电压，UL为系统负荷端电压，KT为主变压器的变比，PL、QL为负荷的有功功率和无功功率，QC为并联电容器组补偿的无功功率，RS、XS、RL、XL为线路阻抗，RT、XT为变压器阻抗。

当无功补偿电容器组未投入，其忽略线路无功损耗的情况下，则存在公式:

整理得到:

其中，UL和是一对共轭复数，得到UL的垂直分量为:

由此得到:

由上式可知，为了保证负荷端电压UL与额定电压ULN之间偏差处于最小值，变压器低压侧电压UT2必须与负荷PL＋jQL保持同步变化，能够维持负荷端电压在规定范围内，也实现了对无功功率的补偿。

(1)对变比进行调节

当系统的负荷增加后，通过调节主变压器分接抽头降低主变压器变比KT值，就能够提高主变压器低压侧的电压UT2，并且补偿线路上的功率损耗；反之，通过提高主变压器变比KT值，实现电压和无功功率的新平衡。通过主变压器分接抽头调节的方式需要随着系统的负荷变化进行，确保系统输出更优质的电能。

(2)投切并联电容器组

计算公式中，不考虑到UL的垂直分量，并且并联电容器组未投入，主变压器低压侧电压为:

投入并联电容器组后:

由上述两个公式可知，并联电容器组的投切会对供电电压及无功功率的平衡产生影响。当系统的功率消耗降低时，调节电压差ΔUS补偿主变压器低压侧电压的降低，最终实现ΔUL的稳定。此时损耗的功率为:

3 无功控制策略

常规的九区图供电电压和无功功率的调节判据是不相关联的。供电电压调节的判定依据是电压范围是否满足要求；无功功率调节则是依据功率平衡原则和并联电容器组的投切原则，但是并没有考虑到对供电电压的影响。因此提出了模糊无功边界九区图控制策略，在原有基础上引入了电压状态，将确定的无功功率判定上下限变更为模糊边界，从而形成了适用范围更加宽泛的模糊边界九区图。如图2所示。

图2 模糊无功边界九区图

其中，U为主变压器低压侧电压，Un为母线电压额定值，U上限、U下限为母线电压上下限，Q上限、Q下限为无功功率上下限。当主变压器低压侧电压偏高但是并未触发上限，此时高压侧的无功功率没有过多剩余，则没有必要投入并联电容器组进行无功补偿；反之，当主变压器低压侧电压偏低但是并未触发下限，此时高压侧的无功功率没有严重缺乏，也没有必要投入并联电容器组进行无功补偿。模糊无功边界九区图的判定依据更为合理，避免了并联电容器组频繁投切造成的异常情况。

如图2所示，当系统运行在Δabc区域中时，UnU>U下限，虽然此时无功功率接近原下限Q下限，供电电压的波动可能会低于U下限，从而进入到5区域，造成供电电压过低而触发主变压器分接抽头调节，但是根据无功功率新下限Q下限，Δcde处于3区域，会触发投入并联电容器进行无功补偿，使得供电电压回升，不需要调节主变压器分接抽头。

由图2可知，无功补偿不触发区域Δabc的面积与无功补偿触发区域Δcde的面积完全相同；同理，无功补偿不触发区域Δfgh的面积与无功补偿触发区域Δhmn的面积完全相同；所以主变压器分接抽头调节和无功功率补偿效果完全一致。该控制策略有效降低了主变压器分接抽头的不必要调节次数，在实现了系统供电电压稳定和无功功率平衡的同时，延长了元器件的使用寿命，降低了电力系统的不必要损耗。

4 无功自动控制装置的实现

4.1 控制装置架构

控制装置包含中央控制单元、信号处理单元、开关量输入/输出单元、通信控制单元、显示单元等组成，具体的架构图如3所示。

4.2 主变压器分接抽头调节原则

(1)多台变压器并联运行时，必须进行同步调节，避免产生系统环流；

(2)并联运行的变压器分接抽头档位必须保持完全一致；

(3)变压器分接抽头档位需要逐级进行，不可跳档，两次调节需要间隔一定时间；

(4)补偿变压器超过负荷时，开关拒绝执行命令，需要触发闭锁保护。

图3 控制装置架构

4.2 并联电容器组投切原则

(1)先投入的先切除，后投入的后切除；

(2)多台主变压器既有联系又相互独立的情况下，主变压器自有电容器组应当分别切除；

(3)电容器组检修作业中，触发过电压保护时，能够触发闭锁保护。

5 结论

本文基于电力系统安全稳定运行及电能质量的角度出发，分析了供电电压控制与无功功率控制之间的关系及无功功率控制得目标以及实现原理和实现方法；基于常规的九区图控制策略，提出了模糊无功边界九区图控制策略，在实现了系统供电电压稳定控制和无功功率平衡的同时，降低了电力系统的不必要损耗，完全符合电力系统对于供电电压稳定和无功功率平衡的需求，具有较好的经济性和可操作性。