謝文濤

(江蘇國信儀征熱電有限責任公司，江蘇 儀征 211400)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的大型用電設(shè)備數(shù)量不斷增加，對于電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量提出了更高的要求[1－2]。電力系統(tǒng)中，無功控制對于維持電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性至關(guān)重要，如何實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定控制以及功率因數(shù)的合理控制，對于提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性具有重大意義[3]。

當電力系統(tǒng)中無功功率的輸出較低時，會造成電力系統(tǒng)供電電壓降低；當電力系統(tǒng)中無功功率輸出較高時，會造成電力系統(tǒng)供電電壓上升；系統(tǒng)供電電壓過高或過低都會對用電設(shè)備的正常運行造成影響，使得電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益降低[4－5]。所以，為了確保電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，電力系統(tǒng)必須具備自主實現(xiàn)供電電壓穩(wěn)定控制和系統(tǒng)無功功率準確調(diào)節(jié)的功能[6]。

2 無功控制目標及原理分析

2.1 無功控制目標

變電站的自動無功控制是指控制系統(tǒng)供電電壓始終在規(guī)定的范圍內(nèi)，以及電網(wǎng)的無功功率處于平衡狀態(tài)，并且要求最大限度減少變壓器分接抽頭的調(diào)檔次數(shù)以及無功補償電容器組的投切次數(shù)[7]。具體來說，無功控制目標包含三點:

(1)保證系統(tǒng)供電電壓處于規(guī)定范圍內(nèi)，即UL≤UT2≤UH(UL和UH分別代表規(guī)定電壓范圍的下限值和上限值)。供電電壓的調(diào)節(jié)可以通過改變變壓器二次側(cè)分接抽頭和投切無功補償電容器組相結(jié)合的方式實現(xiàn)。

(2)控制電力系統(tǒng)無功功率平衡的前提是電力系統(tǒng)能夠輸出的無功功率不小于系統(tǒng)負荷消耗的無功功率和線路損耗。因此電力系統(tǒng)變電站主變壓器高壓側(cè)輸出的無功功率Q1需要滿足:QL≤Q1≤QH，(QL和QH分別代表主變壓器高壓側(cè)輸出無功功率的下限值和上限值)；電力系統(tǒng)變主變壓器高壓側(cè)的功率因數(shù)cos(φ)需要滿足:cos(φL)≤cos(φ)≤cos(φH)，(cos(φL)和 cos(φH)分別代表主變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)的下限值和上限值)。在常規(guī)情況下，輸電線路送入到變電站的無功功率應(yīng)該為正值。

(3)為了實現(xiàn)供電電壓處于規(guī)定范圍內(nèi)，以及無功功率處于平衡狀態(tài)的基本目標，需要對系統(tǒng)調(diào)壓變壓器和無功補償電容器組進行合理的控制。在進行電參量有效調(diào)節(jié)的同時，也需要降低調(diào)壓變壓器和無功補償電容器組的無效動作。過多進行調(diào)節(jié)動作，會對器件的電氣性能及使用壽命造成影響。

2.2 無功控制原理

變電站通常情況下都是通過調(diào)節(jié)變壓器分接抽頭和投切無功補償電容器組的方式來實現(xiàn)供電電壓與無功功率的控制；調(diào)節(jié)變壓器分接抽頭的方式[8]，不僅能夠調(diào)節(jié)供電電壓，還會對無功功率產(chǎn)生影響；投切無功補償電容的方式，在調(diào)節(jié)無功功率的同時也影響了供電電壓[9]。

變電站采取了就地調(diào)節(jié)的原則，調(diào)節(jié)站內(nèi)的裝置實現(xiàn)供電電壓和無功功率的調(diào)節(jié)[10]。以最基本的電力系統(tǒng)為研究對象，主變壓器選擇有載調(diào)壓變壓器，電容采用并聯(lián)電容器組，其等值電路如圖1所示。

圖1 變電站等值電路原理圖

其中，為US變電站的系統(tǒng)輸出電壓，UT1、UT2為主變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓，UL為系統(tǒng)負荷端電壓，KT為主變壓器的變比，PL、QL為負荷的有功功率和無功功率，QC為并聯(lián)電容器組補償?shù)臒o功功率，RS、XS、RL、XL為線路阻抗，RT、XT為變壓器阻抗。

當無功補償電容器組未投入，其忽略線路無功損耗的情況下，則存在公式:

整理得到:

其中，UL和是一對共軛復(fù)數(shù)，得到UL的垂直分量為:

由此得到:

由上式可知，為了保證負荷端電壓UL與額定電壓ULN之間偏差處于最小值，變壓器低壓側(cè)電壓UT2必須與負荷PL＋jQL保持同步變化，能夠維持負荷端電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，也實現(xiàn)了對無功功率的補償。

(1)對變比進行調(diào)節(jié)

當系統(tǒng)的負荷增加后，通過調(diào)節(jié)主變壓器分接抽頭降低主變壓器變比KT值，就能夠提高主變壓器低壓側(cè)的電壓UT2，并且補償線路上的功率損耗；反之，通過提高主變壓器變比KT值，實現(xiàn)電壓和無功功率的新平衡。通過主變壓器分接抽頭調(diào)節(jié)的方式需要隨著系統(tǒng)的負荷變化進行，確保系統(tǒng)輸出更優(yōu)質(zhì)的電能。

(2)投切并聯(lián)電容器組

計算公式中，不考慮到UL的垂直分量，并且并聯(lián)電容器組未投入，主變壓器低壓側(cè)電壓為:

投入并聯(lián)電容器組后:

由上述兩個公式可知，并聯(lián)電容器組的投切會對供電電壓及無功功率的平衡產(chǎn)生影響。當系統(tǒng)的功率消耗降低時，調(diào)節(jié)電壓差ΔUS補償主變壓器低壓側(cè)電壓的降低，最終實現(xiàn)ΔUL的穩(wěn)定。此時損耗的功率為:

3 無功控制策略

常規(guī)的九區(qū)圖供電電壓和無功功率的調(diào)節(jié)判據(jù)是不相關(guān)聯(lián)的。供電電壓調(diào)節(jié)的判定依據(jù)是電壓范圍是否滿足要求；無功功率調(diào)節(jié)則是依據(jù)功率平衡原則和并聯(lián)電容器組的投切原則，但是并沒有考慮到對供電電壓的影響。因此提出了模糊無功邊界九區(qū)圖控制策略，在原有基礎(chǔ)上引入了電壓狀態(tài)，將確定的無功功率判定上下限變更為模糊邊界，從而形成了適用范圍更加寬泛的模糊邊界九區(qū)圖。如圖2所示。

圖2 模糊無功邊界九區(qū)圖

其中，U為主變壓器低壓側(cè)電壓，Un為母線電壓額定值，U上限、U下限為母線電壓上下限，Q上限、Q下限為無功功率上下限。當主變壓器低壓側(cè)電壓偏高但是并未觸發(fā)上限，此時高壓側(cè)的無功功率沒有過多剩余，則沒有必要投入并聯(lián)電容器組進行無功補償；反之，當主變壓器低壓側(cè)電壓偏低但是并未觸發(fā)下限，此時高壓側(cè)的無功功率沒有嚴重缺乏，也沒有必要投入并聯(lián)電容器組進行無功補償。模糊無功邊界九區(qū)圖的判定依據(jù)更為合理，避免了并聯(lián)電容器組頻繁投切造成的異常情況。

如圖2所示，當系統(tǒng)運行在Δabc區(qū)域中時，UnU>U下限，雖然此時無功功率接近原下限Q下限，供電電壓的波動可能會低于U下限，從而進入到5區(qū)域，造成供電電壓過低而觸發(fā)主變壓器分接抽頭調(diào)節(jié)，但是根據(jù)無功功率新下限Q下限，Δcde處于3區(qū)域，會觸發(fā)投入并聯(lián)電容器進行無功補償，使得供電電壓回升，不需要調(diào)節(jié)主變壓器分接抽頭。

由圖2可知，無功補償不觸發(fā)區(qū)域Δabc的面積與無功補償觸發(fā)區(qū)域Δcde的面積完全相同；同理，無功補償不觸發(fā)區(qū)域Δfgh的面積與無功補償觸發(fā)區(qū)域Δhmn的面積完全相同；所以主變壓器分接抽頭調(diào)節(jié)和無功功率補償效果完全一致。該控制策略有效降低了主變壓器分接抽頭的不必要調(diào)節(jié)次數(shù)，在實現(xiàn)了系統(tǒng)供電電壓穩(wěn)定和無功功率平衡的同時，延長了元器件的使用壽命，降低了電力系統(tǒng)的不必要損耗。

4 無功自動控制裝置的實現(xiàn)

4.1 控制裝置架構(gòu)

控制裝置包含中央控制單元、信號處理單元、開關(guān)量輸入/輸出單元、通信控制單元、顯示單元等組成，具體的架構(gòu)圖如3所示。

4.2 主變壓器分接抽頭調(diào)節(jié)原則

(1)多臺變壓器并聯(lián)運行時，必須進行同步調(diào)節(jié)，避免產(chǎn)生系統(tǒng)環(huán)流；

(2)并聯(lián)運行的變壓器分接抽頭檔位必須保持完全一致；

(3)變壓器分接抽頭檔位需要逐級進行，不可跳檔，兩次調(diào)節(jié)需要間隔一定時間；

(4)補償變壓器超過負荷時，開關(guān)拒絕執(zhí)行命令，需要觸發(fā)閉鎖保護。

圖3 控制裝置架構(gòu)

4.2 并聯(lián)電容器組投切原則

(1)先投入的先切除，后投入的后切除；

(2)多臺主變壓器既有聯(lián)系又相互獨立的情況下，主變壓器自有電容器組應(yīng)當分別切除；

(3)電容器組檢修作業(yè)中，觸發(fā)過電壓保護時，能夠觸發(fā)閉鎖保護。

5 結(jié)論

本文基于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行及電能質(zhì)量的角度出發(fā)，分析了供電電壓控制與無功功率控制之間的關(guān)系及無功功率控制得目標以及實現(xiàn)原理和實現(xiàn)方法；基于常規(guī)的九區(qū)圖控制策略，提出了模糊無功邊界九區(qū)圖控制策略，在實現(xiàn)了系統(tǒng)供電電壓穩(wěn)定控制和無功功率平衡的同時，降低了電力系統(tǒng)的不必要損耗，完全符合電力系統(tǒng)對于供電電壓穩(wěn)定和無功功率平衡的需求，具有較好的經(jīng)濟性和可操作性。