電力系統電壓穩定及其靜態補償技術綜述

于同偉,馮 柳,孫 鑫

（1.東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.沈陽供電公司,遼寧 沈陽 110003）

1 影響電力系統電壓穩定的因素

電力系統的穩定涉及有功功率和頻率控制。系統頻率恒定能保證異步和同步電動機速度恒定。頻率恒定依賴于有功功率的平衡。區域有功功率的供需變化通過頻率變化反映到整個系統。系統中的每臺發電機通過調速器提供了基本的速度調節功能,來自調度中心的輔助控制信息將分配發電機的發電容量,使有功功率得到平衡,穩定了系統頻率。

電力系統的穩定還涉及無功功率及電壓控制。控制目標應滿足：系統中所有裝置的端電壓在可接受的限值內;為保證最大限度利用輸電系統,應加強系統穩定性;使無功功率傳輸最小（輸電系統主要用于有功功率的傳輸）。

負荷變化時輸電系統對無功功率的要求也變化。由于無功功率不能長距離傳輸,電壓通過遍布整個系統的電力裝置來進行有效控制。因此要對控制無功功率和電壓裝置進行選擇和協調（與頻率控制相反,頻率控制取決于全系統的有功功率平衡）。

在現代電力系統中弱系統、長路線、重負載均會引發電壓穩定問題,甚至導致電網崩潰事故。

電壓穩定性是電力系統在正常條件下及受到擾動后,維持系統中所有母線電壓在可接受水平的能力。在發生擾動、增加負荷或改變系統條件時電壓逐漸失去控制衰減,電力系統就進入電壓不穩定狀態。

不能滿足負荷的無功需求是引起不穩定的主要因素。電壓穩定問題通常發生在重負荷系統中。導致電壓崩潰的擾動可能有不同的誘因,除電網強度和功率傳輸水平外,影響系統電壓崩潰的主要因素包括發電機無功功率/電壓控制極限、負荷特性、無功補償裝置特性及電壓控制裝置（如帶負荷調節抽頭的變壓器）特性。

2 電壓崩潰的典型順序和關鍵因素

2.1 典型順序

a.電力系統經歷非正常運行條件,負荷中心附近的大型發電機組退出運行。其結果使一些高壓線路重載,無功電源處于較低水平。

b.因事件觸發,重負荷線路跳閘,導致相鄰線路增加負荷,高于自然功率,快速增加無功吸收,引起對系統的大量無功需求。

c.無功需求增加,導致臨近負荷中心電壓顯著降低。發電機的自動勵磁調節器通過增加勵磁,恢復端電壓,增加的無功潮流將增大流經線路及元器件的壓降。

d.配電系統的變電站變壓器將通過調整分接頭恢復區域電壓水平到故障前水平。每次調整都增加輸電線路的負荷,使得損耗加大,壓降增加。

e.無功需求進一步增加,導致發電機無功輸出增加,逐漸接近極限無功容量輸出。當有1臺發電機達到極限時,其端電壓就會降低,若仍然維持原有的有功出力則定子電流將增加,從而使發電機無功出力隨著電壓的降低而減少。這些無功需要其他發電機分擔,導致更多的發電機過負荷。這個過程最終導致電壓崩潰、發電機組失步及大面積停電。

2.2 關鍵因素

在已有的系統網架、運行方式及潮流水平下,電壓崩潰過程中有2個關鍵因素：電源與負荷距離遠,其本質是感抗大、潮流大時無功需求大;低電壓工況下,帶負荷調節功能的變壓器動作形成了無功惡化的正反饋。

3 電壓穩定控制手段

3.1 系統設計措施

a.應用無功功率補償裝置。需要考慮方式、地點和容量問題。

b.控制網絡電壓和發電機無功輸出。發電機電壓自動控制是以發電機端電壓穩定為控制目標。以網絡電壓為控制目標的發電機電壓二次控制是可行方案。

c.保護和各種控制的協調。保護應是最后的手段,只要可能就應允許采取各種控制措施（自動或手動）消除過負荷。目前最好的手段是應用RTDS系統進行動態模擬。

d.控制變壓器分接頭調節。分接頭調節就地或集中控制。

e.低壓切負荷。適用于導致不穩定的系統工況及事故發生的概率低但后果嚴重的電力區域。低電壓設計必須區分故障、暫態電壓降低及導致電壓崩潰的低電壓工況[1]。

3.2 無功功率補償裝置

a.并聯電容器。補償線路及變壓器的I2X損耗,保證在重負荷下也能有滿意的電壓水平。并聯補償是以犧牲穩定區域及電壓調節范圍為代價,應適當應用。

b.串聯電容器。無功功率的輸出隨著線路負載增加而增加。增加穩定極限,改善電壓調節。次同步諧振及過電壓是制約其應用的主要問題。

c.可控串聯補償裝置（TCSC）。解決串聯電容補償出現的次同步振蕩問題。

d.同步調相機。沒有有功輸出的同步機,電壓控制特性與同步發電機相同。

e.靜止無功補償器（SVC）。直接快速進行電壓控制。低次諧波含量較大,需裝濾波器。超過補償能力極限后SVC就等同于并聯電容。目前,我國輸電系統中共有6套大容量SVC投入使用,分別裝設在廣東江門、湖南云田、湖北鳳凰山（2套）、河南小劉及遼寧沙嶺的500 kV變電站中。國內現在有2家供貨商：中國電科院電力電子公司,鞍山榮信電力電子公司。

ABB公司應用SVC提高電壓穩定性的應用工程實例為Saudi Arabian 380 kV系統。ABB為SEC -CRB輸電網提供2臺SVC。

Siemens公司在巴西Enelpower 500 kV電網提供了±250Mvar的SVC,為Funil-substation 220 kV電網提供了200 Mvar到-100 Mvar的SVC;為美國NationalGrid Company Hark 275 kV電網提供150 Mvar到-75 Mvar的SVC;為印度尼西亞PLN 150 kV電網提供50 Mvar到-25 Mvar的SVC;為巴拉圭ANDE 220 kV電網提供250 Mvar到-125 Mvar的SVC。

靜止同步補償器（STATCOM）。是由三相逆變器和并聯電容器構成,其輸出的三相交流電壓與所接電網電壓的三相電壓同步。整個裝置的無功功率大小或極性均由電流來調整,從而調整輸電線路的無功功率,動態地使電壓保持在一定范圍之內,以利于提高電力系統穩定。STATCOM不僅可校正穩態運行電壓,還可在故障后恢復期間高速穩定電壓,對提高電力系統暫態穩定十分重要,對電網電壓的控制能力很強。理論上講,直流側電容器只是用來維持直流電壓,不需要多大容量,而且這些電容由直流電容器構成,體積小、價格低。STATCOM整體功能類似于同步調相機,調節范圍大,不會發生響應遲緩,反應速度快,沒有轉動設備的機械慣性、機械損耗和旋轉噪聲。STATCOM是一種完全的固態裝置,既能響應網絡中的穩態,也能響應暫態變化,其控制響應速度比同步調相機快一個數量級。STATCOM是個電壓源,其電流值不受系統電壓的影響,控制電壓的能力強。由于沒有濾波器,占地面積小。

ABB公司于2004年12月在美國投運了1臺+ 100 Mvar/138 kV STATCOM,取代了1臺調相機。

4 電壓穩定控制領域的新方向

4.1 分布式可控串補

美國電力電子專家Divan.D.M教授于2004年提出了分布式柔性交流輸電系統（Distributed Flexible AC Transmission Systems,縮寫為D—FACTS）的概念。這是一種新型FACTS技術,該技術是將目前集中FACTS裝置實現的功能由大量的分布式靜止串聯補償器（DSSC）來完成。每個分布式控制器的補償度很小,因而容量也較小（約10 kVA）,可以制作得足夠輕巧,直接懸掛于電力系統輸電線上,以實現和傳統FACTS可控串補相近的功能。通過好的控制策略,可控串補可以實現的功能分布式基本都可以實現。因為是直接掛在線路上,可以采用等電位設計,不存在高電壓絕緣的問題,且因為容量比較小,不存在大電流的問題,可以采用市場上低價格的電力電子器件,采用成熟的低壓設計和制造技術,降低成本,提高可靠性。

分布式可控串補比集中式串聯補償有以下優點：

a.1個分布式串補單元出現問題可直接退出,不影響其它單元的運行;

b.安裝不需要額外占地;

c.可安裝在最佳位置;

d.使小容量DSSC機械地夾在傳輸線上,無需中斷線路,避免了絕緣等問題;

e.DSSC可以根據輸配電網絡潮流需求,分期分批制造和投入。

項目實施可以縮短電氣距離,很容易實現均衡線路潮流的作用;可以檢測線路的故障電流,對故障定位起到輔助作用;安裝視頻代替故障巡線等。

4.2 廣域測量與控制技術應用

傳統的電力系統控制都是就地測量就地控制,觀測控制設備的出口,只能改善出口側的性能。但隨著PMU（電源管理單元）在電力系統中大量安裝,構建了WAMS（廣域測量系統）為新型控制系統的應用提供了可能。

WAMS能夠實時將分布在電網各個地方的所有PMU的測量數據傳送到調度中心。基于關于測量的控制方法就是從中選取觀測量,然后去控制系統中任意位置的控制設備（發電機勵磁系統、直流控制系統、SVC/STATCOM控制系統、集中式/分布式可控串補系統等）。

4.3 新型勵磁控制NR-PSS（魯棒非線性電力系統穩定器）

在系統發生大擾動的情況下,NR-PSS能使閉環系統適應運行點的大范圍變化,與目前應用的PSS-2A相比,大大提高系統的大干擾穩定性,提高系統小擾動和大擾動穩定極限。

大范圍應用NR-PSS將大幅度提高整個電網的電壓穩定極限,提高安全裕度,同時快速恢復系統中的故障及操作引發的動態響應。大大降低了由各種事件有可能觸發系統電壓不穩定的可能性。

[1] PRABHA KUNDUR.電力系統穩定與控制[M]北京：中國電力出版社,2002.