變電站自動無功控制裝置的研究與實現

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

隨著社會經濟和工業生產的發展，電力系統中的大型用電設備數量不斷增加，對于電力系統的供電質量提出了更高的要求[1－2]。電力系統中，無功控制對于維持電力系統電壓穩定性至關重要，如何實現電壓的穩定控制以及功率因數的合理控制，對于提高電力系統的運行穩定性具有重大意義[3]。

當電力系統中無功功率的輸出較低時，會造成電力系統供電電壓降低；當電力系統中無功功率輸出較高時，會造成電力系統供電電壓上升；系統供電電壓過高或過低都會對用電設備的正常運行造成影響，使得電力系統運行的經濟效益降低[4－5]。所以，為了確保電力系統的運行穩定性和經濟性，電力系統必須具備自主實現供電電壓穩定控制和系統無功功率準確調節的功能[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供電電壓始終在規定的范圍內，以及電網的無功功率處于平衡狀態，并且要求最大限度減少變壓器分接抽頭的調檔次數以及無功補償電容器組的投切次數[7]。具體來說，無功控制目標包含三點:

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

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

(3)為了實現供電電壓處于規定范圍內，以及無功功率處于平衡狀態的基本目標，需要對系統調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節的同時，也需要降低調壓變壓器和無功補償電容器組的無效動作。過多進行調節動作，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節變壓器分接抽頭和投切無功補償電容器組的方式來實現供電電壓與無功功率的控制；調節變壓器分接抽頭的方式[8]，不僅能夠調節供電電壓，還會對無功功率產生影響；投切無功補償電容的方式，在調節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節的原則，調節站內的裝置實現供電電壓和無功功率的調節[10]。以最基本的電力系統為研究對象，主變壓器選擇有載調壓變壓器，電容采用并聯電容器組，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變電站的系統輸出電壓，UT1、UT2為主變壓器高壓側和低壓側的電壓，UL為系統負荷端電壓，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為并聯電容器組補償的無功功率，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和是一對共軛復數，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定范圍內，也實現了對無功功率的補償。

(1)對變比進行調節

當系統的負荷增加后，通過調節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，實現電壓和無功功率的新平衡。通過主變壓器分接抽頭調節的方式需要隨著系統的負荷變化進行，確保系統輸出更優質的電能。

(2)投切并聯電容器組

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

投入并聯電容器組后:

由上述兩個公式可知，并聯電容器組的投切會對供電電壓及無功功率的平衡產生影響。當系統的功率消耗降低時，調節電壓差ΔUS補償主變壓器低壓側電壓的降低，最終實現ΔUL的穩定。此時損耗的功率為:

3 無功控制策略

常規的九區圖供電電壓和無功功率的調節判據是不相關聯的。供電電壓調節的判定依據是電壓范圍是否滿足要求；無功功率調節則是依據功率平衡原則和并聯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圖控制策略，在原有基礎上引入了電壓狀態，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圖。如圖2所示。

圖2 模糊無功邊界九區圖

其中，U為主變壓器低壓側電壓，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。當主變壓器低壓側電壓偏高但是并未觸發上限，此時高壓側的無功功率沒有過多剩余，則沒有必要投入并聯電容器組進行無功補償；反之，當主變壓器低壓側電壓偏低但是并未觸發下限，此時高壓側的無功功率沒有嚴重缺乏，也沒有必要投入并聯電容器組進行無功補償。模糊無功邊界九區圖的判定依據更為合理，避免了并聯電容器組頻繁投切造成的異常情況。

如圖2所示，當系統運行在Δabc區域中時，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區域，造成供電電壓過低而觸發主變壓器分接抽頭調節，但是根據無功功率新下限Q下限，Δcde處于3區域，會觸發投入并聯電容器進行無功補償，使得供電電壓回升，不需要調節主變壓器分接抽頭。

由圖2可知，無功補償不觸發區域Δabc的面積與無功補償觸發區域Δcde的面積完全相同；同理，無功補償不觸發區域Δfgh的面積與無功補償觸發區域Δhmn的面積完全相同；所以主變壓器分接抽頭調節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節次數，在實現了系統供電電壓穩定和無功功率平衡的同時，延長了元器件的使用壽命，降低了電力系統的不必要損耗。

4 無功自動控制裝置的實現

4.1 控制裝置架構

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

4.2 主變壓器分接抽頭調節原則

(1)多臺變壓器并聯運行時，必須進行同步調節，避免產生系統環流；

(2)并聯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，兩次調節需要間隔一定時間；

(4)補償變壓器超過負荷時，開關拒絕執行命令，需要觸發閉鎖保護。

圖3 控制裝置架構

4.2 并聯電容器組投切原則

(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系又相互獨立的情況下，主變壓器自有電容器組應當分別切除；

(3)電容器組檢修作業中，觸發過電壓保護時，能夠觸發閉鎖保護。

5 結論

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