无功电压控制概述
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作者: 李跃武
一、引言
无功电压控制问题对提高电力系统的安全性和经济性具有重要意义，一直得到研究人员和运行人员的关注。由于电网中某些地区无功不足造成局部电压下降进而导致全网电压水平下降最终使系统发生的电压崩溃对国民经济会造成极大的危害。为了提高系统电压稳定水平, 防止电压崩溃事故的发生是电力系统安全运行必须考虑的问题。在各种电压控制方案中，由法国EDF最早提出的分级电压控制是一种很有吸引力的方案，并且已在意大利、比利时、西班牙等国家的电网中得到了较好的应用。
二、电压稳定控制的概念
从电力系统电压稳定性看，电力系统运行状态空间可以分为三个区域，稳定区、弱稳定区，以及不稳定区，其重要区别为：
1、稳定区域A，系统没有电压问题，具有大的负载能力SA；
2、弱稳定区域B，系统无功储备不足，一些控制设备达到它的运行极限，只有比较小的负载能力SB；
3、不稳定区域C，此时潮流方程无解并发生电压崩溃。
我们可以根据不同的控制目的将电压稳定控制分为预防性控制和校正性控制。预防性控制是指系统在发生故障或者负荷连续增长的情况下运行点接近稳定边界，有电压崩溃的可能，需要进行稳定控制使运行点远离稳定边界，保持一定的稳定裕度，预防电压崩溃事故的发生，即将运行状态SB拉回到运行状态SA，从弱稳定区域回到稳定区域运行。此时的电力系统仍然处于稳定状态，操作人员有足够的时间选择控制方式，因此预防性控制可以是一种慢速的、调节性的控制。
校正性控制是指在发生严重故障或负荷连续快速增长等情况下系统处于电压不稳定或电压崩溃的过程中，在这种紧急状态下进行控制使系统能够恢复稳定并保持一定的稳定裕度，即将系统运行点从不稳定区域C拉回到稳定区域A。由于此时的系统已经处于不稳定状态，需要尽快地采取控制措施，因此校正性控制是一种快速、紧急的控制方法。
不同控制对电压稳定性有不同的影响，有一些具有灵敏度的控制作用，好的电压控制应能以最小的控制代价获得最大的负载能力的增加。
实际电力系统中，有许多控制作用对电压稳定性有影响。电压稳定性控制策略研究需要辨别这些控制作用，哪一个影响最强，在哪儿和如何采取控制。
三、 电压稳定分层分区控制
电力系统电压具有分层分区的特点，因此相应的电压稳定控制也应是分层分区的。分层控制就是要维持各个电压等级的电压在合适的范围，尽量避免和减少无功功率在不同电压等级之间的传输。
电压稳定分区控制可分为本地控制、区域控制和全局控制。本地控制通过测量本地的电压、电流、功率等物理量，根据其变化决定稳定控制方式。由于本地控制只需要测量小范围内的物理量，不需要复杂的通信设备的支持，因而成本低，可靠性高。同时由于不需要考虑与其他地点控制设备间的配合，其控制规律也相对简单，相应速度快。本地控制可以是系统的备用控制方式，也可以是一个独立的控制方法。
区域控制是控制一个范围内电压水平和功率分布，这个区域可能包括一条或一组传输线、变电站、HVDC变换站、FACTS等电网的关键部分。二次电压控制就是一种典型的区域控制方法。
全局控制需要控制整个系统的电压水平和功率分布，使系统处于最稳定、经济的运行状态。全局控制一般通过监视和控制电网中的关键节点(如重要发电机节点和网络的枢纽节点)来实现对整个系统的控制。
四、电力系统电压自动控制
4.1一次控制
由于负荷的自然波动、网络拓扑改变和偶然事故造成的快速随机电压变化。先由交流发电机本身的一次电压调节系统部分地吸收。在发生高振幅电压波动时，变压器上的带负荷抽头切换装置开始工作，并联电容器自动投切。这种一次控制是分散的、自动的，往往是根据电压的高低而动作的，其目的是维持节点电压在一定范围内。
4.2 二次控制
按电压的观点将超高压电网分成不同的控制区域，在每一个区域里面可以保持一个大体上平坦的电压水平，且每一个区域内有一个或数个特殊节点，即“控制节点”，控制节点上的电压波动代表着整个控制区域内的电压波动。该区域内所有发电机及无功功率补偿设备，都是根据控制节点电压水平进行调整。二次控制系统是通过改变控制区域内的发电机励磁调节器的整定值自动地进行校正动作。二次控制系统也可以直接投切并联电容器，改变带负荷调节变压器分接头的位置。系统的时间常数大约为数分钟。采用二次电压控制的主要功能是：
1、在正常运行和事故情况下，各个区域中的电压都保持接近于调度中心所给定的整定值。其控制信号是为包含多个控制节点的地区而计算的，考虑到了该地区所有电压等级上的每台发电机的作用。
2、地区计算机计算出的控制信号是直接加在每台发电机励磁调节器上的整定电压。
3、对发电机产生的无功功率进行协调，减少无功功率的流动，但并不是加上严格的校正约束。
4、控制系统监视着有限数目的控制节点或“关注”节点的电压。关注节点是一组根据经验选择的节点，由于电网结构的原因，它们的电压不能反映在控制节点上，包括线路末端节点和电缆网供电节点等。
5、控制系统根据各个发电机的工作范围计算控制信号，从而将各发电机工作点保持在允许的范围之内。
6、闭环系统的暂态特性是：不带超调量的无静压调整，1～2min的时间常数，各控制电压的闭环不相互关联，一个控制电压的修改不影响其他回路。
4.3 三次控制
三次控制是以经济和安全准则优化电网的运行状态，对各二次电压控制区进行协调。控制方式是用位于中央调度所的三次电压调节器控制位于各个地区调度所的二次电压调节器。这种自动控制功能尚未实现，例如在法国，三次控制是按国家调度中心电话的要求手动进行的。
实际上，电压的运行水平、无功功率的供给以及无功功率的设备，直接关系到系统的安全运行，无功功率缺乏和电压支持弱甚至会造成电压崩溃。已有学者提出要考虑三种运行方式下的无功功率控制和管理。
1、正常运行方式下。
2、在安全被削弱的情况下。
3、在扰动/紧急情况下。
安全被削弱指的是发生线路开断的情况。线路开断一般很少发生，但为了满足在发生线路开断后系统仍然保持安全运行状态，开断前系统将运行在一种很不经济的方式或者说系统为此付出了高昂的代价。现在的一种趋势是开断时间内允许出现过负荷等现象，但通过校正控制可以使系统回到一个非扰动状态。这种运行模式称为事故后的重新调整。
紧急状态是指由于一系列的事件，电网将出现过负荷、低电压、不稳定等情况。一类紧急状态时间很短，不可能通过手动操作加以校正。另一类紧急状态可延续一段时间，足够采取一些对策。紧急状态控制的目标必须是使系统恢复到正常状态或者把扰动限制在局部地区内。如果所有连续性控制手段，如发电机、无功功率补偿装置等提供的无功功率已经用尽，就要采取一些开断操作和切除部分负荷的措施。
五、结束语
电力系统的电压具有分层分区的特点，因此相应的电压稳定控制也应是分层分区的。因此，通过分层控制维持各个电压等级的电压在合适的范围内，可以有效地避免和减少无功功率在不同电压等级之间的传输。
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