電壓穩(wěn)定約束下的無功補(bǔ)償探討

摘 要:為提升電力系統(tǒng)安全水平，在無功補(bǔ)償優(yōu)化中有必要考慮壓穩(wěn)定約束。下面，本文就對壓穩(wěn)定約束下的無功補(bǔ)償進(jìn)行探討，從壓穩(wěn)定約束下的補(bǔ)償點(diǎn)選擇、補(bǔ)償方式選擇和補(bǔ)償量計(jì)算方面分別進(jìn)行論述，以對其相關(guān)內(nèi)容進(jìn)一步明確。探討壓穩(wěn)定約束下的無功補(bǔ)償對于電力行業(yè)的未來發(fā)展具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞:電壓穩(wěn)定 無功補(bǔ)償 選擇 計(jì)算

中圖分類號(hào):TM71文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098x(2012)04(a)-0055-01

近年來，電壓穩(wěn)定始終是國際電力界非常關(guān)注的重要課題，電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題已經(jīng)成為制約電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展的巨大障礙，但至今人們對于電壓失穩(wěn)的確切原因仍無法完全解釋。從本質(zhì)上來講，電壓穩(wěn)定是一個(gè)功率問題，而問題的根源往往是局部無功短缺，為此，無功補(bǔ)償就成為預(yù)防電壓失穩(wěn)的常用方式，但因系統(tǒng)電壓水平同系統(tǒng)失穩(wěn)不存在必然聯(lián)系，故探討壓穩(wěn)定約束下的無功補(bǔ)償十分必要。

1 電壓穩(wěn)定問題的出現(xiàn)

對于電力工業(yè)來講，電壓穩(wěn)定和控制問題并不是新的概念，但在許多電力系統(tǒng)中其受重視程度則非常之高。過去電壓問題主要伴隨長線路和弱系統(tǒng)，在高度發(fā)達(dá)電網(wǎng)中，因負(fù)載重，而使電壓穩(wěn)定問題成為焦點(diǎn)。隨著近年來，一些大電網(wǎng)崩潰事故的發(fā)生，均是由不穩(wěn)定的電壓造成的，如比利時(shí)北部系統(tǒng)故障、瑞典系統(tǒng)故障等。從而將電壓穩(wěn)定問題推至一個(gè)新高度，成為當(dāng)前擺在電力領(lǐng)域的重要課題。

2 以往補(bǔ)償方式存在的缺陷

在以往無功補(bǔ)償中，常用指示為系統(tǒng)運(yùn)行電壓，并選擇系統(tǒng)內(nèi)較低電壓水平的負(fù)荷點(diǎn)來實(shí)施補(bǔ)償，然而雖然系統(tǒng)電壓幅值同其系統(tǒng)穩(wěn)定形狀有著一定的關(guān)系，但并不完全相同，在較高系統(tǒng)電壓的情況下，可能發(fā)生電壓失穩(wěn)現(xiàn)象，由此可以看出，以往補(bǔ)償方式主要具有以下方面的缺陷:第一，系統(tǒng)穩(wěn)定性的唯一指標(biāo)為電壓，缺乏完善的理論依據(jù);第二，只能依據(jù)某一系統(tǒng)場景來計(jì)算，且在依據(jù)不同場景所得結(jié)論可能存在較大差異;第三，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存在多個(gè)低壓節(jié)點(diǎn)時(shí)，對其進(jìn)行排序無法實(shí)現(xiàn)，選擇補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)表現(xiàn)出盲目性;第四，缺乏補(bǔ)償手段選用的相關(guān)指導(dǎo)，補(bǔ)償方式在選擇時(shí)表現(xiàn)出盲目性。

無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率(鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率)來發(fā)光外，還需80乏左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對外做功，才被稱之為“無功”。無功功率的符號(hào)用Q表示，單位為乏(Var)或千乏(kVar)。

無功功率并不是無用功率，它的用處很大。電動(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒有無功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì)吸合。在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路上，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換。這樣，感性負(fù)荷所需要的無功功率可有容性負(fù)荷輸出的無功功率來補(bǔ)償。實(shí)質(zhì)上就是把原來由電網(wǎng)或者變壓器提供的無功功率，改為由交流電力電容器來提供。

3 壓穩(wěn)定約束下的無功補(bǔ)償

基于上述缺陷，本文采用L1(局部電壓穩(wěn)定指標(biāo))來就壓穩(wěn)定約束下的無功補(bǔ)償方式選擇和地點(diǎn)確定進(jìn)行探討。

3.1 多場景環(huán)境下的補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)選擇

系統(tǒng)弱負(fù)荷階段集指的是在系統(tǒng)故障情況和可信系統(tǒng)負(fù)荷增長模式下的壓穩(wěn)定薄弱節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用概率處理方法，便可對壓穩(wěn)定弱節(jié)點(diǎn)集的概率進(jìn)行計(jì)算，并作為系統(tǒng)候選補(bǔ)償點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集。其方式具體如下:結(jié)合實(shí)際情況來對系統(tǒng)安全運(yùn)行局部指標(biāo)極限進(jìn)行確定;對系統(tǒng)中可信事故集加以確定，基于每一個(gè)可信事故，來對每個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)概率期望值進(jìn)行計(jì)算;選擇滿足條件的節(jié)點(diǎn)，來構(gòu)成弱節(jié)點(diǎn)集，并依據(jù)從大到小的順序來排序節(jié)點(diǎn);重復(fù)排序節(jié)點(diǎn)內(nèi)容，直至將所有同可信事故相對應(yīng)的弱節(jié)點(diǎn)集合排序算出;對弱節(jié)點(diǎn)集中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行危險(xiǎn)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算;依據(jù)運(yùn)行危險(xiǎn)性指標(biāo)的大小，進(jìn)行整體的次序排序，即為補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)的選擇順序，若選擇一個(gè)門限值，則多場景環(huán)境下的補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)的集合將最終確定。

3.2 壓穩(wěn)定約束下的補(bǔ)償方式選擇

電力系統(tǒng)弱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的發(fā)電機(jī)相關(guān)集是通過因子絕對值中負(fù)荷的排序來加以確定的。分析無功補(bǔ)償矩陣，其表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)同PV節(jié)點(diǎn)間等值的電氣距離?；诖?，便可得出壓穩(wěn)定約束下補(bǔ)償方式選擇的指導(dǎo)法則:對補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)集合中已確定的補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)，就其發(fā)電機(jī)相關(guān)集進(jìn)行分別計(jì)算;就發(fā)電機(jī)相關(guān)集中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)同系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的耦合平均系數(shù)進(jìn)行計(jì)算;依據(jù)從大到小順序，對耦合平均系數(shù)進(jìn)行排序，并重新排序補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)集合中的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，其中，在前排序的優(yōu)先應(yīng)用并聯(lián)補(bǔ)償手段，在后排序的優(yōu)先應(yīng)用串聯(lián)補(bǔ)償方式;當(dāng)確定串聯(lián)補(bǔ)償手段時(shí)，應(yīng)依據(jù)發(fā)電機(jī)相關(guān)集的排序來對無功補(bǔ)償線路優(yōu)先順序進(jìn)行選擇，并應(yīng)用串聯(lián)補(bǔ)償于較小相關(guān)線路中。

3.3 壓穩(wěn)定約束下的無功補(bǔ)償量計(jì)算

為保障系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和運(yùn)行水平要求同時(shí)被滿足，可確定壓穩(wěn)定約束下無功補(bǔ)償量的計(jì)算公式為:。其中Cs和Cp分別為補(bǔ)償時(shí)所采用串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償?shù)墓β手?，約束條件分別為:線路電流約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、系統(tǒng)穩(wěn)定約束。在保證電壓電流約束、系統(tǒng)安全運(yùn)行約束的條件下，為實(shí)現(xiàn)最小化的新增補(bǔ)償量，可將上衣公式轉(zhuǎn)換為: 。其中Co表示新增無功補(bǔ)償后，系統(tǒng)運(yùn)行損耗費(fèi)用的增加量，包括設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用和網(wǎng)損的增加等，當(dāng)運(yùn)行損耗整體減少時(shí)，其便為負(fù)值。Cn表示為無功補(bǔ)償裝置上新增的投資費(fèi)用。此時(shí)，應(yīng)用拉格朗日變換法，便可解答壓穩(wěn)定約束下的最小化問題。

4 結(jié)語

上述內(nèi)容從壓穩(wěn)定約束下的多場景補(bǔ)償點(diǎn)選擇、補(bǔ)償方式選擇、補(bǔ)償量計(jì)算方面進(jìn)行了較為深入的探討，明確其相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際，來指導(dǎo)無功補(bǔ)償?shù)木唧w實(shí)施，從而為電力系統(tǒng)的實(shí)踐規(guī)劃提供借鑒。

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