电力系统无功就地平衡和无功补偿技术概述.pdf
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1、电力设备臼e c l r I IE q u i p m o n t电力系统无功就地平衡和无功补偿技术概述陈尚发(浙江长兴发电有限责任公司浙江长兴3 1 3 1 0 0)摘要:由于电力系统中的无功功率不能远距离输送,时电网进行合理的无功补偿,实现各级电网及地区逐级无功就地平衡,可以有效地维持各级电网的电压水平,降低有功网损,提高网络输送容量和系统稳定水平,抑制超高压电网的工额过电压,节约发、输电基建成本和运行成本。饵要想真正做到全系统无功就地平衡并非容易,除了必要的无功补偿技术措施,还需要从发电、输电、变电、配电、用电等各环节实行全方位无功合理补偿,配合相应的控制策略和管理措施无功功率才能真正就
2、地平衡。关键词:无功;补偿;平衡;稳定0 引言随着国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高,电力需求1 3 益猛增,特别是近年来出现了前所未有的“电荒”。其原因是电力系统建设相对滞后,电网结构不能适应与日俱增的用电需要,为此新一轮的电源建设即将开始。根据我国电力系统发展的经验和教训,坚持统一规划,合理构筑电网骨架是保证电力系统安全、稳定运行的基本要求,电源(各类电厂)合理布点是电力系统经济运行的必要条件,两者必须协调发展,避免出现“瓶颈”现象。同时全系统的无功分布必须合理,特别是负荷中心必须要有足够的动态无功支撑和无功储备,否则就有可能造成局部地区无功严重不足,电压水平普通较低,影响供电的电
3、压质量。为此合理的无功补偿,随着电力系统的不断扩大,越来越受到重视,不论是从技术层面和管理层面都在不断地改进和提高。1电源铡的无功就地平衡11采用异步发电机改善电力系统无功调节特性同步发电机不仅作为电力系统中的有功电源,而且也是无功电源,由于无功功率不能远距离传输,所以大电网中所需的无功功率不可能像小电网那样全部由发电机来提供。为此大电网中的同步发电机只能承担自身发电确保静态稳定运行,主变压器、厂用电及部分输、变电所需求的无功功率,以及确保发电厂母线的电压水平在正常范围内。为此同步发电机的励磁系统和励磁控制系统(包括A V R,P S S 等)的功能必须满足上述基本要求。采用高起始响应的快速励
4、磁系统,提高系统运行的静态稳定性和输电线路的传输能力,同时改善系统运行的动态稳定性和电压支撑作用。大型同步发电机的无刷旋转励磁系统或静止自并励系统均属于高起始响应的快速励磁系统,目前已广泛采用。超高压(3 3 0k V 及以上)输电网络形成后,当输送功率小于自然功率时,充电功率(又称充电无功功率)使系统无功过剩电压升高,为防止持续工频过电压和变压器过励磁所带来的危害,迫使部分同步发电机进相运行,以吸收部分无功功率。同步发电机进相运行由于受到定子端部发热和发电机本身静态稳定运行条件的限制,进相的无功功率不可能很多,只能在制造厂提供的P Q 曲线(又称出力曲线)规定的范围内运行,否则会造成定子端部
5、过热或运行失步,所以同步发电机无功出力的调节能力相当有限(也就是无功的吞吐量有限),无法满足大系统内无功功率大起大落的要求。为改善高压电力系统的无功调节特性,提出在部分发电厂中采用智能静止无功补偿器(S V C)与大型异步发电机相结合,通过相应的控制策略,代替同步发电机运行的方案,从而使电厂具有灵活的双向无功调节能力,达到改善电力系统的无功调节特性,并使系统具有良好的动态品质,以取得全系统的技术、经济效益。通过仿真研究表明:采用合适的控制策略,在电站中采用S V C 技术与大型异步发电机相组合代替同步发电机的方案具有比传统同步发电机更灵活的电压无功调节特性,且没有同步发电机容量增大而可靠性下降
6、的问题。同时无论初始状态是发出无功,还是吸收无功,在S V C 控制下的异步发电机均具有很高的暂态稳定极限,且动态品质比同步发电机好,在电力系统无功就地平衡和无功补偿技术概述6 7S V C 支持下全异步电站的有功调节和电压(无功)调节的过渡过程迅速,动态过程优良。目前,异步发电机仅用于小水电,热电联产等电站,单机容量在60 0 0k W 以下,用于风力发电较为普遍,但目前单机容量一般在10 0 0k W 以下,由于容量相对较小,以吸收系统无功或电容补偿进行励磁发电,不能达到改善电力系统无功调节特性的需要。要达到上述目的,建议在今后的电力系统规划中,根据电网结构配置适量的S V C 和大型异步
7、发电机相结合的发电机组,对改善高压电力系统无功调节特性和提高系统稳定水平具有积极的意义。而抽水蓄能电站采用该方式运行最为理想,即采用可逆式异步发电电动机组代替现用的可逆式同步发电电动机组,这样可以最大限度的吸收系统中过剩的无功功率,不会有同步发电机进相运行的风险,同时减少其他同步发电机进相运行和系统中并联高压电抗器的投入率。在作为电动机一水泵运行时,具有启动设备和启动程序相对简单、可靠、迅速等优点。使抽水蓄能电站具有真正意义上的有功、无功双向动态调节特性,取得更好的经济性和安全性。对于大型异步发电电动机组的电磁计算和结构设计是一个值得深入研究的课题。据悉,在上世纪未,1 3 本的日立和东芝公司
8、制造2台容量为3 9 5M W(有报导为3 9 7M V A)交流励磁可变速的异步发电电动机组,(又称双馈异步电机,不用S V C)即为转子绕组输入一个由交一交变频器或交一直一交变频器提供的频率、幅值、相位和相序可调的三相交流励磁电流。目前用于日本大河内抽水蓄能电站,以达到发电时变速运行,工频输出的目的,使水轮机不论水位高低,始终保持最佳工作状态,降低水耗,取得最佳经济效益。作为电动机运行时,可以做到工频输入,调速起动和运行,提高水泵的出力。但是由于日方既不转让技术,也不出售产品,所以没有在其他国家推广和应用。2 2 发电机动态无功出力的管理和控制发电机的无功出力在保持系统电压稳定和增大系统传
9、输容量方面起着重要的作用,无功不足是许多事故扩大的重要因素。而在负荷较重时,发电机的无功出力因受各种因素的制约,很难满足电网各种运行工况的要求。在系统故障时,假定的发电机动态无功出力不能满足需要,这将引起更严重的电压问题。一些发电机由于过励磁保护的约束而限制无功出力,或者在高温环境中必须降低无功出力,在电压过低时无法提供无功支撑,某些电网中的低压减负荷装置就超到了阻止事故恶化的作用。为此在厂网分开后市场化经营形势下对发电机电压支持和无功管理作以下建议:在设计和运行的仿真计算中,需及时、精确地反映各发电机无功容量的限额变化情况,供运行人员和调度人员及时掌握,最大限度地发挥各发电机的无功出力对系统
10、电压的调节作用;研究建立各发电机的无功电压动态过程跟踪,以及时掌握发电机的无功限额情况,避免发电机的过负荷运行;各地网局要建立发电机稳定状态与事故后的无功容量统一标准,并确定运行规程、试验项目和运行报告制度,以保证发电机在最佳状态下运行;确定发电机的服务等级协议,该协议需详细说明发电机在无功方面对系统安全运行的义务和职责,明确厂、网各方的权利和义务;周期性地检查并对发电机的无功出力限额进行现场试验,以确保无功限额的可信度;给运行人员提供实时可供调度的无功容量信息,包括每台发电机组、每群发电机、其他无功电源,以及所有重要母线的无功裕度,这些信息将在系统传输大功率时有助于最大程度利用并联电容器等无
11、功设备,从而增加系统动态无功储备;对于电压失稳,在目前的电网构架里,可考虑采用电容器快速自动(并联和串联)投入。切除并联电抗器和部分负荷,以及利用低压减载装置等措施解决问题,有条件的地区可以装设静止无功补偿器(S V C);建立定期检查无功限额,以此来评估系统的状态和确定系统最大传输水平。在动态无功建模、试验、管理、控制等各方面的问题,我国各大电网都存在不同程度的差距,普遍缺乏动态监视无功限额的手段和相关的强制性监督要求,在研究计算和调度运行中很难了解和使用动态无功限额。在发电机入网协议中,对发电机励磁系统的要求仅局限于稳态时的调压和事故时的调度,未能就其动态特性提出详细的要求。在无功控制方面
12、,各大电网基本上处于局部的分散的控制状况,全局的控制往往依赖调度人员的经验,这与进入电力信息化时代的要求不相适应。为此,建议在结合电力系统信息化、自动化改造中加以完善,如采用类似A G C 的控制方式(发电机有功出力的远程监控)对各发电机的无功出力进行全系统监控,使系统无功潮流分布更合理,因为目前发电机的数字式励磁调节器(A V R)都可以纳入D C S控制系统,所以有条件实现调度远程监控发电机无功出力。目前部分网局已着手研究并建设覆盖全网的多级自动电压控制系统,以更全面、深入的做好试验监督工作。科研人员也都在不断探索各种计算方法,通过仿真研究寻求无功潮流的调整方法,优化无功分布的功能。如能做
13、好以上工作,不仅能满足电压质量和经济运行的要求,更可以为防止电压稳定破坏事故的发生。2 0 0 4 年全国电力网无功电压技术研讨会论文集3 超高压输、变电网络的无功平衡和稳定运行3 1静止无功补偿器(S V C)和静止同步无功补偿器【S T A T C O M)的应用由于运行中的输电线路是一个无功电源,它产生的无功容量大小与运行电压的平方及线路的长度成正比,因此,超高压长距离输电线路具有很大的充电功率。当线路输送功率与自然功率相等时,由于线路的无功损失正好等于其充电功率,因此完全补偿,为无损耗传输。当线路输送功率大于自然功率时,线路的无功功率损失大于线路所产生的无功功率,线路中电压降将增大,因
14、此,需要从线路两端输入无功功率,以保持系统电压水平和稳定运行。当线路输送功率小于自然功率时,充电功率使电压升高,必要时,需采取补偿措施,如装设并联电抗器,吸收多余的无功功率,抑制系统的工频过电压和变压器的过励磁。因此在上世纪高压电网形成时,3 3 0k V 及以上的变电所多采用可分组投、切的高、低压并联电容器和高、压低并联电抗器,以取代同步调相机,及时调整和补偿系统中的无功功率,达到无功平衡,以保证系统电压的稳定。近十几年来,随着大功率电力电子技术和现代控制技术的应用,采用大功率晶闸管可控硅的大型静止无功补偿器作为新型智能化的动态无功补偿装置(S V C)已在输电系统中得到广泛应用,逐步取代可
15、分组,而要频繁投、切的并联电容器和并联电抗器,确保变电所母线的电压稳定。由于S V C 装置是用大功率可控晶闸管,在相应的控制策略下由计算机自动控制,所以可以做到无功功率双向、实时、平稳、迅速、精确的动态调节,无功无冲击,电压无波动。随着科技进步,电力电子技术的快速发展,S V C 技术的日趋成熟,可以制造出各种电压等级和容量的$V C 装置,适用于不同的场合,因此应用前景看好,不少科研单位均在进行不同工况下的S V C 仿真研究和计算,以取得更好的系统电压质量和系统稳定水平。据悉我国已有5 个5 0 0k V变电所安装了S V C。实践表明,合理地装设静止无功补偿器(S V C)可提高输电线
16、路的输送能力和增强对输电潮流的控制能力,从而提高送端电网暂态稳定性和受端电网的电压稳定性。S V C 对电网运行的好处是多方面的,S V C 通过对电力系统无功功率快速、双向的动态补偿,可以实现如下诸多功能:在系统故障恢复时,提供电压支撑,起到类似发电机强行励磁的作用,避免发生电压崩溃;提高输电系统的电力输送能力;改善系统电压的调节能力,尤其是对与大系统联系比较薄弱的弱系统作用更为明显,起到类似发电机励磁调节器(A V R)的作用;阻尼功率振荡和次同步振荡,避免电网之间的振荡失步,起到类似电力系统稳定器(P S S)的作用;改善功率因数,减少有功网损;改善系统电压和电流的不平衡,抑制充电功率引
17、发的工频过电压;提高系统的静态和动态稳定性能;使本地区有足够的无功储备。由此可见S V C 可以快速变化无功,因此克服电压波动、闪变、冲击负荷干扰等方面相当有效,但作为无功动态支撑电源,则不如近年来发展起来的静止同步无功补偿器(S T A T C O M),S T A T C O M 又称静止无功发生器,它是目前性能最好的无功补偿装置,该装置是随灵活交流输电技术(F A C T S)发展起来的新型无功补偿装置,其控制方式有电流间接控制和电流直接控制2种方式。在设计S T A T C O M 装置时,可根据系统要求的不同,控制目标的不同,选取不同的控制方法和主电路结构。由于S T A T C O
18、 M 装置,占地面积小,无功输出电流不受电压影响,因此低电压时,无功补偿特性比S V C 好,研究发现同容量S T A T C O M 装置低电压时相当于约1 3 倍的同容量的S V C 装置,而且S T A T C O M装置的响应速度约为2 0m s,比S V C 响应速度快,作为无功动态支撑电源的作用明显优于S V C。我国广东省北郊和肇庆等地已有安装S T A T C O M 装置,效果十分明显。根据实践和分析表明,增加动态无功功率补偿,能够有效地提高系统在负荷突增或受干扰后的电压稳定性,如果和其他稳定技术措施协调配合,如同步相量技术构成的新一代电网动态监测和控制系统(P M U)的应
19、用及低频减载(U F L S)、低压减载(U V L S)的协调控制,则可大大提高系统的安全稳定性,防止电压崩溃和大面积停电事故的发生。因此,动态电压的支撑作用和足够的无功储备越来越受到重视。在加强有功电源建设的同时,不可忽视无功电源的建设。特别是对于以区外来电为主,而本地区又没有条件再建大型电厂(如北京、上海等地)的负荷高度集中地区电网,动态电压支撑作用尤为重要,充足的无功储备是系统安全稳定运行的基本条件。3 2 灵活交流输电(F A C T S)技术的应用灵活交流输电系统(F A C T S)是美国E P R T 公司在2 0 世纪8 0 年代末提出来的,用于美国M a r c y 变电站
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- 电力系统 无功 就地 平衡 补偿 技术 概述
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