变电站电压无功控制研究
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摘 要：考虑同时满足电力系统对电压、功率因数在合格范围内，课题对以110kV变电站作为研究对象，建立其电压数学模型。并在此基础上研究电压调节原则，进而提出一种无功控制模型，从而维持供电电压在规定的范围内，并找出能使电压合格、变压器有功损耗最小变压器分接头位置与电容器组投退的组合。
关键词：电压;无功控制;变压器;电容器
随着社会经济的快速发展，人们对生活中最常接触到的电能质量也有了更高的要求。目前我国电网存在的问题之一便是有待提高的电压质量问题。日常生产中，我们需要考虑二次侧电压、流入变电站的无功功率以及系统参数三个因素，因此，如何考虑同时满足电力系统对电压与无功功率的要求成为一项需要研究的问题。在认识到这个问题的基础上，如何取消目前变电站所采用的电压无功控制策略中无功功率的上限和下限，选取更加合适的控制策略是当前的主要目标，使得电压控制在相应的合格范围内，同时优化电容器，主变分接头调压次数，保证电网安全经济运行。
1 无功电压数学模型
课题选取乌兰察布地区电网中110kV变电站进行研究分析，运行方式为两台主变三侧并列运行，容量分别为120MVA，电容器组为941、942、943、944，容量分别为6Mvar。
能否建立的合理的负荷模型是本实验能否成功的关键。在电力系统分析中的负荷模型有两种建立方式，一是结合用户端实际使用总量、利用率，然后按照典型设备模型进行建立;二是根据生产现场实际系统测试建立。本文中负荷模型建立的难点在于负荷随时间变化很大，无法精确建立。综合考虑后，课题以感应电动机为基础，进行构建负荷模型，如公式（1）所示。
P=PN+Ku（U-1）PN（1）
上式中，P为有功功率;PN为负荷在额定电压下的有功功率;U为负荷所在点的系统电压;Ku为负荷的有功电压调节效应系数。
在此基础上，利用二次曲线拟合法拟合无功电压特性曲线。同时结合无功电压调节原则和原理，控制电压保持在临界值Ucr1之上，其无功电压表达式如公式（2）所示。
Q=Qcr1+（U-Ucr1）2（UN-Ucr1）2（QN-Qcr1）（2）
UN—额定电压;QN—额定负荷下系统的无功功率;Ucr1—电压临界值;Qcr—电压达到临界时的无功功率。
2 调节原则和原理
2.1 调节原则
课题选择逆调压的调压原则进行电压控制，以保证用电负荷可靠供电。逆调压的工作方式为当系统负荷满载运行时，应将中枢点处的电压值控制在标准电压的105%水平上，从而保证线路电压在合格范围内。当系统负荷达到最小值时，应将中枢点处的电压值控制在标准电压水平上，避免线路电压过高，造成设备损坏。逆调压的电压调节范围一般情况下为系统额定电压的5%以内。
变电站母线电压调整，遵循高峰期母线电压接近运行上限，低谷期接近运行下限的原则。当前，地区电网的无功及电压的调节方式主要集中在调控一体化管理模式下中集中监控的变电站由AVC和监控员共同调节，有人值守的变电站调节方式为AVC和值班员共同调节，其调节的原则为“先补偿，后调压”，进而保证电压在合格范围内。（1）变电站母线电压高于设定值的情况下，第一步应观测主变高压侧无功功率的大小与方向，其在合格范围内时，應将主变分接头逐步往下降，直至电压在合格范围内，相反当高压侧无功功率超出规定范围内时，应将站内的电容器逐步退出，并随时观察电压情况;（2）变电站母线电压低于设定值的情况下，第一步应观测主变高压侧无功功率的大小与方向，其在合格范围内时，应将主变分接头逐步往上升，直至电压在合格范围内，相反当高压侧无功功率超出规定范围内时，应将站内的电容器逐步投入，并随时观察电压情况。
运维人员应在调整母线电压时应按照以下规则实时观察主变高压侧无功功率的大小与方向：（1）负荷高峰期间主变高压侧无功功率的大小尽量低于一组电容器的无功容量;（2）负荷低谷期间主变高压侧无功功率的大小尽量低于一组电容器无功容量的120%;这是为防止系统出现不正常的无功潮流，保证电网的稳定正常运行。依据不同情况，按需求调节有载调压开关。
2.2 调节无功电压的原理
为了保证电网安全、稳定的运行，通过调整主变分接头的位置，改变系统无功功率分布、控制系统电压在合格范围内，保证主变的可靠运行，避免主变因过负荷或者低电压而造成设备故障停运。在此前提下，调节无功电压的原理定义为无功功率越限应优先考虑投退电容器、电压越限时优先改变主变分接头位置。调节变压器分接头会改变负荷无功与高压母线电压之间的无功电压特性，长时间低电压或过负荷运行的变压器分接头可能会导致变压器损坏，因此我们要使系统尽量保持稳定，在此前提下，变压器分接头和电容器组的调节原理为：“电压的越限主要调节变压器分接头，无功功率的越限主要调节无功设备的投退”。具体操作为：（1）电压越上限，无功功率正常，先调低变压器分接头，调至最低后，再延时退出并联电容器组;（2）电压和无功功率同时高于设定值时，首应切出电容器，再考虑调整主变分接头位置;（3）电压和无功功率同时低于设定值时，首应投入电容器，再考虑调整主变分接头位置;（4）电压低于设定值、无功功率正常时时，首应调整主变分接头位置，再考虑投退电容器。
3 无功控制模型
根据变电站电压无功控制模型的求取过程，具体的计算方式如下：（1）U2是通过变电站的实时电压和电流计算出来的上层电源节点电压;（2）简化模型后可以得到变电站的无功控制模型等值图，在此基础上，尝试不同的变压器分接头位置和并联电容器组合，分析不同的组合对系统电压无功的影响，在保证无功电压在合格范围的同时考虑对系统经济稳定运行的情况下，确定最佳调节策略。
4 总结
本章主要提出了变电站电压无功控制方式的目标，使得电压控制在相应的合格范围内，同时优化电容器，主变分接头调压次数，保证电网安全经济运行的前提下，简化了模型，确定最佳调节策略。
参考文献：
[1]林鸿伟，叶家玮.面向多用户协同感知的电力系统无功电压调节[J].电工技术，2019（18）：121-123+151.
[2]孙健，袁晓冬，刘建坤，袁宇波，王朝明.智能配电网无功电压控制系统研究及应用[J].电网与清洁能源，2019，35（05）：1-9.
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