电力系统无功补偿点的确定及其补偿方法
8
电力电容器 2006年 第2期
电力系统无功补偿点的确定及其补偿方法
卢 勇, 李盛林, 卢志强
1
1
2
(1. 广西电力职业技术学院, 南宁, 530007; 2. 广西大学电气工程学院, 南宁, 530004) 摘 要:基于对临界电压和临界功率在静态电压稳定极限作用的分析, 本文讨论简单交流电路的电压电流特性, 提出了确定电力系统无功补偿点的方法。讨论了静止无功补偿器(SVC ) 的作用, 指出在电压临界崩溃点采用SVC 装置用作无功补偿有利于系统电压稳定的观点。5节点算例表明, 补偿效果比较显著。
关键词:电压稳定性; 临界电压; 临界功率; 无功补偿; 静止无功补偿器(SVC ) 中图分类号:T M 714. 3 文献标识码:B 文章编号:1002-0349(2006) 02-0008-04
Confir m ing of R eactive Power Com pensation N ode of Syste m and
Com pensationM et hod
LU Yong , LI Sheng -lin , LU Zh-i q iang
1
1
2
(1. Guangx iE lectric Po w er V ocational Techno l o gy Co ll e ge , N ann i n g 530007,
2. Co llege of E lectric Eng i n eering o fGuangx iU niversity , Nanning 530004, Ch i n a)
Abst ract :Based on analyzing of the purpose of the static vo ltage stability li m itation of critical voltage and critical po w er , the vo ltage and current characteristics of si m p le alter native circu it are d iscussed , and the w ay of confir m i n g var co m pensation node o f electric po w er syste m is i n d icated . The i m pact of static var co m pensato rs (SVC ) is d iscussed , the v ie wpo int that putti n g the node of vo ltage critical co llapse in SVC is app li e d to var co m pensati o n is benefi c ial to vo ltage stability of electric syste m. By 5nodes algor ithm case , t h e result of co m pensati o n is c lear .
K eyw ords :Vo ltage stab ility ; Cr itical vo ltage ; C ritical po w er ; V ar co m pensation ; Stati c var co m pen -sators(SVC )
1 前言
当今发电厂受到水资源、环境保护等多方面的制约, 它的位置越来越远离负荷中心, 即使建在靠近负荷点, 由于单机容量越来越大, 发电机的额定功率因数也越来越高。这样, 电网实际接受的无功功率就越来越少, 单靠发电机发出的无功功率远远不能满足电网对无功功率的需要, 必须配置各种无功功率补偿装置。
大电力系统是电力工业发展的客观要求和必
然趋势。随着我国电力工业的迅速发展, 超高压电网逐步形成, 系统结构日趋复杂, 当系统受到较大干扰时, 就可能在电压稳定薄弱环节导致系统电压崩溃。此外, 电力系统中存在的大量非线性、冲击性扰动负荷或其它扰动源, 不但影响公用电网的安全运行, 还对各种电力用户的用电过程造成直接与间接的危害。因此, 如何合理地选择补偿点, 适当地对系统进行无功补偿, 就成为人们日益关注的问题。
合理地选择无功补偿点, 合理地采取无功补偿
*收稿日期:2005-12-05
方式和无功补偿装置, 能够有效地维持系统的电压
2006年 第2期 电力系统无功补偿点的确定及其补偿方法
9
r SR -jx SR 22r SR +x SR
水平, 提高系统的电压稳定性, 避免大量无功的远距离传输, 从而降低有功网损, 减少发电费用。
本文通过分析简单交流电路的负荷功率能力, 得出简单交流电路的稳态运行条件, 并给出确定电力系统无功补偿点的方法。在此基础上, 提出在电网薄弱节点采取静止无功补偿器(SVC ) 进行无功补偿的措施。5节点算例表明, 其补偿效果是比较显著的。2 无功补偿点的确定
潮流功率方向送端为S 、受端为R 的简单交流支路示于图1中, 该支路计及线路电阻r SR 、电抗x SR (支路两端的接地电容支路并入该支路的两端节点来考虑), 取S 、R 端的电压为U S 、U R , 支路电流为I S R , 支路送端S 输入的有功功率和无功功率分别为P SR 、Q SR , 受端R 输出的有功功率和无功功率分别为P RS 、Q RS
。
g RS +jb SR =
一般输电线路中的电纳b SR
功率正负的数学意义, 取电导g =g SR , 电纳b =-b SR 。则以电压分量为变量的式(5) 、(6) 的二元二次方程组的圆的标准形式为
U S b U S P RS =+(7) 2-4g 4g
22222
U S g U S Q RS U S U Rx -+U Ry -U S =+-2b 244b b U S
U Rx -2
+U Ry +U S
2g
(8)
以U Rx 、U Ry 为变量, 式(7) 表示的圆U P 的圆心为O P , 其半径为r P , 式(8) 表示的圆U Q 的圆心为O Q , 其半径为r Q 。两圆的圆心O P 、O Q 的坐标分别为
U S bU S U S gU S
- O Q ,
22g 22b
半径分别为O P
r P =
S b U S
P RS
+-4g 4g S g U S Q RS +-4b 4b
2
2
2
2
2
(9) (10)
图1 简单交流电路
r Q =
图1简单电路的支路电压方程为即
U R =U S -I S R (r XSR +jx SR )
U Rx =U S -(I S Rx r SR -I S R y x SR ) U Ry =-(I SRx x SR +I SRy r SR )
(1) (2)
两圆圆心之间的距离为
22g +b D =U S
2gb
(11)
式中, U Rx 、U Ry 和I SRx 、I SRy 分别是受端电压U R
和支路电流I SR 的有功分量与无功分量。
受端输出的功率为即
P RS +j Q RS =U R I SR P RS =U Rx I SRx +U Ry I SRy Q RS =U Ry I SRx -U Rx I SRy
*
(3) (4)
在式(1) ~(4) 中, 消去其电流分量后, 该方程组可表示为
22
P RS =-g SR U Rx +g SR U S U Rx -g SR U Ry +b SR U S U Ry (5) Q RS =b SR U Rx -b SR U S U Rx +b S R U Ry +g SR U S U Ry
式(5) 、(6) 中, 支路导纳
2
2
显然, 式(7) 和式(8) 有解的条件为两圆的半
径大于等于零且两圆相交或相切, 将两圆相交的情况作于图2中, 将两圆相切的情况作于图3中。从式(9) 和式(10) 及图2和图3中可以看出, 要使两圆外切以满足负荷临界电压崩溃的条件, 可
(6)
采取分别增加负荷的有功功率、无功功率的方法, 也可以采取同时增加负荷的有功功率和无功功率的方法。
两功率圆相切所对应的运行点P 1称为交流电路工作域与崩溃域的分界点, 即图1电路的临界电压崩溃运行点。根据外切圆的负荷临界电压崩溃的条件, 须有
r P 0r Q 0r P +r Q D
(12) (13) (14)
压器(TCT ) 、晶闸管投切电容器(TSC ) 、TCR +TSC 装置、TCR+固定电容器(FC ) 或机械投切电容器(MSC ) 。
TC R -FC 型静止无功补偿装置如图4所示, 它实际上是将可控硅控制电抗器与固定电容器组并联使用。电容器可发出无功功率, 可控电抗器可吸收无功功率。根据负荷变动情况, 静止补偿装置可以迅速改变所输出无功功率的性质或保持
母线电压恒定。
如此可在潮流计算的每次迭代中, 按式(12) ~(14) 的条件检验每条支路。若出现不满足此条件的支路, 则该支路潮流已经崩溃, 系统的潮流方程无解, 支路受端的节点电压达到临界, 该节点即为系统无功缺额最大的节点, 需要在该节点采取相应的无功补偿措施。3 无功补偿的方法
3. 1 无功补偿的方式及补偿设备
无功补偿按其补偿位置和接线方法可以分为集中补偿、分组补偿和就地补偿三种形式。
常用的补偿设备主要包括:同步调相机、并联电容器和并联电抗器以及静止无功补偿器。
同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机, 它是最早采用的一种无功补偿设备, 在并联电容器得到大量采用后, 它退居次要地位。并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备, 目前国内外电力系统中90%的无功补偿设备是并联电容器。并联电抗器是一种感性无功补偿设备, 它可以吸收系统中过剩的无功功率, 避免电网运行电压过高。
静止补偿器(SVC ) 是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置, 是电力系统枢纽点控制电压和无功的理想设备, 对保证电力系统的安全、经济运行有着重要意义。电容器、电抗器、调相机是对电力系统静态无功电力的补偿, 而静止补偿器主要是对电力系统中的动态冲击负荷的补偿。
SVC 基本结构是控制两个反并联的晶闸管, 将电容器或电抗器并入到电网上或从电网中断开, 以实现发出或吸收无功功率。基本结构有:晶闸管控制电抗器(TCR ) 、晶闸管控制的高阻抗变
节点号U (p . u)
图4 TCR-FC 型SVC 电路图
3. 2 算例及分析
I EEE 5节点系统接线如图5所示。当系统中的负荷按任何一种方式增长时, 节点5的电压总是最低, 说明该点即为系统最需要进行无功补
偿的节点。为了便于比较无功补偿前后节点电压的变化情况, 本文给出了系统各节点在三种不
同负荷下的电压。
图5 实验系统
3. 2. 1 节点5所带正常负荷不发生扰动时, 系统各节点电压列于表1。
表1 P +j Q =1. 6+j0. 8的节点电压
10. 8622
21. 0779
31. 0364
41. 0500
51. 0500
3. 2. 2 按功率因数cos =0. 894同时增大节点5负荷的有功功率和无功功率, 同时缩小圆U P 和圆U Q 的半径使得两圆外切, 此时系统各节点电压列于表2。
表2 P +j Q =2. 0524+j1. 0262的节点电压节点号U (p . u)
10. 6299
21. 0617
31. 0196
41. 0500
51. 0500
的约束, 在重负荷情况下, 负荷端的电压往往下降
得很厉害, 如果在电压薄弱的节点装设静止无功补偿器, 就可以维持装设点的电压恒定, 并有利于电网的无功功率平衡, 当然电压质量同时也得以提高。参考文献:
[1]张 尧, 宋文南, 苏碧萍. 无功补偿对静态电压稳定的影响[J].电力系统及其自动化学报, 1994, 6(2):16-21.
[2]颜 伟, 朱继忠, 徐国禹. 电压静态稳定裕度法确定无功补偿点[J].电力情报, 1992, (2):11-14.
3. 2. 3 采用静止无功补偿器进行无功补偿后, 无
功减少为Q =0. 6746, 功率因数从0. 894提高到0. 95, 此时系统各节点电压列于表3。
表3 P +j Q =2. 0254+j0. 6746的节点电压节点号U (p . u)
10. 8374
21. 0759
31. 0382
41. 0500
51. 0500
[3]孙元章, 王志芳, 卢 强. 静止无功补偿器对电压稳定性的影响[J].中国电机工程学报, 1997, 17(6):373-376.
[4]苏 玲, 宋 珊, 陈建业. 静止无功补偿器(SVC ) 应用的最新发展[J].国际电力. 2004. 2, 8(1):44~49.
[5]朱 罡. 电力系统静止无功补偿技术的现状及发展[J].电力电容器. 2001(4) .
[6]陈 兵, 陈延明. 浅谈灵活交流输电系统(FACTS) 控制技术发展和现状, 电力电容器, 2005, (1):29-34. [7]AdelE . H a mm ad . Dyna m ics o fV oltage S tab il-i ty w ith Spec ial R eactive Po w er Co m pensati o n and HVDC Controls . The Bulk Po w er Syste m V oltage Pheno m enon -Se m i n ar
on
V oltage
Stab ility ,
Security &Contr o , l 22-26August 1994, Davos , Sw itzerland .
[8]张 尧, 宋文南. 节点电压稳定临界状态和弱节点的确定[J].中国电机工程学报, 1993, 13(6).
作者简介:
卢 勇(1970-) , 男, 广西南宁人, 工学硕士, 研究方向为电力系统分析与计算;
李盛林(1966-) , 男, 广西南宁人, 工学硕士, 研究方向为电力系统安全与控制;
卢志强(1968-) , 男, 广西南宁人, 硕士研究生, 研究方向为电力系统分析与计算。
对应三种不同负荷的P -V 曲线如图6所示。结果分析表明, 在节点5负荷功率增加到临界值时, 该节点的电压降至0. 6229p . u (曲线Ⅱ) 。若把功率因数提高至0. 95, 可在节点5装设TCR
-FC 型静止无功补偿器, 其参数为:k 1=50, m ax =130 , , B m an =0. 6, B m in =-0. 6, T 1=m in =90 0. 05, T m =0. 05, T th =0. 001。补偿后节点5的电压可升至0. 8374p . u (曲线Ⅲ), 说明只要在节点5补偿0. 3516p . u 的无功容量, 电压可提高0 2145p. u 的幅度。可以看出, 采用SVC 补偿装置来对电压薄弱点进行无功补偿, 其补偿效果是
比较明显的。
图6 不同cos 的PV 曲线
4 结论
电压失稳和电压崩溃被认为是电力系统运行