【基础知识】电网无功补偿和电压调节详解

三、系统无功设计

1) 系统各点允许的最高长期运行电压，受接入电力设备绝缘水平和变压器饱和的限 制。例如在我国，规定500kV电网的最高长期运行电压为550kV，变压器的最高运行电压不得超过相应电压分接头额定值的105%等。

2)系统各点的最低运行电压，决定于电力系统稳定运行需要和变压器带负荷电压分接头的调正范围的要求，对于发电厂，还受厂用电要求的制约。

3)国外大多数电力系统考虑，允许的电压波动范围都在额定值的±5%-±10%的范围(正常和N-1方式)

在设计电力系统的无功功率时，还需要考虑如下的一些基本要素：

不使超高压长距离线路的甩负荷过电压超过一定允许值(稳态工频过电压值)

保证电网的送电稳定性。这是对电网最低电压水平的限制。为了在各种可能的正常运行和规定事件后的电网运行方式下，保持运行中的所有输电线路都有一定的稳定裕度因而要求各枢纽变电所电压能保持高于一定的最低水平。事故一般考虑N-1，也有的考虑严重些N-2。世界上发生了不止一次因电压问题引起的系统大事故，这点会在以后电网大停电部分提及，电力系统稳定部分也会涉及。

直流输电的需要。直流输电的换流装置无论以整流器方式或逆变器方式运行时，都将从交流侧吸收无功功率，这一部分无功需求相当大，也是直流输电系统需要重点考虑的内容。

解放发电机和同步调相机的无功功率能力，使之留作事件后的紧急补偿需要。如并联电容器作为正常时的无功功率补偿，完成正常运行时校正电压的任务，而把发电机之类的旋转无功容量空出来作为事故备用。这也是国外系统的一种普遍做法。

对于无功功率的事故紧急备用问题，可以和电网有功功率的备用情况作比较。在有功功率的安排上，必须留有足够的调峰容量、调频容量、运行备用容量以及当发生大功率缺口时的按频率降低自动减负荷。电网的无功功率安排，客观上也完全有同样类似的要求，但却一直不如有功功率那样明确。

就电网特性而论，两者最大的不同在于: 对于频率，是全网一致，电网中任一点的有功电源和有功负荷的增减对电网频率变化都起到基本同样的影响; 而对于电压，则是区域性乃至逐点式的，各点的无功电源和无功负荷对电压变化的影响，主要是就地的，因而必须分层分区安排和调节，使无功电源与无功负荷基本逐点对应。所以当着电网发生了大的无功功率缺额的时候，在现实生活中却很难按照处理有功功率缺额相类似的原则去处理。

所以这就导致实际生产中，发生较大事故时无功电压调节相当困难，导致电压崩溃等严重后果。

对于高压电网，需要制订专门的无功功率规划，除了主要由地区电厂供应地区负荷的小系统外，一般都需要在全系统的基础上进行无功功率补偿设备的协调配置。许多系统的做法，首先是按系统峰负荷时运行方式，决定配置无功功率的补偿容量; 然后按系统低谷负荷时的运行方式进行校核，决定线路充电功率的吸收容量及其实现手段。

无功功率补偿的设计，一般需要研究两大类系统结构情况下的三种运行方式。两大 类系统结构：正常和N-1;三种运行方式：大负荷，小负荷，潮流倒送方式。

系统无功设计时，还有一些细节问题：

500kV双回线在运行中突然断开一回，其后果是原来由断开那回线传输的有功功率将立即转移到保留在运行中的一回线上来。由于保留在运行中的那回线的电流突然增大，线路的无功损耗将成平方地增大。同时还失去了原来一回线的充电功率，这个缺额不小而且必须由两侧系统立即提供补偿。瑞典1983年12月17日的大停电事故就是由于主输电线路跳闸，受端无功补偿能力不足引发的。

在运行的电网中，为了解决这类问题，可以采取连切部分送端机组，或在条件合适的情况下连切部分受端负荷，以减少通过保留运行线路中的传输电力，以保持事件后系统的稳定运行。但是这种后备措施，应当留给生产运行系统，以应付实际可能出现的比设计系统时选取的更为严重的情况下的事件。

高低压电磁环网运行中高压线路突然因故断开。例如500kv与220kV线路或220 kV与110kV线路并行运行。在我国，这种情况都发生在新出现高一级电压电网的初期，在这样的并联环网上传输有功功率，大部分将通过高压网一边的线路。如果传输的有功功率较大，当环网中高压线路因故障断开后，通过并联低压线路传送的电力，将立即增大到远远大于它的自然功率，其后果，或者立即引起同步运行稳定性破坏，或者受端系统电压崩溃，或者因超过线路的热容量功率而烧断线路。这些事故，在我国的运行电网中，都分别不止一次的发生过，是严重的事故后运行情况。所以这种高低压电磁环网设计时必须避免。

是否要利用500kV线路的充电功率。一般来说不会利用，在轻负荷情况下，无论采用高压并联电抗器或是采用低压并联电抗器，总需要恰当地予以补偿。对比电网出现低电压的情况，对于生产运行系统说来，如果没有设备条件，电网出现高电压会成为一种不可控的严重现象。长期不可控的高电压，会给电力设备的安全运行带来很大的威胁。

线路高压电抗器的补偿容量，可以考虑选择为线路充电容量的70%左右，长线路可在线路两端各设一组，中短线路可只在线路一侧装设。这样，当线路传送功率为自然功率的55%左右，线路本身的无功功率适相平衡，而当偏离此值时，两侧系统只需提供不大的无功补偿功率。

四、运行系统的电压调节

运行系统对电压的控制，是安排和充分利用电网中的无功功率补偿容最和调节能力， 随时保持正常运行情祝下和事故情况后电网中各枢纽点电压值不超过规定限颊，并保证电力系统的安全稳定运行。

主要的调压设备：发电机、变压器和其它无功补偿设备(如并联电容器/电抗器和SVC等)、直流输电系统。

调压的主要手段：1)调节发电机的端电压，2)调节变压器的分接头，3)调节无功补偿设备的无功投切容量，4)发电机、变压器与无功补偿设备的组合调压。

调压的空间范围：单个发电厂变电站的VQC控制，多个厂站的AVC控制，全局的综合无功协调三级控制。

调压的时间范围：单个时段(单一负荷水平)的静态控制、多个时段(多种负荷水平的动态控制)。

其中有一点，无功优化的研究很多，文章很多，但在实际工程中却基本没有应用，既有操作问题，又有若干尚待明确的调节原则问题。例如，当运行条件变化，要维持系统的无功优化，根据电网无功功率与电压分布的特点，势必要求全系统各点的各种无功功率调节手段与电压调节手段频繁动作，而如果没有高度发达的电力通信网络和自动化条件，实际上就办不到。又例如，和频率调节不一样，无功功率的调节和压调节不可能完全依靠同步机和静止补偿器，因而无法做到均匀细调;由于不可能建立全网电压标准，只能以就地侧量电压为依据，这些累计的测量误差势必给优化带来影响，如此等等。

比较现实的做法是，在留足事故紧急备用的前提下，尽可能使系统中的各点电压运行于允许的高水平，不但有利于系统的运行稳定性，也可获得接近于优化的经济效益 。

在一些国家的电力系统中还配置了二次电压调节系统处理电压问题。在电网中实现了无功功率及电压的区域性集中控制，如法国电网，很有代表和借鉴意义。在法国系统中，共有三个控制层(一次、二次及三次)。一般地说，电压的快速无规则变化均由系统电厂机组的“一次作用”进行补偿。这种一次作用要求快速(反应时间数秒)，因而必须自动。主要由机组的励磁调节实现，其次靠400/225 kV变压器的自动电压分接头。为了处理电压的慢变化，由“二次”与“三次”控制作用建立系统的新状态，二次控制所管理的是在一地区内可资利用的动态无功功率，其反应时间约为3-5min，目前，三次控制为手动。从而取得全系统各点电压的全面协调。

运行实践确认了二次控制的优点，即在正常情况下电压得到了较好控制。这其实也引申出一个研究方向，就是无功电压的控制方式(分散控制、集中控制、协调控制)

至于重要的电压稳定问题，将在电力系统稳定部分和大停电部分总结。

无功和电压部分就总结这么多，其实工程实践中涉及无功的方面非常多，非常值得重视，感觉没有写出所有想说的，以后想起了会补充，确实是系统设计的重点内容。