无功优化与电压控制的重要性

1.2.1.1 电压控制的重要性

随着电力工业的飞速发展，电力系统的规模日益扩大，其安全、经济和优质运行显得愈加重要。与此同时，随着电力体制改革的深入和电力市场的开放，用电管理逐步走向市场，促使电力部门越来越重视电力系统的安全性和经济性。作为衡量电能质量的一个重要指标，电压质量对电网稳定运行、降低线路损耗、保障工农业生产安全、提高产品质量、降低用电损耗等都有直接影响。电压过高、过低或偏离一定范围都会影响用电设备的寿命和效率，严重时甚至会引起电压崩溃。国内外因此导致电力系统失去负荷甚至大面积停电的事故屡见不鲜，并造成了巨大的经济损失。

电压稳定问题的出现是与电力系统发展的趋势紧密相关的。近年来，随着科学技术的进步，为满足日益增长的电能需求，电力系统的发展出现了许多新变化。例如，电网电压等级的升高，电力系统的互连，大容量发电机组的普遍应用，远离负荷中心的水电厂、坑口电厂、核电厂的涌现，负荷容量的集中，直流输电和新型电力电子控制装置的应用等。这些新变化对合理利用能源、提高经济效益和保护环境都有重要意义。但受环境和建设成本的限制，电网结构相对薄弱，发电设备储备量较少，系统经常运行在重负荷条件下，同时国家对部分电力工业解除管制、实行市场化以后，电网的运行状态和当初的设计有了很大的差别，这些都给电力系统的安全运行带来了隐患，其中包括电压不稳定或电压崩溃引起的局部失去负荷或大面积停电。

我国虽然还没有发生过大范围的恶性电压崩溃事故，但电压失稳引起的局部停电事故却时有发生，例如1972年7月27日湖北电网、1973年7月12日大连电网的停电事故等。目前，我国正处于经济快速发展的时期，电力系统也步入了大电网、超高压、大机组、远距离的时代。但由于当前的经济发展速度远远超出了在1997年亚洲金融危机时的预期，导致了今天甚至今后若干年内出现全国大范围内电力建设落后于经济发展水平的局面，电力系统运行在接近电网极限输送能力状态的几率大大增加，从而较大程度上威胁着电网的电压稳定。因此，在当前形势下，借鉴国外恶性电压崩溃事故和我国以往局部电压失稳的经验和教训，研究电压崩溃发生的机理、电压稳定的安全指标以及电压稳定的预防（紧急）校正控制措施，对于避免电压崩溃事故的发生，具有特别重要的意义。

就我国而言，社会主义现代化建设正蓬勃发展，各项技术也在不断进步，各行业用电量不断增加，我国将迎来电网建设的新高潮。根据我国电网目前的发展态势以及国民经济对电力负荷的增长需求，各地区电力系统的规模越来越大，系统间的互连将得到发展，电力系统无论在容量上、电网的复杂程度上，或者地区的跨度上都在迅速增加。展望今后电力系统的发展，多方面的原因会使系统稳定性问题变得愈加突出。如：①一些电源的位置将更加远离负荷中心，这一点在我国尤为突出；随着内陆和西部水利及煤炭资源的开发，必然形成由内陆向沿海工业地区远距离输电的局面。此外，从减少大气污染等出发，也要求电厂远离城市。这就造成线路电抗和传输功率的增大以及潮流的不合理分布，从而使系统电压稳定性下降。②输电线路容量增大。但当线路因事故断开时，送、受端系统出现大的功率余额，增加了对电力系统稳定性的威胁。③输电线路的同杆并架增加了线路间多重事故的可能性，也给系统稳定性带来危害。

因此，借鉴国外恶性电压崩溃事故的经验教训，在我国加强电压稳定性及相关问题的应用研究，具有重要的理论和现实意义。

1.2.1.2 无功优化的重要性

在电力系统中，电源供给用户的功率可分为有功功率和无功功率，其中有功功率是用于转换成机械能、热能、光能等部分的能量；无功功率是指在交流电能的输送和使用过程中，用于电路内电场与磁场交换的那部分能量。在电力系统中，有功功率不足将引起频率下降，而无功功率不足将引起电压下降。系统中的无功电源主要是发电机及无功补偿装置。无功补偿装置有同步调相机、静止电容器和静止补偿器。无功负荷主要是异步电动机、变压器和线路无功损耗。其中异步电动机所占比重很大，变压器损耗也占了相当比重，线路电抗所消耗无功与线路等级和运行状况有关。

1.无功功率的分布对电压有决定性的影响(www.xing528.com)

由电压损失算式ΔU=（PR+QX）/U可见，在电网结构R+jX和电压U确定的情况下，电压损失ΔU与输送的有功功率P和无功功率Q成比例关系。当输送的有功功率一定的情况下，电压损失主要与输送的无功功率数值有关。当电力系统有能力向负荷供给足够的无功功率时，负荷的端电压就能够保持在正常的电压水平。如果系统无功电源容量不足，负荷的端电压就会降低。为此，要求电力系统必须有足够的无功电源容量（包括应有的无功电源备用容量），否则应增加必要的无功补偿设备，以保证电力系统的无功功率平衡。

2.无功功率在线路中传输引起的功率损耗

根据功率损耗公式ΔP=（P²+Q²）R/U²，当有功功率P和无功功率Q通过网络电阻R时，都会产生有功功率损耗ΔP。一方面，当输送容量P²+Q²和电压U一定时，功率损耗ΔP与网络电阻R成正比，即网络电阻R越大，功率损耗ΔP越大；反之，网络电阻R越小，功率损耗ΔP也越小。另一方面，当输送的有功功率P一定时，输送的无功功率Q越多，有功损耗ΔP就越大；反之，当输送的无功功率Q越小，有功损耗ΔP就越小。显然，当网络结构一定、输送的有功功率和电压也一定时，则有功功率损耗完全取决于所输送无功功率的变化。可见，在电力系统中，无功功率传输的数值对线路损耗有重要的影响。

3.负荷无功功率对系统电压的影响

在额定电压附近，负荷从系统吸收的无功功率随电压的上升而增加，随电压下降而减小。当系统出现无功功率缺额，即无功电源不能提供足够的无功功率时，系统所接的各负荷的电压将下降，减少其向系统吸收的无功功率；当系统无功功率过剩，无功功率吸收能力不足的情况下，系统电压将普遍升高。如果利用发电机进相吸收过剩的无功功率，当吸收无功功率超过其最大吸收能力时，可能会引起系统暂态不稳定。

1.2.1.3 电压/无功综合控制的重要性

电力系统中，电压是衡量电能质量的一项重要指标，电压波动过大，不仅影响电气设备的利用效率和使用寿命，而且会危及系统的安全稳定运行，甚至会引起电压崩溃，并造成大面积停电的严重事故。因此保证电压质量合格，是电力系统安全优质供电的首要条件。同时无功功率也是影响电压质量的一个重要因素，实现无功的分层、分区就地平衡，是降低网损的重要手段，因此各级变电站承担着电压和无功调节的重要任务。在变电站中利用有载调压变压器和并联补偿电容器进行局部的电压及无功补偿的自动调节，以保证负荷侧母线电压在规定范围内及进线功率因数尽可能接近1。传统的变电站电压/无功控制虽然实现了自动调节，但运行值班人员干预过多，难以做到判断正确和及时操作，不但保证不了调节效果，还会增加调节操作次数，甚至有操作失误的危险，已经不能适应电力发展的需要。为保证电压质量、无功平衡和电网安全可靠经济运行，对变电站实行电压/无功自动控制已成为一项重要的控制措施。

电压/无功综合控制保证了电压合格、无功基本平衡及调节次数的减少。频繁操作有载调压变压器分接开关和投切并联补偿电容器会引起变压器和开关设备故障，因此各变电站对其每天的调节次数均有严格的限制。采取合理的控制策略和控制手段，能够降低电容器组的平均运行温度、减少投切开关的动作次数及变压器分接开关的调节次数，可延长开关、电容器、变压器的使用寿命。因此，实现电压/无功综合自动控制有很好的实用价值。