电网AVC的基本原理与控制结构简介

1.AVC的概念

自动电压控制（AVC），是指在正常运行情况下，通过实时监视电网无功/电压情况，进行在线优化计算，分层调节控制电网无功电源及变压器分接头，自动化调度主站对接入同一电压等级电网的各节点的无功补偿可控设备实施实时的最优闭环控制，满足全网安全电压约束条件下的优化无功潮流运行，达到电压优质和网损最小。从本质上说，自动电压控制的目标就是通过对电网无功分布的重新调整，保证电网运行在一个更安全、更经济的状态。从整体上看，自动电压控制的研究工作主要集中在以下几个方面：

1）空间上，怎样利用无功/电压控制的区域特性将电网划分成为耦合较为松散的区域；怎样选取合适的中枢母线和控制发电机。本质上是研究如何将控制目标空间降维，使不可控问题转化为可控问题。

2）时间上，怎样设计不同控制器的时间常数；怎样将静态时间断面下的控制策略计算与随时间变化的电力系统状态结合。本质上即是研究电压控制的动态特性。

3）目标上，怎样提高电网安全性和经济性；怎样在电网的安全性和经济性目标之间进行协调，这是一个研究如何合理求解控制策略的过程。

2.AVC的原理

为避免无功长距离输送或多级变压器输送，传统的无功/电压控制一般采用分散控制。在这种控制方式下，各电压控制设备（发电机、有载调压变压器、电容电抗器组）仅能获取本地信息，独立地控制本地的电压。这样的分散控制虽然响应速度快，不依赖于控制中心，但由于控制器之间无法协调，仅保证就地将无功/电压控制在一定范围内，但可能会对主网的无功分布、电压水平产生不利影响，所以不能保证就地控制对于全网来说就是最好的控制方式。甚至可以肯定地说，系统必然还有更好的控制方式。

与分散控制相对应的是电压集中控制，它需要系统范围内各点的电压信息，由调度中心产生控制信号。在集中控制中，每个控制器需要全系统的动态信息，运行人员监控全系统的电压分布，然后发出改变全系统无功控制的命令。这种控制方式对无功测量准确度和数据通信有较高的要求，实施起来有一定的难度。此外，它还要求对全系统运行机制有透彻的了解。如果要实现闭环自动控制，对基础自动化水平、信息通道质量和电压/无功监控主机系统性能的要求很高，不仅投资太大，且功能过于集中，风险太大。因此这种控制方式只适用于较小的系统。AVC系统是集散控制系统，是分散控制和集中控制的综合体现，它避免了单独采用分散控制或集中控制的弊端，扬长避短，采用3层无功/电压控制体系，解决了分散控制不利于全网最优的缺点，也解决了集中控制风险大的缺点，实现了全网范围内的无功/电压优化运行。

3.AVC的基本模块

AVC系统是一个集散控制系统，即所谓的集中决策分层控制，具体来说，主要由1个中心控制子系统和3个分散控制子系统组成。包括省调度中心的电压/无功综合优化控制系统、地区调度中心的电压/无功综合优化控制系统、发电厂的自动电压控制系统和变电站（主要为500kV变电站）的自动电压控制系统。通过调度主站侧以网损最小为目标函数、电压合格为约束进行优化计算，得出各个调节手段的调整目标，包括发电厂高压侧的母线电压定值、并联补偿设备的最优投切状态、主变压器的分接头最优位置，再进行调整达到网络运行的最优状态，实现无功潮流的最优分布和电压的合格，最终实现省网电压调度的自动化。

下面详解介绍省级AVC的三层控制结构：

（1）一级控制

由控制速度快（小于30s）的发电厂组成，它们根据高压母线电压设定值进行闭环控制。电厂AVC主要有两种方式，一种是电厂监控系统具有全厂AVC功能，另一种是在电厂内增加AVQC装置，实现全厂机组的电压/无功综合自动控制。电厂AVC功能可根据调度中心下发的定值进行控制，也可自动精确跟踪根据逆调压原则制定的母线电压计划。由于发电机的电压/无功控制是连续的、快速的、最安全的，且具有较大的调整范围，因此主要用来控制全网的电压水平和实现电压的快速校正控制。一级控制的周期一般为10～60s，高压母线电压控制死区不小于0.5kV（负荷变化引起的随机扰动幅度大致为0.3～4V）。

（2）二级控制

由地区AVC系统组成。地区AVC系统根据省调度中心下发的功率因数考核指标和低压母线电压（110kV、10kV）考核自动控制地区范围内的220kV、110kV变电站内主变压器分接头和并联补偿设备，保证地区电压质量和降低网损，同时协调省级AVC系统进行全网的无功/电压控制。根据功率因数的考核进行并联补偿设备的控制，保证省级主力电厂有足够的无功备用来控制全网的电压水平和提高电压的稳定性，对功率因数的控制由原来的宽带控制变为窄带控制。二级控制的周期一般为1～5min，功率因数的控制死区不小于0.005（对负荷为800MW的地区系统，功率因数在0.95～0.99之间时，相应的无功功率控制死区大约为15～34Mvar）。

（3）三级控制(www.xing528.com)

由省调中心的AVC系统构成，其先通过对全网的优化计算得到电厂高压母线电压、500kV变电站变压器分接头和并联补偿设备的投切状态以及地区功率因数考核指标，然后通过通信网络将优化控制指标下发到电厂AVQC、500kV变电站AVC系统、地区AVC系统去执行。由于500kV电网和220kV电网是电磁环网，500kV变电站的控制目前不宜通过在变电站安装AVQC装置来实现，应纳入三级优化控制中进行综合协调控制。三级控制的周期对发电厂一般为15～30min，对500kV变电站为每日2～5次，网损的控制死区一般不小于0.2MW（不考虑运行方式的变化，按全网用电负荷8000MW、潮流计算高压网损率2%、无功优化平均降低网损2%计算，网损控制死区大约等价为500MW的负荷变化范围）。

（4）三层控制的协调关系

由电厂组成的一级控制利用快速和安全的控制来保证全网的优化电压水平，使高压输电系统近似在优化状态下运行。地区AVC作为二级控制不但要提高地区电压水平和降低网损，同时还要通过控制功率因数保证一级控制有足够的备用容量保证全网的电压优化控制和电压稳定。三级控制通过全网的优化进行总体的协调控制，通过控制500kV主变压器分接头保证220kV和500kV网的总体电压水平，通过投切35kV并联电容器和电抗器来保证220kV和500kV无功的分层平衡，通过对二级控制下发功率因数指标保证一级控制的顺利实施。

4.AVC的调压手段

控制系统电压使其运行在安全稳定的水平是AVC追求的目标。由于电压与无功的强耦合关系，调压实际上就是调整系统的无功分布。能够影响系统无功分布的手段有调节发电机端电压、调节有载调压变压器分接头、调节并联电容器和调节电抗器投入/切除的容量。

（1）调节发电机机端电压

发电机既能给系统提供有功功率，又能提供无功功率，是电力系统中唯一的能同时提供两种功率的电源。除了能够提供有功，发电机在必要时能够进相运行，以吸收电网中多余的无功功率。发电机具有连续可调、响应速度快的特点，而且不像无功补偿装置那样需要增加额外的投资。所有这些特点使得发电机成为无功/电压控制的主要手段，是保证电压质量和无功平衡、提高电网可靠性和经济性必不可少的措施之一。

发电机机端电压由励磁调节器控制，改变调节器的电压整定值即可改变机端电压。励磁系统一般包括两个主要组成部分：励磁功率单元和励磁调节器。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流（即励磁电流），在发电机定子和转子间产生气隙磁通，充当发电机进行机电能量转换的媒介；励磁调节器监测发电机的机端电压、电流或其他状态量，然后按照给定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，控制励磁功率单元的输出，进而调节发电机机端电压达到给定值。

发电机的机端电压与发电机的无功功率输出密切相关。当增加发电机的机端电压时，同时也增加了发电机的无功功率输出；反之，降低发电机的机端电压，也就减少发电机的无功功率输出甚至进相运行。因此，发电机的机端电压的调节受发电机无功功率极限的限制。当发电机输出的无功功率达到其上限或者下限时，发电机就不能继续进行调压。发电机的无功输出极限与发电机的有功出力有关，有功出力较小时，无功功率调节的范围会更大一些，调压的能力会更强些。多台机组同时进相运行还会影响系统的稳定性，因此必须做大量稳定计算确定系统安全稳定条件下安排机组进相运行。

（2）调节有载调压变压器分接头

在变电站中，为了调压，目前普遍采用有载调压变压器。它通过改变高压绕组（对于三绕组变压器，还有中压绕组）的分接头进行调压。当低压侧母线电压偏高时，调节分接头使得主变压器电压比增大，降低低压侧母线电压；当低压侧母线电压偏低时，调节分接头使得主变压器电压比减小，提高低压侧母线电压。这种调压方式灵活、可靠、投资较小。需要注意的是，变压器本身不产生无功功率，只是通过其分接头的调节来改变系统无功的分布。

（3）应用无功补偿装置调节电压

在电网适当的地点接入并联无功补偿装置，能够减小线路和变压器输送的无功功率，因而可减小线路和变压器的电压损失并提高电网的电压水平，同时还能减小电网的功率损耗，提高经济效益。当系统负荷变化时，通过调节无功补偿装置输出的无功功率，就能控制电网的电压。常用的无功补偿装置是并联电容器和并联电抗器，在高峰负荷时投入并联电容器能够提高电网的电压水平，在负荷较低时，可以切除部分电容器，甚至全部切除而投入并联电抗器，防止电压水平过高。20世纪80年代提出的柔性交流输电系统（FACTS）技术，它以电力电子技术成熟发展为前提，基于这种技术的静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）目前已被电力系统大量采用。它们的优点是：与旋转同步调相机相比，结构简单，且无转动部件，运行维护方便，并且效率也较高；与利用真空开关切换电容的无功补偿相比，后者只能分级调节，完全没有动态响应的能力。

在交流电网中，输电线路，尤其是变压器的电抗远大于电阻（X>>R），所以应当避免无功的远距离传输，尤其应力求避免无功的过网传输。因此，无功应实行分层控制，做到分层平衡，力求使通过变压器的无功尽量少，最终使得送、受端电网和高峰、低谷负荷之间的电压波动小和线损率低。因此，电力系统的电压及无功功率控制通常采用分层分区控制的原则。根据这一原则，国内外出现了多种自动电压控制模式。