隨筆之六-電網無功補償和電壓調節

02-11

無功對於電網系統設計來說，肯定是非常非常重要的了，這塊其實內容很多，就做一個簡單的梳理總結，有一些工程實踐中的認識，希望可以互相印證。

無功對應電壓，有功對應頻率，應該是一個比較普遍大概的認識，當然沒錯。所以無功補償和電壓調節是密不可分的，也是調度考核的重要指標。

一、無功補償概述和原則

無功功率比較抽象，它是用於電路內電場與磁場的交換，並用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率(鎮流器也需消耗一部分有功功率)來發光外，還需80乏左右的無功功率供鎮流器的線圈建立交變磁場用。由於它不對外做功，才被稱之為「無功」。

電力系統的無功補償與無功平衡是保證電壓質量的基本條件，首先是一些重要原則當然很多是國網的原則，雖說要擺脫國網思路束縛，但是有些好東西還是要保留。

分層分區補償原則： 有鑒於經較大阻抗傳輸無功功率所產生的很大無功功率損耗和相應的有功功率損耗，電網無功功率的補償安排宜實行分層分區和就地平衡的原則。所謂的分層安排，是指作為主要有功功率大容量傳輸即220--500 kV電網，宜力求保持各電壓層間的無功功率平衡，儘可能使這些層間的無功功率串動極小，以減少通過電網變壓器傳輸無功功率時的大量消耗；而所謂分區安排、是指110k V及以下的供電網，宜於實現無功功率的分區和就地平衡。

電壓合格標準：

500kV母線：正常運行方式時，最高運行電壓不得超過系統額定電壓的+10%；最低運行電壓不應影響電力系統同步穩定、電壓穩定、廠用電的正常使用及下一級電壓調節。
發電廠和500kV變電所的220kV母線：正常運行方式時，電壓允許偏差為系統額定電壓0～+10%；事故運行方式時為系統額定電壓的的-5%～+10%。
發電廠和220kV變電所的110kV～35kV母線：正常運行方式時，電壓允許偏差為相應系統額定電壓-3%～+7%；事故後為系統額定電壓的的±10%。
帶地區供電負荷的變電站和發電廠(直屬)的10（6）kV母線：正常運行方式下的電壓允許偏差為系統額定電壓的0～+7%。

無功補償配置原則：各電壓等級變電站無功補償裝置的分組容量選擇，應根據計算確定，最大單組無功補償裝置投切引起所在母線電壓變化不宜超過電壓額定值的 2.5%,並滿足主變最大負荷時，功率因數不低於0.95。

以上只是大概的比例估計，具體工程的變電站的無功配置是需要通過計算的，計算分不同運行方式（針對容性和感性），無功計算一般是有無功交換的整個區域一起計算，主要與區域負荷、電廠和外部無功輸入、區域內變電站進出線充電功率有關。

無功不足應採取的措施：

要求各類用戶將負荷的功率因數提高到現行規程規定的數值。
挖掘系統的無功潛力。例如將系統中暫時閑置的發電機改作調相機運行；動員用戶的同步電動機過勵磁運行等。
根據無功平衡的需要，增添必要的無功補償容量，並按無功功率就地平衡的原則進行補償容量的分配。小容量的、分散的無功補償可採用靜電容電器；大容量的、配置在系統中樞點的無功補償則宜採用同步調相機或靜止補償器。

電壓中樞點：指那些能夠反映和控制整個系統電壓水平的節點（母線）。

中樞點的無功電壓控制至關重要，一般根據實際情況選擇以下作為中樞點：（1）大型發電廠的高壓母線；（2）樞紐變電所的二次母線；（3）有大量地方性負荷的發電廠母線。

二、無功補償來源和電壓調節設備

1）同步發電機：同步發電機是電力系統中最重要的無功補償設備。往往依照不同系統條件和不同的安裝位置，根據需要選擇不同的發電機額定功率因數。位於負荷中心附近的發電機組，宜於有較大的送出無功功率的能力，可以供應正常負荷的部分無功功率需求外，還可以在正常時保留一部分作為事故緊急儲備，非常重要。

至於送端電廠的發電機組，特別是遠方電廠，由於無功功率不宜遠送的規律，它發出的無功功率主要用以補償配出線路在重負荷期間的部分無功功率損耗，實現超高壓網無功功率的分層平衡。功率因數一般都較高。例如，巴西伊泰普水電.站中，有9台765MW的機組接在交流側，經900k m ,765kV交流線路到受端，機組的額定功率因數選為0. 95，另9台7機通過直流線路到受端，其額定功率因數選為 0. 85 ,因為前者只需要補償線路，後者還需要補償換流站的無功（換流站的無功需求相當大）。

反過來說，接到超高壓電網特別是位於遠方的發電機組需要具有適當的進相運行能力（吸收無功），使能在系統低負荷期間，吸收配出的超高壓線路的部分多餘無功功率，以保持電廠送電電壓不超標。這點在工程實踐中往往是一個後備方案，即機組的進相運行來調整電壓。我國一般現在機組都會做進相運行試驗。

2）輸電線路：輸電線路既能產生無功功率(由於分布電容)又消耗無功功率(由於串聯阻抗)。當沿線路傳送某一固定有功功率，線路上的這兩種無功功率適能相互平衡時，這個有功功率，叫做線路的「自然功率」。這點應該是較為基本的認識，所以有功潮流大的線路，無功消耗也大，自然產生較少無功；空載線路也最容易貢獻無功，從而抬升電壓。尤其是500kV層面小負荷方式下容易無功剩餘。

3）變壓器：變壓器是消耗無功功率的設備。除空載無功損耗外，當傳輸功率時，又通過串聯阻抗產生無功損耗。依前所述理由，通過變壓器傳送大量的無功功率在運行中應當是力求避免的，當變壓器短路阻抗大時更當如此。通過變壓器傳送功率產生的電壓降，可以適當選擇變壓器的電壓抽頭予以補償。

電壓器主要分為三類：供電變壓器、電廠升壓變、電網聯絡變。

供電變壓器：不但向負荷提供有功功率，也往往同時提供無功功率，而且一般短路阻抗也較大。對於直接向負荷中心供電的變壓器，宜於配置帶負荷調壓分接頭，在實現無功功率分區就地平衡的前提下，隨著地區負荷的增減變化，配合地區無功補償設備並聯電容器及低壓電抗器的投切，以隨時保證對用戶的供電電壓質量，這點國網電力系統導則中有規定。

對這類變壓器是否要採用隨電壓而自動調壓分接頭，國際上並無統一做法。因為變壓器自動調壓的作用不總是積極的，如果在系統無功功率缺傾很大的時候，也一定要保持負荷的電壓水平而調整電壓分接頭，勢必將無功功率缺額全部轉嫁到主電網，從而可能引起重大系統事故。如19 78年12月19日法國大停電事故，1983年12月27日的瑞典大停電事故和1987年7月23日日本東京系統大停電事故的起因，都直接與供電變壓器自動調電壓分接頭有關。本質上原因在於這只是一種間接手段，但不能改變系統的無功需求平衡狀態。

發電機升壓變：這一類變壓器是否配電壓分接頭和是否帶負荷調節電壓分接頭，沒有定論，發電機本身已經是很方便的無功調節設備，在升壓變壓器上配電壓分接頭似乎並沒有什麼特殊必要。當然，各個系統有各自的傳統習慣和做法。

主網聯絡變壓器：這一類變壓器的特點是容量大，如500 /220/35主變。在研究這一類變壓器是否應當裝設帶負荷調節的電壓分接頭時，有兩個特點值得考慮，第一，無功功率補償和調節能力的分層平衡，決定了作分連接兩大主電網的聯絡變壓器，原則上不應承擔層間交換大量無功功率的任務，而單純因有功負荷變化所造成的電壓變化則較小，第二，一般地說，因為連接的是主電網，每一側到變壓器母線的短路電流水平都相當高，都將遠大於變壓器本身的容量，調節變壓器的電壓分接頭已經失去了可以有效調節母線電壓的作用。1982年國際大電網會議變壓器委員會提出過一份報告，特別指出了有了帶負荷調節電壓分接頭，不僅它本身不可靠，同時還增加了變壓器整體設計的複雜性。當然這也不是絕對的，也需要視具體情況而定。

4）並聯電容器：並聯電容器早已廣泛地用於較低電壓的供配電網和用戶，又稱低容，用於補充無功。最大特點是價格便宜而又易於安裝維護。國際上，各大電力系統都是逐年不斷地大且增加採用並聯電容器，大多數是為了控制負荷功率因數，也有一些接到主變壓器三次側作為無功補償調節的手段。並聯電容器的性能缺陷是，它的輸出功率隨母線電壓降低而成平方地降低，這在電壓低的情況下將可能導致惡性循環。

5）並聯電杭器：並聯電抗器是吸收無功功率的設備。500kV線路直接接到線路上，稱為高抗，之前過電壓部分已經提到過它的作用（限制工頻和操作過電壓，避免自勵磁、與中性點小電抗相配合，可以幫助超高壓長距離線路在單相重合閘過程中易於消弧，從而保證單相重合閘成功）；220kV線路一般裝在變壓器繞組三次側，為低抗。

6）串聯電容器： 又稱串補，用於補償線路的部分串聯阻抗，從而降低輸送功率時的無功損耗，因而也是一種無功補償設備。但串聯電容更是電力系統經遠距離輸電時比較普遍採用的提高系統穩定和送電能力的重要手段。南網運用相當多。

串聯電容器提升的末端電壓的數值QXC/V(即調壓效果)隨無功負荷增大而增大、無功負荷的減小而減小，恰與調壓的要求一致。這是串聯電容器調壓的一個顯著優點。但對負荷功率因數高(cosφ>0.95)或導線截面小的線路，由於PR/V分量的比重大，串聯補償的調壓效果就很小。

在高壓系統中採用串聯補償，也有一些困難。一是補償站本身的複雜性，要求能在故障切除後即時再投入串聯電容和對串聯電容器本身的保護。近年來開發的氧化鋅非線性電阻保護系統，有助於解決這方面的困難，其次是增加了繼電保護的困難，傳統的距離保護用在串聯補償線路上遇到一些特殊的問題;第三，要解決汽輪發電機組配出串聯補償線路可能產生的次同步諧振問題（這塊是一個獨立課題，出現過不少事故）。

7）同步調相機：同步調相機是最早採用的一種無功補償設備，現在基本不採用。但為了適應電網穩定以及直流輸電的需要，在一些情況下仍然具有它的特定作用。

8）靜止補償器SVC: 靜止補償器有電力電容器和可調電抗並聯組成。電容器可發出無功功率，電抗器可吸收無功功率，根據調壓需要，通過可調電抗器吸收電容器組中的無功功率，來調節靜止補償其輸出的無功功率的大小和方向。靜止補償器能快速平滑的調節無功功率，以滿足無功補償裝置的要求。這樣就克服了電容器作為無功補償裝置只能做電源不能作負荷且不能連續調節的缺點。但其也不適用於一個受端系統很弱的電網中，因為其容量將隨母線電壓下降而成平方地降低。

從本質上來說靜止補償器主要是一種反應迅速的無功功率調節手段。和同步調相機比較，雖然造價相當，但靜止補償器的調節遠為快速，』這是一個突出的優點。而為了能發揮它在需要時的無功功率快速調節能力，至於因正常負荷變動引起的電壓變化，過程比較緩慢，用一般的便宜得多的電容器與電抗器投切等，完全可以滿足要求，沒有必要選用這種高性能的設備。所以一般用於負荷衝擊大的節點、電壓樞紐節點、功率容易波動的聯絡線兩側以及事故緊急備用節點。

至於更為先進的TCSC、STATCOM等設備放在以後的柔性電力系統裡面提及。

三、系統無功設計

1) 系統各點允許的最高長期運行電壓，受接入電力設備絕緣水平和變壓器飽和的限制。例如在我國，規定500kV電網的最高長期運行電壓為550kV，變壓器的最高運行電壓不得超過相應電壓分接頭額定值的105%等。

2）系統各點的最低運行電壓，決定於電力系統穩定運行需要和變壓器帶負荷電壓分接頭的調正範圍的要求，對於發電廠，還受廠用電要求的制約。

3）國外大多數電力系統考慮，允許的電壓波動範圍都在額定值的±5%-±10%的範圍（正常和N-1方式）

在設計電力系統的無功功率時，還需要考慮如下的一些基本要素：

不使超高壓長距離線路的甩負荷過電壓超過一定允許值(穩態工頻過電壓值）
保證電網的送電穩定性。這是對電網最低電壓水平的限制。為了在各種可能的正常運行和規定事件後的電網運行方式下，保持運行中的所有輸電線路都有一定的穩定裕度因而要求各樞紐變電所電壓能保持高於一定的最低水平。事故一般考慮N-1，也有的考慮嚴重些N-2。世界上發生了不止一次因電壓問題引起的系統大事故，這點會在以後電網大停電部分提及，電力系統穩定部分也會涉及。
直流輸電的需要。直流輸電的換流裝置無論以整流器方式或逆變器方式運行時，都將從交流側吸收無功功率，這一部分無功需求相當大，也是直流輸電系統需要重點考慮的內容。
解放發電機和同步調相機的無功功率能力，使之留作事件後的緊急補償需要。如並聯電容器作為正常時的無功功率補償，完成正常運行時校正電壓的任務，而把發電機之類的旋轉無功容量空出來作為事故備用。這也是國外系統的一種普遍做法。

就電網特性而論，兩者最大的不同在於: 對於頻率，是全網一致，電網中任一點的有功電源和有功負荷的增減對電網頻率變化都起到基本同樣的影響; 而對於電壓，則是區域性乃至逐點式的，各點的無功電源和無功負荷對電壓變化的影響，主要是就地的，因而必須分層分區安排和調節，使無功電源與無功負荷基本逐點對應。所以當著電網發生了大的無功功率缺額的時候，在現實生活中卻很難按照處理有功功率缺額相類似的原則去處理。

對於高壓電網，需要制訂專門的無功功率規劃，除了主要由地區電廠供應地區負荷的小系統外，一般都需要在全系統的基礎上進行無功功率補償設備的協調配置。許多系統的做法，首先是按系統峰負荷時運行方式，決定配置無功功率的補償容量; 然後按系統低谷負荷時的運行方式進行校核，決定線路充電功率的吸收容量及其實現手段。

無功功率補償的設計，一般需要研究兩大類系統結構情況下的三種運行方式。兩大類系統結構：正常和N-1；三種運行方式：大負荷，小負荷，潮流倒送方式。

系統無功設計時，還有一些細節問題：

500kV雙回線在運行中突然斷開一回，其後果是原來由斷開那回線傳輸的有功功率將立即轉移到保留在運行中的一回線上來。由於保留在運行中的那回線的電流突然增大，線路的無功損耗將成平方地增大。同時還失去了原來一回線的充電功率，這個缺額不小而且必須由兩側系統立即提供補償。瑞典1983年12月17日的大停電事故就是由於主輸電線路跳閘，受端無功補償能力不足引發的。

在運行的電網中，為了解決這類問題，可以採取連切部分送端機組，或在條件合適的情況下連切部分受端負荷，以減少通過保留運行線路中的傳輸電力，以保持事件後系統的穩定運行。但是這種後備措施，應當留給生產運行系統，以應付實際可能出現的比設計系統時選取的更為嚴重的情況下的事件。

高低壓電磁環網運行中高壓線路突然因故斷開。例如500kv與220kV線路或220 kV與110kV線路並行運行。在我國，這種情況都發生在新出現高一級電壓電網的初期，在這樣的並聯環網上傳輸有功功率，大部分將通過高壓網一邊的線路。如果傳輸的有功功率較大，當環網中高壓線路因故障斷開後，通過並聯低壓線路傳送的電力，將立即增大到遠遠大於它的自然功率，其後果，或者立即引起同步運行穩定性破壞，或者受端系統電壓崩潰，或者因超過線路的熱容量功率而燒斷線路。這些事故，在我國的運行電網中，都分別不止一次的發生過，是嚴重的事故後運行情況。所以這種高低壓電磁環網設計時必須避免。
是否要利用500kV線路的充電功率。一般來說不會利用，在輕負荷情況下，無論採用高壓並聯電抗器或是採用低壓並聯電抗器，總需要恰當地予以補償。對比電網出現低電壓的情況，對於生產運行系統說來，如果沒有設備條件，電網出現高電壓會成為一種不可控的嚴重現象。長期不可控的高電壓，會給電力設備的安全運行帶來很大的威脅。

線路高壓電抗器的補償容量，可以考慮選擇為線路充電容量的70%左右，長線路可在線路兩端各設一組，中短線路可只在線路一側裝設。這樣，當線路傳送功率為自然功率的55%左右，線路本身的無功功率適相平衡，而當偏離此值時，兩側系統只需提供不大的無功補償功率。

四、運行系統的電壓調節

運行系統對電壓的控制，是安排和充分利用電網中的無功功率補償容最和調節能力，隨時保持正常運行情祝下和事故情況後電網中各樞紐點電壓值不超過規定限頰，並保證電力系統的安全穩定運行。

主要的調壓設備：發電機、變壓器和其它無功補償設備（如並聯電容器/電抗器和SVC等）、直流輸電系統。
調壓的主要手段：1）調節發電機的端電壓，2）調節變壓器的分接頭，3）調節無功補償設備的無功投切容量，4）發電機、變壓器與無功補償設備的組合調壓。
調壓的空間範圍：單個發電廠變電站的VQC控制，多個廠站的AVC控制，全局的綜合無功協調三級控制。
調壓的時間範圍：單個時段（單一負荷水平）的靜態控制、多個時段（多種負荷水平的動態控制）。

其中有一點，無功優化的研究很多，文章很多，但在實際工程中卻基本沒有應用，既有操作問題，又有若干尚待明確的調節原則問題。例如，當運行條件變化，要維持系統的無功優化，根據電網無功功率與電壓分布的特點，勢必要求全系統各點的各種無功功率調節手段與電壓調節手段頻繁動作，而如果沒有高度發達的電力通信網路和自動化條件，實際上就辦不到。又例如，和頻率調節不一樣，無功功率的調節和壓調節不可能完全依靠同步機和靜止補償器，因而無法做到均勻細調;由於不可能建立全網電壓標準，只能以就地側量電壓為依據，這些累計的測量誤差勢必給優化帶來影響，如此等等。

比較現實的做法是，在留足事故緊急備用的前提下，儘可能使系統中的各點電壓運行於允許的高水平，不但有利於系統的運行穩定性，也可獲得接近於優化的經濟效益。

在一些國家的電力系統中還配置了二次電壓調節系統處理電壓問題。在電網中實現了無功功率及電壓的區域性集中控制，如法國電網，很有代表和借鑒意義。在法國系統中，共有三個控制層(一次、二次及三次)。一般地說，電壓的快速無規則變化均由系統電廠機組的「一次作用」進行補償。這種一次作用要求快速(反應時間數秒)，因而必須自動。主要由機組的勵磁調節實現，其次靠400/225 kV變壓器的自動電壓分接頭。為了處理電壓的慢變化，由「二次」與「三次」控制作用建立系統的新狀態，二次控制所管理的是在一地區內可資利用的動態無功功率，其反應時間約為3-5min，目前，三次控制為手動。從而取得全系統各點電壓的全面協調。

運行實踐確認了二次控制的優點，即在正常情況下電壓得到了較好控制。這其實也引申出一個研究方向，就是無功電壓的控制方式（分散控制、集中控制、協調控制）

至於重要的電壓穩定問題，將在電力系統穩定部分和大停電部分總結。

無功和電壓部分就總結這麼多，其實工程實踐中涉及無功的方面非常多，非常值得重視，感覺沒有寫出所有想說的，以後想起了會補充，確實是系統設計的重點內容。