电厂的电压无功控制策略和实现方式
邱军，梁才浩
（华中科技大学，武汉430074）
摘要：阐述了电厂电压无功控制的手段、目标、策略和实现方式；分析了约束条件；比较了目前几种主要的电压无功控制实现方式。提出了一种新型的具有独立输入系统的电压无功控制实现方式，该方式具有很高的实用价值。
关键词：电厂；电压；无功；励磁调节器；计算机监控系统
Strategies and Implementation Modes of Voltage and
Reactive Power Control for Power Plant
QIUJun，LIANGCai－hao
（College of Electrical＆Electronic Engineering，Huazhong University of Science＆Technology，
Wuhan 430074，China）
Abstract：The means and objects of voltage and reactive power control for power plant，as well as thestrategies and implementation modes are discussed，and analyses some restricted conditions．Several currentvoltage／var controlimplementation modes are also compared．Furthermore a new voltage／varcontrolmode ofindependented inputsystem is proposed．It is believed it willhave high applied value．
Key words：power plant；voltage；reactive power；excitation regulator；computer monitoring system
1 引言
电压是衡量电能质量的重要指标，电压的运行水平与无功功率的平衡密切相关。为了确保系统的运行电压具有正常水平，系统必须拥有足够的无功电源来满足系统负荷和网络
对无功功率的需求以及补偿无功功率的损耗。发电机是系统的主要无功电源，因此电厂电压无功控制已成为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。
从控制手段上讲，电厂的电压无功控制主要通过励磁调节器改变发电机的励磁电流，改变无功功率的分布。从发电机无功出力的约束条件上讲，主要有5个方面：（1）各发电机组定子绕组容许电流；（2）各发电机组转子绕组容许电流；（3）正常运行时机端电压容许的上下限值；（4）机组并联运行时静态稳定性；（5）在线各机组当前允许发出的无功上下限值。从控制目标上讲，主要有3个方面：（1）维持发电机的机端电压或高压母线电压为设定值；（2）最优分配受控机组之间的无功功率；（3）降低厂内网络功率损耗。
目前，我国电厂原有的主要靠人工手动调节的电压无功控制方法已不能适应电力系统发展的要求，需要有新的控制方法和方式。
2 电压无功的控制策略
电厂的电压无功控制通过发电机励磁控制实现，通过调节励磁调节器改变发电机的励磁电流，改变发电机的无功出力，维持电压稳定。基于对电厂励磁调节器励磁电流的调节，国内外提出了一些自动控制方法，较典型的有以下几种。
2．1 直接给定励磁调节器的设定值
根据电压曲线或运行经验给定励磁调节器的电压设定值，使机端电压维持在设定值。通过单一的励磁调节装置，检测发电机的实际端电压与设定值偏差，将此偏差信号输入发电机的励磁调节器，调节发电机的励磁电流，控制机端电压为设定值。这种方法接线简单，操作方便，易行，投资小，但没有考虑机组间的协调，不能把电站的总无功功率最优分配给各运行机组，只能实现每台机组各自的无功调节。控制原理如图1所示。
为了克服这些不足，进一步增强电力系统稳定性，近年来研究开发了多种励磁系统附加控制器，其功能由软件或硬件（独立装置）实现，即自动电压控制（AVC）实现。其中，有高压侧电压控制器（HSVC），利用高压侧电压作为反馈信号的电力系统电压调节器（PSVR）等。它们与励磁调节器共同控制电厂的电压无功。本文把励磁系统附加控制器统称为AVC。
2．2 高压母线侧电压信号引入控制系统
发电厂与系统的连接点是发电厂升压变压器的高压侧，无论从技术还是从商业的角度上看，都更应该关注发电厂高压侧母线的电压控制（highside voltage control，HSVC）和整个发电厂与系统的无功交换［1］。从技术角度看，与控制机端电压相比，控制发电厂高压侧母线的电压可以更好地控制系统电压，还可提高系统的稳定性［2］。从商业角度看，发输电分开后，发电厂与输电公司成为独立的利益主体，输电公司需要购买发电厂的无功服务来满足系统无功电压控制的要求，发电厂高压侧母线是发电厂和输电公司理所当然的商业界面，即责任和权利的界面。因此，引入高压母线电压信号对稳定电压具有一定的意义。
2．2．1 高压母线电压控制器（HSVC）
HSVC通过对传统的发电机励磁系统加补偿控制，可以提高电力系统电压稳定性。它能够控制升压变压器高压侧电压为设定值，并且维持高电压水平。它的实现不需要从升压变压器高压侧反馈任何信号，直接利用机端电压与高压侧母线电压之间的数学模型，通过函数转换把实际运行机组的机端电压转变为对应的实际母线电压，然后将其与给定母线电压的偏差信号输入补偿控制器中进行调节，保证高压侧母线电压为设定值。控制原理图如图2示。
文献［3］介绍了高压侧电压控制器的基本原理和特性，分析了它在增强电力系统稳定性方面的作用。通过无功电流补偿函数和升压变压器分接头位置变化引起的电压下降率补偿函数实现机端电压与母线电压的函数转换，为了改善振荡稳定性增加了相位补偿函数校正HSVC控制环的相应特性。
2．2．2 利用高压侧电压作为反馈信号的电压调节器（PSVR）
PSVR控制通过检测高压侧母线实际电压与设定值的偏差，估算出为消除母线电压偏差所需注入的总无功功率，通常采用灵敏度法计算出每条出线负荷的无功功率对电压的灵敏度系数，再根据母线电压的偏差，求出所有负荷因电压变化而产生的无功变化量。同时在线计算由各种约束条件确定的各台发电机组的无功功率上、下限值，然后调节各台发电机的励磁调节器，将此总无功功率最优分配给运行的各台机组。它要求在高压母线电压变化时，能迅速调整各发电机的励磁系统，使高压母线电压保持在当前设定值，同时使全站的网络有功损耗最小化，并使调整满足各类运行安全约束条件。AVC控制的实现功能是随着电站运行方式和运行工况的变化，能自动平稳地维持各段母线电压的实际运行值为其当前设定值；能够合理分配受控机组之间的无功功率，降低厂内网络的功率损耗；根据各台发电机的各种约束条件计算当前各机组允许发出的无功上、下限值，使分配给各机组承担的无功功率在其上、下限值之内。控制原理图如图3示。
文献［4］提出了一种具有自辨识功能的模糊自动电压控制装置，用于发电厂220 kV 母线电压自动控制。其控制策略是根据母线电压目标值求发电厂总无功功率目标值，对于系统阻抗采用自学习方法进行辨识。由于引入了自辨识技术和模糊控制技术，装置能在按电压曲线或远方指令运行的同时，有效地控制发电机的运行参数，使发电机组工作在额定范围内。
2．3 基于模糊控制理论的电压无功调节
模糊控制是模拟人的模糊推理和决策过程的一种实用控制方法。它根据已知的控制规则和数据，由模糊输入量推导出模糊控制输出，主要包括模糊化、模糊推理与模糊判决三部分，善于处理具有不确定和难以用传统非线性控制理论处理的问题。电压无功控制受电力系统时变性、运行条件和网络参数经常变化以及在许多条件下无功负荷不能精确给定，具有很多不确定因素，因此国内很多学者研究电压无功控制引入了模糊控制理论。
文献［5］介绍一种用模糊理论进行无功控制和提高电压安全性的方法。节点电压的越限以及控制设备的控制能力用隶属函数表示，先用模糊集的最小运算得到一个较为灵活的解空间，然后再用模糊集的最大运算得到优化方案，最后根据最优解修正控制变量值，直到所有节点电压值都达到理想的水平为止。该文建立一个简单而有效的无功控制模型，利用灵敏度系数矩阵，通过三层模糊最大和模糊最小运算，得出最佳无功补偿点。
这种模糊控制理论在变电站的电压无功控制中应用较多，但至今尚无成熟的适用于我国电厂的电压无功控制系统。
3 电压无功控制（AVC）的实现方式
3．1 电厂计算机监控系统后台软件AVC
很多发电厂采用计算机监控系统与常规系统并行运行的方式。计算机监控系统具有监视控制和数据采集（SCADA）、最优控制等功能，并具有完善系统结构和软硬件配置，其中现地控制单元（LCU）可以实现对各生产对象的监控，完成对现场设备和系统信号的数据采集和处理、闭环控制和调节、现地操作的人机接口。也包括对电压、无功信号的采集，因此添加相应的电压无功控制模块到计算机监控系统软件中，对系统采集到的信息进行计算、分析，输出控制命令给被控对象，即可实现AVC控制的目的。
目前国内电厂的电压无功控制大多通过计算机监控系统的AVC运行软件实现，其特点是AVC运行软件安装在电厂计算机监控系统上，成为后台监控系统的一个子模块，计算机监控系统运行时，设置投入AVC功能即可工作。AVC根据预定的全厂无功功率或高压母线的电压给定值，对系统采集的信号进行调节控制，使机组励磁调节和主变压器分接头调节实现最优组合。这种方法人机界面友好，参数设置简单，调试方便，省去了专用硬件设备，降低了成本。但是AVC实现功能对计算机监控系统的依赖性很大，可靠性完全取决于网络的通信水平、I／O单元和后台监控计算机的运行状况。当计算机监控系统的某个进程因资源等原因处于等待或休眠状态时，进程间数据传递障碍，画面数据不刷新，若此时AVC处于远方控制，中调下发的负荷值要经过一段时间才被AVC接受，而此时新的负荷设定值已改变，AVC分配的负荷值不能快速跟踪中调下发值，导致AVC调节滞后。文献［6］介绍了漫湾水电厂的计算机监控系统由于采样回路无法判断变送器故障，采集错误值，打破了计算机系统的闭环控制，形成无反馈的开环控制，AGC、AVC程序为维持实时控制，拼命将有功、无功功率往上加至设定值，从而引起发电机过负荷跳闸的情况。乌江渡发电厂、漫湾发电厂、棉花滩水电站、映秀湾发电厂、白山发电厂、宝钢电厂、张家口发电厂等都是采用这种方法实现电压无功控制的。
3．2 电厂AVC专用的独立装置
专门用于实现电厂AVC功能的独立装置在电力系统中应用很少。它作为电厂端设备，是十分有效的，能使发电厂的无功出力与母线电压在保证满足系统要求的同时，又能有效地保障发电机组自身的安全和运行的稳定性。调度端发出的电压或无功设定值通过此装置分配，执行系统指令。这种控制方式不受监控系统中计算机运行情况的影响，不会因为计算机运行故障影响电压无功控制，可靠性高；也不会因计算机数据传递影响控制系统的响应速度。但增加了硬件的投资和成本。文献［4］介绍一种具有自辨识功能的模糊自动电压无功控制装置就属于电厂AVC专用的独立装置。它已经在河南新乡电厂投入使用，效果明显。
3．3 新型AVC控制方式
这种控制方式具有独立的输入系统，电压或无功信号的采集不通过计算机监控系统，而是变送器采样后直接送入AVC独立装置中，并对变送器失电或短时失电故障报警，以免采集错误数据。其输出部分可以基于计算机监控系统装置，也可以自带输出。由于具有独立的输入系统，因此不受系统网络通信的影响，增加了可靠性，克服了通信延时、及时性不够的缺点；采样信号直接送入AVC独立装置中，不受监控系统中计算机运行情况的影响，又可以大大增加系统可靠性。使其能够安全、有效、方便、快速地对电压无功进行控制。这种AVC控制方式既适用于已安装计算机监控系统的电厂，也适用于没有安装计算机监控系统的电厂。该方式安全、方便，有很高的实用价值。如图4所示，具有独立的输入和输出系统，称为独立的AVC控制。如图5所示，没有独立的输出，仍然依赖于计算机监控系统，称为半独立的AVC控制。
4 电厂电压无功控制的技术关键
（1）励磁系统附加控制器的完善。发电机励磁控制是电力系统稳定控制最重要和基本的手段。励磁附加控制器与励磁调节器共同作用时，可以增加电力系统稳定性。附加控制器的完善，可以更好地实现电厂的电压无功控制，快速地实现控制目标。
（2）发电机的无功出力极限分析。发电机的无功出力是指发电机进相运行时能吸收的最大无功量，从而降低系统的电压。大型发电机采用进相运行方式，可以节省无功和电压的调节设备，充分发挥发电机运行效能，有较大的经济意义，使发电机不仅承担电能生产还能承担系统无功功率和电压调整的任务。因此，提高发电机的进相运行能力，合理地让机组进行深度的电压调节，是发电厂无功电压调整的技术关键和保证。
5 结语
目前，国内电厂的电压无功控制大部分是通过软件AVC实现的，硬件AVC实现的很少。不论通过软件AVC还是硬件AVC实现，都必须考虑系统运行安全可靠性和经济性。随着自动化和计算机应用的提高，如何开发符合国内电力系统实际运行水平的无功优化AVC软件，使之达到全网的最优控制是一个重要的课题，有待进一步研究。
参考文献
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