浅谈电力系统的电压控制　　吴　文　胜　　（重庆大学电气工程学院，重庆　400044）

1前　言
　众所周知，电力系统的电能质量主要包括频率性能指标和电压性能指标。一般规定负载点电压允许在±5型％U_e（额定电压）范围内偏移。若电压偏差超过一定限值，说明电能质量受到影响。电压过低，将使电气设备不能发挥正常功能甚至不能启动工作，如一般常用的白炽灯，其发光效率和亮度将会大幅下降；电压过高，将可能使电气设备的绝缘被击穿或烧毁，甚至危及电力系统的安全，造成大面积停电，对国民经济和社会稳定造成严重的损失和影响。因此，必须千方百计采取措施维持电力系统的正常电压水平。
2电压控制的方式
　电力系统线路中存在的电压降落主要是由于线路传输无功功率造成的，所以对电力系统的电压控制往往是对线路中传输的无功功率进行补偿。从大的方面来说，电压自动控制有集中式和分散式（又称分层控制）两种。
2．1　集中控制
　集中式是通过调度SCADA（数据采集及监控）系统，采集包括各发电厂、变电所等中枢点的电压、发电厂无功、变压器接头位置、无功补偿设备开断、投入状态等状态量和数字量，经计算机数据处理，以较短的时间调整系统中枢点的电压，使偏离值减小，并调整无功补偿设备的开断和投入以及变压器的分接头位置，实现整个系统电压和无功功率的闭环控制。这种控制方式自动化程度要求非常高，是电压和无功功率自动控制发展的必然趋势，是变电站实行无人值班的前提条件。
2．2　分散控制
　我国目前多采用分散式控制方式，就是整个自动控制系统按控制的性质和复杂程度以及控制系统的组织结构，将全系统的监视和控制功能分别由不同的级别去完成，只有属于全局的、综合的控制功能才由最高一级来完成。这种方式不能从整个系统角度来进行综合控制，只能在各地区实行自动控制，不能达到最优控制的目的。
3电压控制设备
　在电力系统中电压补偿的方式、设备很多，按发电、输电可分为利用发电机调压、利用有载调压变压器变比调压和利用无功补偿设备调压三类。
3．1　发电机
　发电机调压是利用发电机励磁调节系统，通过对发电机端电压进行负反馈并经励磁机励磁来维持端电压的，可实现逆调压来满足负荷对电压质量的要求，不需附加投资。这种方法在全世界都已普遍采用，但有局限性，一般只适用于发电机不经升压直接向用户供电的简单系统。当发电机经多级变压向负荷供电时，仅靠发电机调压就无法满足系统中各点的电压要求，必须与其它调压方法相配合。
3．2　有载调压变压器
　利用有载调压变压器变比调压，能够在电力网电压变化和负荷变化时，不停电地改变变压器分接头位置以满足调压要求，调节速度也较快，而且便于实现自动化，是一种有效的调压措施。但它的价格较高，运行维护较复杂，并且只有当系统无功功率电源容量充足时，用改变变压器变比调压才能奏效。因此，它在无功功率充裕时才显得灵活而有效，尤其是系统中个别负荷的变化规律以及它们距电源远近相差悬殊时。这种方法主要适用于系统间联络线和中低压配电网络中分散调压。
3．3　无功补偿设备
　利用无功补偿设备调压是在无功功率供应不够充裕的情况下采取的调压措施。无功补偿设备调压按设备的结构可分为同步调相机（有旋转部件）、机械无功补偿静态调压设备和电子无功补偿动态调压设备三种。
　(1)同步调相机实质是只能吸收或发出无功功率的发电机，在过激运行时向系统供应感性无功功率，欠激运行时从系统吸收感性无功功率。对它的控制，与发电机调压一样通过励磁系统来完成。当负荷电压低时，调相机就过励磁；当负荷电压高时，调相机就欠励磁。优点是可得到均匀的调压，既能发出无功功率，又能吸收无功功率，而且由于装有自动励磁装置，在故障时能保持电力系统的电压，从而达到提高系统的稳定性；但缺点是造价高，运行费用亦高，维护工作量大，而且损耗和噪音较大，响应速度慢，已逐渐被各变电站弃用。如重庆沙坪坝供电局盘溪调相站在1999年都还在使用同步调相机，但到2000年就改用电力电容器了。
　(2)机械无功补偿静态调压设备包括并联电容器和并联电抗器，与系统并联。它们分别向系统提供和吸收感性无功功率。并联电容器的优点是损耗小、效率高、设备费用低、运行费用低、结构简单、维修方便、适用性强；缺点是不能连续调节、负荷的调节特性较差、对系统中的高次谐波有放大作用。对它的控制，是根据配电网无功的变化，采取不同容量电容器的投切方式或组合投切方式。并联电容器现在在我国使用得最普遍，在老变电站和新建变电站中广泛得到应用，如在成都准备修建的成都花园变电站就是采用并联电容器,并联电抗器主要应用于线路负荷轻、无功功率充足、电压偏高的场所，控制方式与并联电容器基本相同。
　(3)电子无功补偿动态调压设备是应用FACTS(灵活交流输电系统)技术，能实时、快速地控制线路电压的设备，包括静止无功补偿器(SVC)、新型静止无功发生器(ASVG)和统一潮流控制器(UPFC)。静止无功补偿器能够通过大功率电力电子器件———晶闸管的导通情况来快速控制并联电容器或并联电抗器的投入和撤出，控制方式一般采用对设备接入点电压的负反馈来控制晶闸管的导通角，从而实现并联等效电纳的变化，改变无功补偿功率，达到稳定电压的目的。根据电容器、电抗器的连接方式，静止无功补偿器又分为晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)、固定电容器与晶闸管控制电抗器(FC—TCR)和晶闸管控制电抗器、电容器(TCR—TSC)。目前世界上已投运和将投运的输电用SVC已接近180台，我国运行于500kV的SVC已有5台(广东江门变、河南小刘变、东北沙窝变、湖南云田变和湖北凤凰山变），运行时间有9～17年，积累了大量经验。
　新型静止无功发生器是采用大功率半导体器件（现在主要采用可关断晶闸管（GTO）构成自换相变流电路的动态无功补偿设备。它通过直流电容器、桥式变流器以及连接电抗或降压变压器与线路相并联，向线路提供或吸收无功功率，稳定并联点电压。控制方式是通过改变可关断晶闸管的导通角和导通时间，控制ASVG桥式变流器产生交流电压基波的相位和幅值，间接控制ASVG的交流侧电压。在日本和美国该设备已投入商业运行，在国内清华大学和河南电业局已研制出其模型并进行了试运行。与SVC相比，ASVG调节无功能力更强，调节速度更快，运行范围更宽，补偿电流谐波含量更少，而且，ASVG使用的直流电容元件比SVC使用的交流电容元件体积小，大大缩小了装置的体积和成本，只是控制系统要复杂得多。
　统一潮流控制器和新型静止无功发生器一样，现在也是采用GTO元件，通过两个自换相变流电路分别与线路串、并联，可控制并联接入点的电压和线路的有功、无功功率，是FACTS技术的最新成果。1998年，一台±160MVA的UPFC在美国电力公司正式投运。另外，线路串联补偿可使线路电压损耗减小，线路末端电压提高，改善电压质量。其设备可包括串联电容器、晶闸管控制串联电容器（TCSC）和静止同步串联补偿器(SSSC)。
　电力系统电压控制的设备分类归纳见图1，各种设备的性能简单比较见表1。

从上表可见，电子无功补偿调压设备（表中后面六种）响应速度快、损耗小、噪音小、电压准确性好，反映了当前调压设备的发展方向。
4展　望
　电力系统电压控制设备的发展趋势是向着小型化、快速实时的方向发展。随着电力电子技术特别是大功率半导体器件的迅速发展，现在使用的GTO器件也将会被更加先进的器件所取代。例如，使用IGBT（绝缘栅双极晶体管）、MTO（MOSturn－off）和IGCT（集成门极换相晶体管）等器件，可承受更大的电压、电流，并使损耗更低，装置更小，从而简化结构，提高装置的可靠性。可以相信，FACTS技术在电力系统中的应用将会越来越广泛，对解决电力线路电压稳定性将会发挥越来越大的作用。
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