电网自动电压控制系统发电厂AVC装置

电网自动电压控制系统发电厂AVC装置

需要解决的几个问题

Issues Need to Be Solved At Automatic Voltage Grid Control

System -Power Plant AVC device

刘予丹

摘要：随着电网规模的不断扩大，电力自动控制技术迅猛发展，作为电力品质衡量的重要因素——电压，其自动控制技术自然成为攻关的风向标，目前无功电压自动控制技术已在全国各大电网开展应用。然而，随着应用的不断深入，作为电网自动电压控制系统主要连续可调执行机构——发电厂自动控制装置（以下简称AVC），与电网运行的相互影响不断呈现，有几个较具代表性的问题急需解决。本文就AVC与电网运行相关的电力电压自动控制相关技术问题进行了探究，并提出了解决方案。

关键词：电网自动电压控制；电网运行; 无功

Abstract：With the expansion of power gird and rapid development of electric automatic control technology, the automatic control technologies of voltage which is an important load scaling of electric power quality becomes the vane of direction in

sequence currently reactive voltage auto control technologies have been widely applied in every large electric power grid. However, with the application further spreading, we found that as automatic voltage grid control system mainly continuous

dispatch actuator-power plant automatic control device (referred to as AVC) ,and the grid negative influence rising continuously , so there are few issues need to be solved. This paper analyzes the problem on electric voltage automatic control technologies of AVC related to grid operation, and presents the solutions.

Key words: automatic voltage grid control; grid operation; Reactive power

1 提高机组无功自动调节裕度

我们知道，电网电压水平取决于系统无功功率的分布情况，电源提供的无功功率应和电网需求的无功功率相平衡。同时，为保证电网的安全稳定运行，还需要有一定的无功调节容量储备。作为电网无功电源连续可调的主要提供者，如何在安全稳定的前提下尽可能大的提高发电机无功调节范围，将是电力电压自动控制中的关键技术之一。

发电机运行会受到一定条件的限制，比如转子绕组、定子绕组的温升，原动机的功率限制等。为此，发电机出厂前，会提供一个P-Q曲线图（如下）。

在图上可以看到，定子电流限制为弧AB，转子电流限制为弧AC，受发电机原动力限制，发电机应运行在水平线CD上。而进相运行时，主要受静态稳定的约束，P-Q曲线的第二象限给出了其运行范围。 由此可见，随着发电机有功出力的变化，无功调节范围也在变化。当有功出力减小时，无功的调节范围将增大。也就是说，当电网有功功率储备足够而系统电压过低时，可适当降低某些发电机的有功功率，而增加发电机的无功功率；当系统电压过高时，也可以通过减少有功出力而提高机组的进相深度。

在厂站AVC的实际应用中，由于某些电厂的运行规程规定，发电机运行受功率因数限制，一般设定在0.98-0.85之间，因此电厂AVC设备自动控制在此范围之内。这时的限制曲线就是从P-Q图的原点到圆周上额定点的一条射线，如果此时P、Q均为额定值时，S也为额定值，功率因数也为额定值，它们都在圆周綫的额定点上。如果功率因数限定在额定值（如0.85），小于0.85将被限制，则这条射线右侧到圆周的原来允许运行的区域也被限制了。对于进相区（欠励侧），

如果用功率因数限制同样是一条原点出发的射线，这时发电机出力越大时允许的进相无功越大，出力小时进相的无功反而小，这与发电机实际无功出力能力相反。由于目前机组和AVC子站都有一些保护性限制：如任何时候P都不会超过原动机的最大出力。当出力小到一定时候，无功下限受励磁电流、机端电压下限的限制，上限受机端电压、转子电流、定子电流上限的限制。进相区则有进相曲綫限制，可以保证机组运行在安全区内。同时，考虑电厂机组都做过进相试验，因此，建议修改相关的发电机运行规程，在安全稳定的前提下，先放开一台机组，使机组能够具备自动进相的能力，以提高无功调节裕度。紧急时，仍然有无功备用。

2 增强系统在特殊方式下的自适应能力

目前国内大多数电网的AVC设备都是以母线电压为控制目标，发电厂AVC装置接收到主站系统设定电压。

在厂站AVC装置上，首先要将电压目标转换成为达到这个电压目标电厂需向系统送出的无功功率，也就是把母线的电压目标值转化为全厂无功目标；然后再将这个无功目标优化分配给各台机组作为单机无功目标。

通常由公式Qj=Uj((Uj-Ui)/X+Qi/Ui）将电压目标值转化为全厂无功目标。其中：Ui为当前母线电压，Uj为目标电压；Qi为当前电厂送入系统的无功；Qj为为使母线电压达到Uj需向系统送出的无功功率；Ｘ为系统阻抗。由于在绝大多数时间，从电厂看出去的系统阻抗变化是不大的，因此系统阻抗往往可以优选为一个定值。

随着大电网战略的实施，电网运行方式有可能会发生较大的改变。这种变化有时会引起系统阻抗十数倍的快速变化，与此伴随的是发电厂高压出线电压的大幅度改变。如果此时需要进行电厂出口电压的调节，公式中的系统阻抗势必需要做相应的自适应。否则，调节目标将无法实现，严重时甚至会造成电网电压的波动。为此，发电厂AVC子站的系统阻抗自适应必须作为一个必备功能来要求。

系统阻抗辨识就是根据电压调节前后的电压、无功值，根据公式：X=(U+- U-)/(Q+/U+-Q-/U-），利用最小二乘法计算出系统阻抗。

进行系统阻抗辨识时，为了获得准确的辨识结果，电压和无功的变化必须达到一定的幅度。同时必须要经过多次调节，才能有足够的数据来满足利用最小二乘法进行辨识的数据要求。然而电网运行方式发生重大变化时，系统阻抗的改变也是在很短时间内发生的，因此AVC装置有必要在很短的时间内完成系统阻抗设定值的自适应。

在实际应用中， AVC子站需要具有快速的数据采样能力（一般下位机采样间隔不大于100ms），随时在检测电压的变化速率。如果在调节过程中发现电压变化速率过快时，随即改变系统阻抗的设定值：

X=X*2n,

n为实测电压变化率与正常电压变化率比值的整数部分。 经过几次调节以后，系统阻抗设定值再进入正常的辨识过程。 另一方面，当电网由小系统并网到大系统时，系统阻抗会大幅度减小，如果这时AVC子站的全厂无功目标转换公式中的系统阻抗不发生改变，那么电压调节速率将会非常小，以至于达不到国网公司AVC

规范每分钟不少于1千伏的调节速率要求。而此时由于无功和电压的变化幅度较小，往往不能进行正常的系统阻抗辨识，这样就形成了一个死循环。为此，我们可以令：

X=X/2

经过几次调节，当电压和无功的变化幅度满足辨识条件后，进入正常的辨识过程。

3 修正AVC设备不同电压等级步长限制

公式Uj-Ui=（Qj/Uj-Qi/Ui）*X,考虑简化运算，可用额定电压Un来替代公式右侧分子中的Uj和Ui，则有：Qj-Qi=(Uj-Ui)* Un/X，即：

△Q=△U* Un/X

国网公司的AVC规范要求，220kV电压等级，AVC调节精度为0.5kv；500KV电压等级，AVC调节精度为1kv。下表分别给出了在不同系统阻抗情况下，220kV电压变化0.5kV，500kV电压变化1kV，无功需要变化量的估算值：

对于220kV电压等级(Un =230kV)：

X（Ω） 10 50 100

对于500kV电压等级(Un =530kV)：

△U(kV) 0.5 0.5 0.5 △Q（Mvar） 11.5 2.3 1.15 X（Ω） 10 50 100

△U(kV) 1 1 1 △Q（Mvar） 53 10.6 5.3 那么，根据上述数据推算，当系统阻抗达到100Ω时， 220kV线路改变0.5kV电压，只需要无功变化1.15 Mvar；500kV线路改变1kV电压，只需要无功变化5.3 Mvar。也就是说，针对以220kV和500kV电压等级输出的发电厂，最小无功步长分别应不大于1.15 Mvar和5.3 Mvar，否则将无法进行精确调整，甚至会在目标值附近来回摆动。因此，作为AVC子站，在安装调试阶段，应该测定电厂能够输出的最小无功步长，一旦出现这种状况能够准确识别，及时停止自动电压控制。

4 增加电网波动自动闭锁保护

电网发生低频振荡或电压波动时，电厂AVC子站应能够识别并进行输出闭锁。我们在电厂AVC子站中采用两种方式对有功和电压的波动进行鉴识：

4.1周期性幅度变化的鉴识

在下位机以10秒钟为一个时间窗，获取其中的最大值和最小值之差，如果这个差值的幅度超过一定的门限，则闭锁AVC子站的控制输出。如果不断有差值幅度超过门限，则输出持续闭锁。当闭锁持续一定的时间，AVC即退出。

4.2突变触发式的鉴识

对于具有交流采样功能的下位机，可以通过FFT获取0.1-10Hz的低频分量，当此分量的幅度达到一定幅度后，即可认定电压或有功发生周期性波动，此时可以令AVC子站输出闭锁或退出。采取这种方式识别灵敏度较高。

随着无功电压自动控制系统实用化的不断推进，今后厂站端AVC设备还会暴露出新的问题，但在此过程中，我们AVC主站的控制方式和AVC子站的控制策略也将得到持续性的改进，最终满足电力自动化控制的需求。

参考：[1]孟祥萍 高嬿 高等教育出版社 《电力系统分析》

[2]何南强 刘予丹《电网技术》2000年第四期《具有自辨识功能的模糊自动电压无功控制装置》

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2mp8.html