何南强1，刘予丹2
1．河南电力调度中心，河南省郑州市450052； 2．郑州电力经济开发总公司，河南省郑州市450052
1 前言
电力系统中的无功功率及电压控制是一个十分重要的问题。在电网中如果有充分的可自动控制的无功补偿设备，无功电压问题是不难解决的。但现有电网的无功补偿设备一般较少，自动控制能力更是缺乏，因此，解决电压问题就成为一个难题。
河南220kV电网在80年代初的主要问题为电压偏低，到80年代末90年代初，季节性出现局部电压偏高和局部电压偏低。现在，电网电压则出现了后半夜普遍偏高现象，而个别偏远地区在高峰大负荷时又出现短时电压偏低。河南电网之所以出现后半夜电压偏高的现象，主要是由于后半夜负荷所需的无功与发电机发出的无功和线路产生的无功总和不能很好平衡的缘故。解决的办法：一是在负荷侧增设吸收无功的装置，如电抗器等；二是减少发电机无功。电抗器的单位造价较大，少量投入效果不明显，所以最便宜最简单的办法是减少发电机无功。但是电网的电压是随时间波动的，在负荷高峰时系统电压有可能不高，甚至偏低，即使同一时段电压高低也会波动。目前调节发电机无功控制220kV母线电压的方法，是由各电厂值班人员根据系统调度的要求同时人工调节的。这在实际操作上是有困难的。如果能利用自动装置根据系统要求的电压曲线来调节，则不但电压合格率高，降低线损的效果也会好得多。当然，变电站无功补偿装置和变压器有载调压分接头的自动控制也是十分重要的一环。本文提出的无功、电压控制方法，是专门用于发电厂220kV母线电压自动控制的。
另一方面，从电网无功优化运行的角度看，使全网的电压保持在合格范围内，使全网的线损最小，这是电力系统运行的理想状态。目前新的电网调度自动化系统大多包含无功优化软件，但真正去实现控制，还有许多困难。这是由于厂、站端的信息不可能大量送到调度端的缘故，即使有完全的信息，也不可能保证完全无误，所以由调度端实施控制，对厂、站端设备的安全保证尚有待研究。
本文介绍的发电厂高压母线电压控制的另一特 点是充分考虑了发电机的各种极限指标，以保证发电机在合格的参数下安全、稳定运行。如果按照当地设置的电压曲线或远方发来的电压目标值进行控制，则可能使厂用电的电压过低，因此用本文方法制成的装置会自动保证厂用电在正常的状态。又如当电压目标值使功率因数进相而引起功角过大，有可能影响机组稳定运行时，则用这种方法制成的装置也会自动调整在允许的功角范围内，其它如定子电流、转子电流等也都不会越限。因此，不论是执行当地设置的电压或无功曲线，还是执行远方发来的电压或无功目标值，用这种方法制成的装置不但能实际执行，而且能充分考虑发电机安全稳定运行的要求。
当全网装设了用本文方法制成的电厂端装置后，无功优化运行就有可能真正实现。
对发电机组的无功功率控制，与以往介绍过的调功装置相似，可根据无功的目标值进行调节，且更快更准。
本文主要介绍根据发电厂高压母线的电压或总无功功率目标值调节各发电机无功功率的方法。
2 基本控制原理
2．1 根据母线电压目标值求电厂发出总无功功率目标值
一般来说，电厂的等值图如1图所示。
图1 电厂等值图
设当前220 kV母线电压为Ui，调节目标电压为Uj，当前电厂送入系统的无功为Qi，系统阻抗用X表示（X将用后面介绍的自学习方法进行辨识），为了使母线电压达到Uj，需向系统送出的无功功率Qj为
如果得到的目标值是Qj，则改写式（1）也可求得Uj。在实际装置中往往不能测得Qi，因此可以用在每台发电机侧测得的无功功率总和来近似代替Qi。尽管理论上会出现误差，但在实际装置中逼近的目标是Qj，所以这种近似不会引起更大的误差。
在把Qj分配给各台发电机前，首先用如图2的程序检查Qj是否会使各发电机机端电压超限。
图2 程序框图
图中 n为电厂发电机组总数；Umh、Uml为第m台发电机的最高、最低允许机端电压值；Qjmh、Qjml为根据发电厂高压母线目标电压值求得的保证第m台发电机机端电压的最高、最低允许无功功率值：
和；Km、Xm为第m台发电机组升压变压器的变比、阻抗（将用自学习的方法辨识求得）。
这样求得的发电厂总无功目标值，可以保证分配给各台发电机的无功不会使机端电压超限。
2．2 各台发电机的无功功率分配
一个发电厂内各发电机组间的无功分配，大体上按功率因数相近分配，同时要考虑机端电压是否合适，严格来说还应考虑发电机的功角是否有一定节裕度等。
实际运行经验表明：自动控制发电厂无功时，保证每台机的机端电压在合格范围内，并有相似的调节裕度是十分重要的，保证发电机的功角在合理的范围内也是可能的。本文推荐如下办法：
第m台发电机发出无功的目标值Qjm为
式中 φim和cosφim分别为当前第m台发电机的功率因数角和发电功率因数；R＝1（当Qim＞0时），或R＝－1（当Qim＜0时）；Uim、Iim和Imn分别为第m台发电机当前的电压、电流和额定电流值；Imf0和Umn分别为第m台发电机达到额定电压时的空载励磁电流和发电机额定电压；Iimf为当前第m台发电机的励磁电流。
这样，可求得第m台发电机在当前高压母线电压的功角
 （4）
如有m台发电机的当前功角大于一设定值（如50°），则用一定的步长改变φim ，使这m台发电机的当前功角都小于设定值。对于这m台发电机，用改变后的φim调节，使功角小于设定值。
2．4 检查发电机其余的限制值
与上节相似，同发电机组的额定值比较，以判断当前值是否超限。如果某台机组的Iim或Iimf超限，则立即调整该发电机的无功出力直至合格为止。如果某台发电机的上述目标值超限，则减少该发电机的目标无功值，直到合格为止。
在按目标值校核时，如有m台发电机功角超出设定值，则用改变φim的方法，修改这m台发电机的无功目标值直至功角小于设定值为止。
3 用自学习法辨识参数
系统阻抗X以及各台发电机组升压变压器的变比和阻抗（K1、X1，…，Km、Xm，…，Kn、Xn），都采用自学习方法辨识。
3．1 系统阻抗的辨识
设第s次调整前，第m台发电机的机端电压为Us－m，发出无功Qs－m，高压母线电压Us－，向系统发出无功Qs－，调整后分别为Us＋m、Qs＋m、Us＋和Qs＋。这时可以写出方程式（5）
（Qs＋／Us＋－Qs－／Us－）X＝（Us＋－Us－）（5）
设有t次调整记录，则有
简写为 ［ΔQ／U］X＝［ΔU］（7）
两边乘以［ΔQ／U］T，整理后可得
X＝｛［ΔQ／U］T［ΔQ／U］｝－1［ΔQ／U］T［ΔU］（8）
3．2 发电机升压变压器阻抗和变比辨识
按式（9）求得第m台发电机升压变压器的参数
［ΔU ΔQ］T［UΔU］（11）
根据经验，调整次数s取5较为合适。
3．3 自学习过程
对于系统阻抗，在开始时可估算一个值X0作为初始值；经过一次调节，即可用求出的X值。在以后的运行中，一般宜用5次左右的调整值算得。
对于发电机升压变压器的变比与阻抗，开始时可用铭牌参数或实测值，经四五次调节后即可用辨识所得参数。以后即使分接头调整，也无需再送初值。
4 模糊控制技术的应用
从理论上讲，发电厂这种AVQC控制应是全网采用的，且由调度自动化系统按最优控制理论来控制的。这样可以既保证电网节点电压达到合格，又可使全网的线损为最小。
实际上，电力系统的负荷是每时每刻都在波动的，所以按最优理论的调节有可能十分频繁，过分频繁的调节是不合适的。所以一般在控制目标值的两边设有死区。死区过小，动作过于频繁；死区过大，调节目标偏差较大，影响效果。由于系统情况不断在变化，合适的死区不易选择。
另一方面，全网性的最优控制要到最终全网装设这种AVQC装置后才能实现。在开始阶段要用当地功能运行：由调度下达电压曲线，电厂按该电压曲线运行，保证电厂高压母线的电压合格率。
如果人工调节时，即使告诉了目标电压，也不可能随时调节。只要电压在合格的范围内，如果电压偏离目标值很小，会很长时间不去纠正；偏离较大时，纠正调节会慢一些；当偏离接近合格值边界时，会立即调节；超出合格边界时将快速拉回。
模糊控制就是按人们常规的思路去控制的，这样就不存在死区设定的问题，而调节的速度又是合乎人们要求的。
图3是用上述思路确定的隶属函数。图中t是算出发电机目标无功值后延时调节的时间，U是电厂高压母线当前电压值。
图3 延时调节时间与母线电压的关系曲线
a、b间表示电厂高压母线电压合格范围，a点为下限值，b点为范围的上限值。j点代表目标电压值。i点与k点之间表示死区，采用模糊控制时可用最小
死区，比如±1kV。函数可表达为
由于电网中不同的位置有不同的要求，电厂的习惯也不同，因此按不同需要选择。河南电网在新乡电厂的控制装置中接入的模糊控制方式隶属函数按式（13）执行，使动作次数减少到1／10左右。
研究对任一台机组的各项极限保安值的隶属函数。
（1）机端电压极限的隶属函数
图4 机端电压极限的隶属函数
（2）定子电流极限的隶属函数
图5 定子电流极限的隶属函数
（3）转子电流极限的隶属函数
图6 转子电流极限的隶属函数
（4）功角极限的隶属函数
图7 功角极限的隶属函数
φul、φuh、φI、φif和φδ已在图4～图7中用图形描述，它们与φ（u）类似，根据实际情况可以用多种函数表达。本文从略。
在实际应用时，只要有一台（例如第m台）发电机的参数接近于极限值，就要立即加速调节，所以延迟时间t的最终表达式为
t＝φ（u）－φ1ul－φ1uh－…－φmul－φmuh－φmI－φmIf－φnδ… －φnδ（14）
式（14）中各项极限的隶属函数的上角标表示所对应的发电机的编号。
5 运行结果
用这种方法做成的装置在河南电网的新乡电厂4、5号机上，焦作电厂的3、4、5、6号机上都实现了当地控制功能的运行。以新乡电厂4、5号机为例进行说明，运行情况见图8、9。
图8 1999年4月1日新乡电厂4、5号 [1] [2] 下一页
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