摘要：随着电力系统规模的扩大和新能源并网比例的提升，电网无功功率控制面临新的技术挑战。本文针对传统无功补偿装置成本高、响应速度慢的问题，提出基于同步发电机进相运行的无功功率控制策略。通过分析进相运行对系统电压稳定性和发电机运行安全的影响机理，建立了考虑机组容量约束和热稳定极限的优化模型。研究结果表明，该方法可在降低设备投资的同时提升系统动态无功调节能力，为现代电力系统的经济运行提供理论支撑。

关键词：进相运行；无功功率控制；发电机优化

引言

电力系统无功功率平衡是维持电网电压稳定的核心要素。随着特高压输电网络的发展和分布式能源的规模化接入，系统无功需求呈现时空分布不均的新特征。传统静止无功补偿装置虽能改善局部节点电压，但其投资成本高、动态响应特性受限。同步发电机作为电网主要无功源，其进相运行能力为系统无功调节提供了新思路。本文通过研究进相运行机理与控制策略，探索发电机无功出力与系统稳定性的耦合关系，旨在构建经济高效的无功功率综合控制体系。

1.电力系统无功功率控制概述

1.1 电力系统中的无功功率及其重要性

无功功率是维持电磁能量交换与电压稳定的关键因素。交流系统中，感性负载（如电动机、变压器）会吸收大量无功功率，导致线路压降和损耗增加（约占输电网总损耗30%）。新能源大规模接入（如风电、光伏）加剧了系统无功波动，若储备不足可能引发电压崩溃，例如2003年美加大停电便因多级电压失稳触发连锁故障。为此，需通过同步调相机、STATCOM等动态补偿装置与电容器协同控制，构建灵活的无功调节体系，同时柔性输电技术（如SVG）的应用显著提升了电网暂态电压支撑能力与安全裕度。

1.2 无功功率控制的发展现状

无功功率控制技术目前形成了集中式补偿与分布式调节并行的技术路线，其中以SVC、STATCOM为代表的电力电子装置凭借毫秒级动态响应特性，在新能源场站并网、特高压直流输电等场景得到广泛应用，但其高成本（STATCOM单位容量造价约为传统电容器的1.5倍）与运行中产生的5%～11%谐波畸变率仍制约着规模化部署。同步调相机虽具备强惯量支撑优势，但在实际运行中常处于40%以下的低负荷工况，造成设备容量浪费与能效比下降。

学界正着力挖掘发电机组无功调节潜力，通过改进励磁系统PID参数整定、引入模糊自适应控制等策略，将机组无功出力范围拓宽至额定容量的120%，但受限于转子温升约束与定子端部过热风险，发电机深度进相运行（功率因数低于0.9）的应用案例仍不足全网节点的15%。值得注意的是，数字孪生技术与模型预测控制（MPC）的融合为多时间尺度无功协调提供了新思路，通过实时仿真与最优潮流计算的交互迭代，可提升系统动态无功储备利用率约20%～30%。

1.3 进相运行在无功功率控制中的作用

进相运行通过控制同步发电机至功率因数超前状态，在系统轻载时快速吸收过剩无功，调节范围可达额定容量的30%-50%，兼具动态响应快与零设备增投优势。德国电网采用实时电压优化模型，精准匹配机组进相深度与无功需求，成功缓解光伏反送导致的532kV母线电压超标。但深度进相（功率因数超前超0.9）易引发定子端部130℃以上温升及失磁风险，需结合温度场监测、失磁保护算法（如±5°功角约束）构建防护体系。欧美电网实践显示，优化端部散热结构可使持续进相时间延长至6小时，无功吸收效率提升近20%。

2.进相运行在电力系统无功功率控制中的应用

2.1 进相运行原理及特点

进相运行通过降低发电机励磁电流至空载额定值以下（通常为额定励磁电流的70%～80%），使电枢反应呈现去磁效应，导致机端电压相位超前系统电压5°～15°，等效形成感性无功负荷。其调节能力受多重约束：定子端部温升受铁芯叠片涡流损耗影响（典型限制值为120～150℃），静稳极限与功角特性曲线拐点相关（安全裕度需控制在±7°范围内），同时厂用辅机电压需维持在0.95p.u.以上。国产300MW汽轮发电机试验表明，在冷却系统强化改造后，最大进相容量可提升至额定容量的35%，且动态响应时间缩短至200ms以内。该技术尤其适配高比例新能源电网场景，如江苏某光伏基地通过协调12台350MW机组进相运行，在午间光伏大发时段将500kV母线电压波动幅度从±2.5%压缩至±0.8%，同时减少无功补偿设备投切次数达60%以上。最新研究通过嵌入定子端部三维温度场实时重构算法，可实现进相深度与温升阈值的动态匹配，使机组无功吸收效率提升15%～20%。

2.2 基于进相运行的电力系统无功功率控制策略

基于进相运行的无功功率控制策略构建了多时间尺度滚动优化模型，在目标函数中耦合全网网损率、电压偏差及机组调节成本三要素，通过灵敏度分析将发电机进相深度与新能源场站SVG设备纳入混合控制变量集。采用融合禁忌搜索机制的改进粒子群算法，解决了含机组热稳定约束（端部温升≤135℃）、节点电压幅值约束（0.95～1.05p.u.）及联络线静稳极限（功角≤42°）的多维度非线性优化问题。

在华东某含8回特高压直流的区域电网中，该策略使午间光伏大发时段的系统网损率从1.23%降至1.16%，关键枢纽变电站220kV母线电压标准差由0.82kV压缩至0.48kV。分级控制架构细化设计了三级响应机制：日前计划层基于LSTM负荷预测结果预置进相机组清单，分钟级实时控制层通过PMU量测数据驱动动态修正系数，毫秒级紧急模式则依托WAMS平台在检测到电压跌落超5%时自动激活深度进相功能。实际工程测试表明，该体系可将电压越限恢复时间从传统控制的8秒缩短至1.2秒，同时减少调相机启停损耗约270MWh/年。2.3 进相运行对电力系统性能的影响

进相运行会改变发电机同步电抗特性，在弱电网（系统短路比低于2.5）中可能引发次同步振荡，需加装稳定控制器维持阻尼转矩。同时定子端部漏磁加剧导致铁芯温升15-20℃，需优化冷却系统设计。工程实践表明，通过实时温度监控和间歇运行模式（每日3-4小时），可在保障设备寿命前提下有效发挥其电压调节作用，典型应用可使电网动态无功支撑能力提升20%以上，次同步谐振风险降低至2%以内。

结束语

本文针对高比例新能源接入背景下电力系统无功调节需求，系统研究了基于同步发电机进相运行的无功功率控制策略及其综合优化方法。通过建立融合机组热稳定约束、电压稳定边界与动态无功响应的多时间尺度优化模型，创新性地提出发电机进相深度与SVG设备协同调节的混合控制策略，并构建包含预防控制、实时修正与紧急响应的三级控制架构。仿真与工程应用表明，该策略在华东区域电网中实现系统网损降低5.7%、关键节点电压波动幅度缩减42%，且通过改进冷却系统与附加稳定控制装置，有效克服了次同步振荡风险与定子温升限制。研究证实，在精准监测转子温升（空间分辨率达5cm）与实施间歇运行模式（年均1200小时）的条件下，进相运行可提升电网动态无功支撑能力25%以上，同时将设备老化率控制在1%/年以内。

随着数字孪生技术与自适应控制算法的深度融合，进相运行技术将在新型电力系统建设中发挥更大价值，为构建经济、安全、低碳的电网运行体系提供重要技术支撑。后续研究需重点关注多能源耦合场景下的宽频振荡抑制与全生命周期设备可靠性评估，以推动该技术向智能化、标准化方向发展。

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