丁海華，王玉銘，顧克拉

（湖州電力局，浙江 湖州 313000）

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，電網(wǎng)的電能質(zhì)量和經(jīng)濟運行日益受到重視。特別是隨著電力市場的推行，對電能質(zhì)量及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性提出了更高的要求。電力系統(tǒng)無功功率優(yōu)化和無功功率補償是電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的一個重要組成部分。通過對電力系統(tǒng)無功電源的合理配置和對無功負(fù)荷的最佳補償，不僅可以維持電壓水平和提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，而且可以降低有功和無功損耗,使電力系統(tǒng)運行更安全、更經(jīng)濟。

電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補償設(shè)備后，為了提高電能質(zhì)量、穩(wěn)定電網(wǎng)運行，還要在局部地區(qū)安裝部分感性電抗器等無功裝置，以減少無功功率在電網(wǎng)中的流動，對電力系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運行有著極為重要的意義。

1 小水電無功不足的原因分析

小水電站一般分布在邊遠(yuǎn)山區(qū)，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，電氣距離大，輸電導(dǎo)線半徑小，電阻值大，線路首端電壓高，水輪發(fā)電機無功出力受電壓封鎖，無功出力很低。負(fù)荷中心無功電源不足，需從大電網(wǎng)長年引入無功，有功功率與無功功率逆向傳輸，用電負(fù)荷變化大，加之小型水電站上網(wǎng)電壓等級較低，大多為10 kV電壓，而后半夜電壓則高達(dá)11 kV以上，按電力變壓器的最低檔電壓反映到低壓側(cè)電壓約為0.45 kV，電壓變化幅度大，調(diào)節(jié)要求高，發(fā)電機組經(jīng)常偏離額定工況運行，造成發(fā)電機組無法帶足無功功率，無功電量欠發(fā)，導(dǎo)致小水電的無功上網(wǎng)電量不足。

根據(jù)有關(guān)政策，目前的上網(wǎng)電量是在計量計費點按功率因數(shù)月平均為某一定值（如0.8）進(jìn)行電費結(jié)算，并按每欠發(fā)3 kvarh無功電量扣除1 kWh有功電量作懲罰。有些徑流式小水電為了在豐水期盡量減少棄水，搶發(fā)有功電量、減發(fā)無功電量，寧可扣除部分電費，從而增加了對大電網(wǎng)的無功需求，也增加了因無功潮流帶來的線損，明顯影響了發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟效益。

小水電無功不足的原因主要有以下幾方面。

1.1 電網(wǎng)電壓過高

電力系統(tǒng)中電源所供給的無功功率在任何時刻都應(yīng)與系統(tǒng)中無功負(fù)荷（包括輸變電環(huán)節(jié)的損耗）相平衡。只有當(dāng)系統(tǒng)向負(fù)荷提供足夠的無功功率時，用電設(shè)備的端電壓才能維持正常水平，從而保證電氣設(shè)備在最佳狀態(tài)運行。當(dāng)系統(tǒng)中無功功率供不應(yīng)求時，用電設(shè)備端電壓下降以減少對無功功率的需求；當(dāng)系統(tǒng)無功功率供大于求時，則用電設(shè)備端電壓上升，通過建立更強的磁場吸收過剩的無功功率，從而求得平衡。對小水電而言，在豐水期且電網(wǎng)電壓偏高時，并網(wǎng)小水電發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流與該處電壓較低時相比，將以較多的電流來維持端電壓，而用較少的電流來發(fā)無功，故呈現(xiàn)無功出力不足的情況。

1.2 變壓器選擇不合理

小水電站在配置升壓主變壓器時，由于種種原因，會選用配電變壓器作為升壓主變壓器。多數(shù)小水電站是通過較長線路與大電網(wǎng)并聯(lián)，依靠大電網(wǎng)轉(zhuǎn)供電能。而大電網(wǎng)變電所為了確保供電區(qū)的各條線路末端電壓水平合格，其10 kV供電線路常以10．5 kV電壓運行。小水電站使用配電變壓器作為升壓主變壓器時，變壓器端電壓既要與大電網(wǎng)潮流電壓平衡，又必須克服線路阻抗產(chǎn)生的壓降ΔU，因而并網(wǎng)小水電的升壓變壓器高壓側(cè)端電壓常常要高于大電網(wǎng)的運行電壓。即使將升壓變壓器的高壓側(cè)分接頭調(diào)到最高檔位，按變壓器變比計算低壓側(cè)的端電壓仍偏高，即發(fā)電機端電壓處于超額定電壓運行的極限狀態(tài)，從而影響發(fā)電機的無功出力。

1.3 勵磁裝置本身的問題

有些小水電機組的勵磁裝置調(diào)整不恰當(dāng)，發(fā)電機外特性的調(diào)差系數(shù)不合適，從而導(dǎo)致并聯(lián)運行的機組間所負(fù)擔(dān)的無功功率分配不合理。另外，勵磁電流的可調(diào)范圍太小是引起小水電無功出力不足的又一原因，這也是引起發(fā)電機無功振蕩的根本內(nèi)因所在[1]。

1.4 就地?zé)o功補償容量嚴(yán)重不足

小水電發(fā)電企業(yè)為了減少基建設(shè)備投資，一般很少配備足量的無功補償裝置。小水電的發(fā)電受到季節(jié)和天氣變化的限制，電壓波動很大，無法及時保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在豐水期，受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展水平的限制，小水電所發(fā)電能往往不能就地平衡，便通過110 kV線路向系統(tǒng)倒送。在節(jié)假日特別是春節(jié)期間，這種情況尤為突出。

2 無功平衡策略

2．1 更換變壓器以解決發(fā)電機出口電壓過高的問題

為解決小水電無功欠發(fā)問題，最有效的方法是將水電站使用的普通降壓變壓器更換為符合要求的升壓主變壓器，必要時還可與變壓器制造廠家聯(lián)系，安排非標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)加工，使變壓器在某些檔位運行時能較大幅度地降低低壓側(cè)電壓。

2．2 調(diào)整發(fā)電機勵磁策略

調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，增發(fā)無功功率。要使發(fā)電機能在額定有功出力下送出額定無功功率，就必須提高發(fā)電機的勵磁電流。調(diào)節(jié)和改進(jìn)發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的性能，使之在工況允許的情況下使發(fā)電機獲得足夠的勵磁電流。并網(wǎng)發(fā)電機在有功功率一定時，如果電網(wǎng)電壓不變，增加勵磁電流后將使主磁通增加。但由于發(fā)電機的端電壓因受并網(wǎng)電壓限制而不能升高，在發(fā)電機主磁通增大后，電樞繞組中會出現(xiàn)一個滯后于電勢的電流，并產(chǎn)生去磁的電樞反應(yīng)，以抵消主磁通的增加，使合成磁通不變，此時的發(fā)電機即發(fā)出感性無功功率，從而多發(fā)無功功率。如果系統(tǒng)負(fù)荷電流增加或負(fù)荷功率因數(shù)降低，發(fā)電機端電壓降低，此時亦可加大勵磁電流，以補償負(fù)荷電流的去磁作用，也能使運行中的發(fā)電機多帶無功負(fù)荷。

2.3 安裝無功補償裝置

在區(qū)域電網(wǎng)中，一般采用分級投切電容器組的方式來補償系統(tǒng)無功、改善功率因數(shù)，這種方式只能向系統(tǒng)提供容性無功，并且不能隨負(fù)載的變化而實現(xiàn)快速精確調(diào)節(jié)，在保證母線功率因數(shù)的同時，容易造成向系統(tǒng)倒送無功，抬高母線電壓，危害用電設(shè)備及系統(tǒng)穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的補償系統(tǒng)均屬于阻抗型補償裝置，對系統(tǒng)參數(shù)很敏感，當(dāng)參數(shù)配置不合理，或者一段時間后系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，很容易引起系統(tǒng)諧振或諧波電流放大，這也是部份傳統(tǒng)補償設(shè)備經(jīng)常運行不正常的重要原因之一。諧振或諧波電流放大不僅危害補償系統(tǒng)自身的設(shè)備安全，對其他設(shè)備的安全也是隱患。

針對小水電的特點，為實現(xiàn)隨負(fù)載變化而快速精確調(diào)節(jié)無功補償容量，可采用MSVC（動態(tài)無功補償裝置）、SVC（靜止無功補償裝置）、SVG（靜止無功發(fā)生器）等無功補償裝置。

MSVC的主要組成部分是可調(diào)磁控電抗器裝置。利用附加直流勵磁磁化鐵心，改變鐵心磁導(dǎo)率，實現(xiàn)電抗值的連續(xù)可調(diào)，其內(nèi)部為全靜態(tài)結(jié)構(gòu)，無運動部件，工作可靠性高。磁控電抗器不需要外接電源，完全由電抗器的內(nèi)部繞組來實現(xiàn)自動控制。通過控制可控硅晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行自動控制，可實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，并且從最小容量到最大容量的過渡時間很短，因此可以真正實現(xiàn)柔性補償。

TCR（晶閘管控制電抗器）型SVC可通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角控制電抗器輸出的感性無功，感性無功與濾波器的容性無功合成即可輸出可控制的無功功率，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確補償。通過改變晶閘管導(dǎo)通角的大小，可以使跟晶閘管支路串聯(lián)的電感大小等效數(shù)值連續(xù)變化，從而根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)動態(tài)吸收系統(tǒng)中的感性無功，因而可以保證不會向系統(tǒng)倒送無功。

SVG采用不同的控制策略分別實現(xiàn)無功補償和諧波治理兩種工作狀態(tài)，在這兩種不同的工作狀態(tài)下其主電路結(jié)構(gòu)完全相同，主要由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）逆變電路、直流側(cè)儲能元件（電容）和連接電抗器構(gòu)成。SVG以三相大功率電壓逆變器為核心，其輸出電壓通過連接電抗器接入系統(tǒng)，與系統(tǒng)側(cè)電壓保持同頻、同相，通過調(diào)節(jié)其輸出電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值的關(guān)系來確定輸出功率的性質(zhì)與容量，當(dāng)其幅值大于系統(tǒng)側(cè)電壓幅值時輸出容性無功，小于系統(tǒng)側(cè)電壓幅值時輸出感性無功。SVG是電流可控型，對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，不會與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振和發(fā)生諧波放大的情況。

2.4 提高水工設(shè)施能效

低水頭大流量的河床式、壩后式水電站，應(yīng)減少進(jìn)水口和攔污柵水頭損失，進(jìn)水口應(yīng)力求順暢，攔污柵應(yīng)采用寬面布置，不要太密，尾水渠要盡量寬、深，調(diào)節(jié)水庫應(yīng)充分注意保持高水位運行。中高水頭的引水式水電站，盡量采用有壓引水，力求優(yōu)化調(diào)節(jié)運行，壓力管道截面要對節(jié)能降耗進(jìn)行比較后確定，特別是較長的管道，以等徑變管厚為宜。

對于有水庫的電站，要充分利用和調(diào)節(jié)水庫庫容，利用水庫水源的調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組發(fā)電能力，控制有功出力，多發(fā)無功。在枯水季節(jié)，自然來水量小，利用庫容調(diào)節(jié)發(fā)電能力，在不溢洪棄水的前提下，保持一定的發(fā)電能力，降低有功出力，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子保持在額定勵磁電流下運行。這樣，發(fā)電機就可以帶滿無功負(fù)荷運行，為電網(wǎng)多送無功。

3 無功補償裝置安裝方式的選擇

3.1 變電站集中補償

在變電站低壓側(cè)母線上安裝并聯(lián)電容器組以補償變壓器無功損耗，并向負(fù)荷側(cè)適當(dāng)輸送無功功率，根據(jù)無功負(fù)荷的大小投切電容器組。這種補償方式能夠減少變電站高壓側(cè)輸電線路傳輸?shù)臒o功功率，降低高壓輸電網(wǎng)的無功損耗。變電站無功損耗可實現(xiàn)就地補償，但無法減少配電網(wǎng)的無功損耗，用戶需要的無功功率仍要通過變電站低壓側(cè)向負(fù)荷端輸送。

3.2 配電線路的分散補償

農(nóng)村電網(wǎng)的大部分無功功率都消耗在配電變壓器和異步電動機上，還有小部分消耗在線路上。按照分級補償?shù)脑瓌t，在考慮了配電變壓器的隨器補償之后，應(yīng)選擇剩余無功的最佳補償位置和最佳補償容量，在線路上安裝電容器組，能兼顧電壓質(zhì)量和無功需求自動投切。當(dāng)電壓處于合格范圍時，以提高功率因數(shù)、降低電能損耗為主要目的；當(dāng)電壓過高時，切除電容器，以保護電容器不受損害為目的。這種補償方式具有投資少、見效快、投運時間長和降損效果顯著等優(yōu)點，安裝簡便、維護工作量小、事故率低，特別適合點多、線長、負(fù)荷重、電壓質(zhì)量差的農(nóng)村配電網(wǎng)，是目前最有效且經(jīng)濟的無功補償方式。但若電容器未安裝自動投切裝置，則這種補償方式輸出的無功功率是一定的，難免會出現(xiàn)線路輕載時過補償和重載時欠補償?shù)默F(xiàn)象。

上述方式各有補償?shù)膫?cè)重點，當(dāng)采用任一種單一補償方式都不能達(dá)到理想的效果時，只有采取多種補償方式的結(jié)合，才能最大限度地限制無功功率在配電網(wǎng)的傳輸和交換，實現(xiàn)無功供需的就地平衡，獲得良好的補償效果和經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

（1）應(yīng)合理選擇小水電變壓器的電壓比，優(yōu)化勵磁控制方式，提高水輪發(fā)電機無功出力。

（2）采用無功補償可以提高功率因數(shù)，是一項投資少、收效快的節(jié)能措施。

（3）選擇高質(zhì)量的無功補償裝置和科學(xué)合理的補償方式，是投資小、見效快，能較大幅度降低線損、提高設(shè)備利用率、改善電壓質(zhì)量、提高功率因數(shù)、降低用戶力率電費的有效途徑。

（4）通過無功功率就地平衡，不僅能使全網(wǎng)電壓在額定值附近運行，而且能使水力發(fā)電廠取得可觀的經(jīng)濟效益，有效兼顧電能質(zhì)量和系統(tǒng)運行的安全性及經(jīng)濟性。

[1]蔡杉.小水電站欠發(fā)無功的原因與解決措施淺析[J].廣西電業(yè)，2006（8）∶83-84.

[2]丘質(zhì)彬.水電站利用無功補償增發(fā)有功的可行性[J].中國農(nóng)村水利水電，2003（3）∶66.