陳坤永

（廣東 深圳 518000）

近幾年，隨著電力建設(shè)的加快和電力系統(tǒng)負(fù)荷的增加，對(duì)無功功率的需求也日益增加。在電網(wǎng)中的適當(dāng)位置裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置成為滿足電網(wǎng)無功需求的必要手段。無功補(bǔ)償是借助于無功補(bǔ)償設(shè)備提供必要的無功功率,以提高系統(tǒng)的功率因數(shù),降低電能的損耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。因此，解決好電網(wǎng)的無功補(bǔ)償問題是供電企業(yè)當(dāng)前的工作重點(diǎn)之一。

1 無功補(bǔ)償?shù)淖饔梅治?/h2>

配電線路的無功補(bǔ)償裝置通過檢測(cè)線路的功率因數(shù)和電壓，自動(dòng)投切電容器，從而改善功率因數(shù)，減少線路損耗、提高電壓質(zhì)量。主要包括如下：(1)減少線路損耗。線路有功功率損耗算式為：Px=R(P2+Q2)/U2，減少無功功率輸送將使功率損耗大大降低。(2)提高電網(wǎng)輸送能力。根據(jù)視在功率與有功功率的關(guān)系:P=Scos￠，在視在功率一定時(shí)，功率因數(shù)越高，所輸送的有功越大。(3)減少電壓損失。當(dāng)采用無功補(bǔ)償后，使輸送的無功功率Q減少，從而使電壓損失減少，改善了電壓質(zhì)量。

2 無功補(bǔ)償方式的選擇

配電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)闹饕绞接形宸N：變電站補(bǔ)償、配電線路補(bǔ)償、隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。

變電站補(bǔ)償：針對(duì)電網(wǎng)的無功平衡，在變電站進(jìn)行集中補(bǔ)償，補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，主要目的是平衡電網(wǎng)的無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)終端變電所的母線電壓，補(bǔ)償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。這些補(bǔ)償裝置一般集中接在變電站10kV母線上，因此具有管理容易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是這種補(bǔ)償方式對(duì)10kV配電網(wǎng)的降損不起作用。

配電線路補(bǔ)償：線路無功補(bǔ)償即通過在線路桿塔上安裝電容器實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。線路補(bǔ)償點(diǎn)不宜過多；控制方式應(yīng)從簡(jiǎn)，一般不采用分組投切控制；補(bǔ)償容量也不宜過大，避免出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象；保護(hù)也要從簡(jiǎn)，可采用熔斷器和避雷器作為過流和過壓保護(hù)。線路補(bǔ)償方式主要提供線路和公用變壓器需要的無功，該種方式具有投資小、回收快、便于管理和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適用于功率因數(shù)低、負(fù)荷重的長(zhǎng)線路。缺點(diǎn)是存在適應(yīng)能力差，重載情況下補(bǔ)償不足等問題。

隨機(jī)補(bǔ)償：隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并接，通過控制、保護(hù)裝置與電動(dòng)機(jī)同時(shí)投切的一種無功補(bǔ)償方式?？h級(jí)配電網(wǎng)中有很大一部分的無功功率消耗在電動(dòng)機(jī)上，因此，搞好電動(dòng)機(jī)的無功補(bǔ)償，使其無功就地平衡，既能減少配電線路的損耗，同時(shí)還可以提高電動(dòng)機(jī)的出力。

隨器補(bǔ)償：隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓熔斷器接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無功的補(bǔ)償方式。隨器補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單，維護(hù)管理方便，能有效地補(bǔ)償配電變壓器空載無功，限制農(nóng)網(wǎng)無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配電變壓器利用率，降低無功網(wǎng)損，提高用戶的功率因數(shù)，改善用戶的電壓質(zhì)量，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前無功補(bǔ)償最有效的手段之一。缺點(diǎn)是由于配電變壓器的數(shù)量多、安裝地點(diǎn)分散，因此補(bǔ)償工作的投資比較大，運(yùn)行維護(hù)工作量大。

跟蹤補(bǔ)償：是指以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在用戶配電變壓器低壓側(cè)的補(bǔ)償方式。這種補(bǔ)償方式，部分相當(dāng)于隨器補(bǔ)償?shù)淖饔?，主要適用與100kVA及以上的專用配電變壓器用戶。跟蹤補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是可較好地跟蹤無功負(fù)荷的變化，運(yùn)行方式靈活，補(bǔ)償效果好，但是費(fèi)用高，且自動(dòng)投切裝置較隨機(jī)或隨器補(bǔ)償?shù)目刂票Ｗo(hù)裝置復(fù)雜，如有任一元件損壞，則可導(dǎo)致電容器不能投切。其主要適于大容量大負(fù)荷的配變。

3 無功補(bǔ)償優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

配電網(wǎng)絡(luò)無功補(bǔ)償?shù)哪康膽?yīng)是降低網(wǎng)損，提高電壓質(zhì)量。對(duì)于降低網(wǎng)損的考慮是：分散就近補(bǔ)償電容器，肯定能降低網(wǎng)損，所以在目標(biāo)函數(shù)中不進(jìn)行具體考慮。因此，目標(biāo)函數(shù)可只是電壓合格率。對(duì)于單條10kV配電線路，有：

式中：

F─電壓合格率；

L─系統(tǒng)監(jiān)察點(diǎn)點(diǎn)數(shù)；

m─系統(tǒng)運(yùn)行方式總數(shù)；

Li─監(jiān)察點(diǎn)i在m種運(yùn)行方式中總的越界次數(shù)。

3.2 約束條件

無功補(bǔ)償優(yōu)化受到很多條件的約束，包括等式約束條件和不等式約束條件。

(1)等式約束條件

△Qi(k)=QGi(k)-QDi(k)+Σ△Qci-Vi(k)ΣVj(k)(Gij×Sinδij(k)-Bij×COSδij(k)（3）(i=1，2，……，n；i≠vδ；k=1，2，3 代表最大、最小、一般三種負(fù)荷方式。)

(2)不等式約束條件

不等式約束為各節(jié)點(diǎn)電壓上下限、各無功電源出力的上下限、可調(diào)變比的上下限和支路功率上下限約束。

其中：上標(biāo) k=1，2，…，代表各種運(yùn)行方式；n為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；QGi為發(fā)電機(jī)無功；QGimax、QGimin分別為發(fā)電機(jī)無功上下限；Ki為可調(diào)變壓器的變比；Kimax、Kimin分別為可調(diào)變壓器變比的上下限：GS為等值發(fā)電機(jī)個(gè)數(shù)；M3為可調(diào)變壓器個(gè)數(shù)；Sjmax為支路允許通過功率的上限。

4 無功補(bǔ)償方法

電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷是變化的。若只按一種負(fù)荷情況計(jì)算確定補(bǔ)償方案，不符合實(shí)際運(yùn)行情況；若按照電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷變化的各個(gè)運(yùn)行方式去計(jì)算，又不現(xiàn)實(shí)。因此，近似用最大、最小、一般三種運(yùn)行方式表示負(fù)荷的變化。在最小運(yùn)行方式下確定初始補(bǔ)償，可保證不發(fā)生無功倒送。在最大運(yùn)行方式下，根據(jù)電壓合格率調(diào)整補(bǔ)償方案。

4.1 無功二次精確矩計(jì)算

無功二次精確矩定義為：

式中：

Rdi表示從i節(jié)點(diǎn)逆流而上所遇到的所有支路電阻之和；Qbi、Qbs分別為流入i節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)s的支路無功功率“；s”節(jié)點(diǎn)為i節(jié)點(diǎn)的后續(xù)節(jié)點(diǎn)。

由于式(5)與力矩公式形式相同，Rdi相當(dāng)于“力臂”，[(Q2bi/Vi2)-Σ(Qbs2/Vs2)]反映了節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷無功功率對(duì)于整個(gè)網(wǎng)損的作用相當(dāng)于作用力，且無功功率具有二次函數(shù)形式，因此稱為無功二次精確矩。

負(fù)荷無功引起的總有功損耗為：PQI=ΣT2q(i)(6)

式(6)反映了負(fù)荷無功功率引起的網(wǎng)損為各節(jié)點(diǎn)的無功二次精確矩之和。

4.2 確定初始補(bǔ)償方案

無功精確二次矩可以作為最佳補(bǔ)償點(diǎn)的選擇依據(jù)。根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為樹型的特點(diǎn)，其樹枝末端電壓總是最低的。Rdi反映了i節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的電氣距離，顯然Rdi越大的節(jié)點(diǎn)越靠近末端節(jié)點(diǎn)，所以選擇Rdi較大的節(jié)點(diǎn)投放電容器，有助于改善系統(tǒng)的電壓水平，而[(Q2bi/Vi2)-Σ(Qbs2/Vs2)]這一項(xiàng)則反映了節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷無功功率對(duì)于整個(gè)網(wǎng)損的作用，該項(xiàng)較大的點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損有較大作用的敏感節(jié)點(diǎn)。使該節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷無功功率降低有利于整個(gè)網(wǎng)損的降低，因此T2q(i)反映了電容器的投放，既改善電壓水平，又降低網(wǎng)損的綜合作用。為避免過補(bǔ)償，在最小運(yùn)行方式下進(jìn)行潮流計(jì)算，確定初始補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)k。選擇無功精確二次矩最大的點(diǎn)作為補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)，補(bǔ)償容量取潮流計(jì)算時(shí)該節(jié)點(diǎn)的送入無功，然后用補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行計(jì)算，選擇第二個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，若初始補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)確定為K，則重復(fù)進(jìn)行K次選擇。

4.3 補(bǔ)償方案調(diào)整

確定補(bǔ)償方案后，用式（1）計(jì)算電壓合格率，若電壓合格率小于給定要求時(shí)，應(yīng)根據(jù)電壓越限情況來選擇新的補(bǔ)償點(diǎn)，選擇在最大運(yùn)行方式下電壓最低的點(diǎn)作為新的補(bǔ)償點(diǎn)，補(bǔ)償容量為流入該點(diǎn)的無功功率，原補(bǔ)償點(diǎn)通過潮流計(jì)算修正補(bǔ)償量。若電壓合格率仍不滿足，這種新增補(bǔ)償點(diǎn)可重復(fù)進(jìn)行下去。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

按照目前每條10kV線路約輸送3000kVA,功率因數(shù)0.8，輸送無功約1800kvar。采用線路無功補(bǔ)償裝置700kvar兩組，補(bǔ)償度78%,功率因數(shù)達(dá)到0.99。按照無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量0.023～0.051、電容器每天高峰負(fù)荷時(shí)段投入10h計(jì)算,全年減少線損節(jié)電約11.8～26.2萬度,以每度電0.53元計(jì)算,可減少損失6.3～13.9萬元。設(shè)備投入資金約13萬元,最長(zhǎng)約兩年即可收回投資,同時(shí)提高了線路末端的電壓水平,改善了供電電壓的質(zhì)量,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯提高。因此,對(duì)于功率因數(shù)比較低、線路長(zhǎng)的高壓配電線路安裝線路無功補(bǔ)償裝置是一種安裝簡(jiǎn)單、見效快、效果顯著的降損節(jié)能的好方法。

結(jié)束語

總之，無功補(bǔ)償作為電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)重要手段，一直受到高度重視，它可以改善系統(tǒng)的電壓質(zhì)量、降低線損，改善電網(wǎng)的功率因素。因此，在目前電力短缺的情況下，解決好配電網(wǎng)無功補(bǔ)償問題，對(duì)電網(wǎng)的安全和降損節(jié)能有著重要的意義。

[1]陳偉潤(rùn)，10kV配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用[J].科學(xué)之友，2011，10.