劉代順，常建磊

(自貢供電局，四川自貢 643000)

近年來，由于電網(wǎng)容量的增加，電網(wǎng)無功功率的要求也日益明顯。無功功率如同有功功率電源一樣，是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、降低電網(wǎng)損耗以及保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素。系統(tǒng)中無功功率不平衡，輕則導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降，重則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、系統(tǒng)解列［1－2］。此外，系統(tǒng)的功率因數(shù)和電壓降低，會(huì)使電氣設(shè)備得不到充分利用，促使網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降，損耗增加。因此，無功功率平衡對(duì)電力系統(tǒng)降損節(jié)能有著極其重要的意義。

電力系統(tǒng)中無功功率主要體現(xiàn)在兩類電力系統(tǒng)元件上，即電力變壓器和輸電線路。變壓器中的無功功率損耗可分為兩個(gè)部分，即勵(lì)磁支路損耗和繞組漏抗損耗。對(duì)單級(jí)變壓器的網(wǎng)絡(luò)而言，滿載時(shí)約為它額定容量的百分之幾。但在多電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，變壓器的無功功率相當(dāng)可觀。某五級(jí)變壓網(wǎng)絡(luò)(10/220 kV升壓，220/110，110/35，35/10，10/0.4 kV 降壓)中變壓器的損耗統(tǒng)計(jì)如表1。輸電線路上無功功率也包含兩個(gè)部分，即并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無功功率損耗。并聯(lián)電納中的無功呈容性，即是充電功率，與線路上的電壓成正比。而串聯(lián)電抗中這種損耗與復(fù)合電流的平方成正比，呈感性。

表1 某五級(jí)變壓網(wǎng)絡(luò)中變壓器損耗統(tǒng)計(jì)［2］

線路作為電力系統(tǒng)的一個(gè)元件究竟是消耗容性或感性的無功是不能肯定的。若按自然功率的概念，當(dāng)輸電線路功率大于自然功率時(shí)，線路消耗的感性無功;當(dāng)輸電線路功率小于自然功率時(shí)，線路消耗的容性無功。

1 四川自貢電網(wǎng)的無功補(bǔ)償情況

截至2010年年底，自貢電網(wǎng)現(xiàn)有變電容量1 906.5 MVA，主變壓器52臺(tái)。其中220 kV主變壓器7臺(tái)，主變壓器總?cè)萘?30 MVA;并聯(lián)電容器容量為56.112 Mvar;110 kV主變壓器26臺(tái)，主變壓器總?cè)萘?68.5 MVA;110 kV電網(wǎng)容性裝置配置容量76.6 Mvar;35 kV主變壓器19臺(tái)，主變壓器總?cè)萘繛?08 MVA，35kV電網(wǎng)容性裝置配置容量6.504 Mvar。

圖1 自貢電網(wǎng)主變壓器無功補(bǔ)償統(tǒng)計(jì)

隨著負(fù)荷快速增長，部分變電站高峰負(fù)荷時(shí)主變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)不到0.95，變電站無功補(bǔ)償容量不足。無功補(bǔ)償容量不足同樣也導(dǎo)致電網(wǎng)電壓控制困難，負(fù)荷中心無功平衡脆弱，特別是榮縣地區(qū)負(fù)荷增長較快，無功不足更突出。向家?guī)X電網(wǎng)不能實(shí)現(xiàn)無功分層就地平衡，電壓降明顯增大。

2 無功功率補(bǔ)償?shù)拇胧?/h2>

電力系統(tǒng)中的有功功率主要集中在各類發(fā)電廠中的發(fā)電機(jī)。無功功率電源除發(fā)電機(jī)外，還有電容器、調(diào)相機(jī)和靜止補(bǔ)償器等，分散在各變電站(所)。供應(yīng)有功功率和電能必須消耗能源，但無功功率電源一旦設(shè)置后，就可隨時(shí)使用而不再有其他經(jīng)常性費(fèi)用。此外，系統(tǒng)中的無功功率損耗遠(yuǎn)大于有功功率損耗，且無功補(bǔ)償措施需要是多種方法相結(jié)合。

2.1 發(fā)電機(jī)

正常運(yùn)行狀態(tài)下的發(fā)電機(jī)總受一定條件，如定子繞組溫升、勵(lì)磁繞組溫升、原動(dòng)機(jī)功率等的約束。這些約束條件決定了發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率和無功功率有一定的限額。

定子繞組溫升決定了定子繞組電流，也就決定了發(fā)電機(jī)的視在功率。在發(fā)電機(jī)額定電壓UN下運(yùn)行時(shí)，約束條件體現(xiàn)在其運(yùn)行點(diǎn)不得超出以O(shè)點(diǎn)為圓心，以O(shè)C為半徑的圓弧。勵(lì)磁繞組溫升決定了勵(lì)磁繞組的電流，決定發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)，即空載電勢(shì)不得大于EqN，約束條件體現(xiàn)在其運(yùn)行點(diǎn)不得超出以O(shè)'點(diǎn)為圓心，以O(shè)'B為半徑的圓弧。原動(dòng)機(jī)和定子端部溫升約束條件分別體現(xiàn)在線段BC和AB。發(fā)電機(jī)的運(yùn)行范圍即四邊形ABCD內(nèi)，產(chǎn)生的無功功率有限，大部分時(shí)間需要外部進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 電容器和調(diào)相機(jī)

圖2 發(fā)電機(jī)運(yùn)行極限圖［2］

并聯(lián)電容器是常用的無功補(bǔ)償措施，它只能向系統(tǒng)提供感性無功功率，功率的大小與其端電壓的平方成正比。調(diào)相機(jī)與發(fā)電機(jī)工作原理類似，但不同在于其相當(dāng)于只能發(fā)無功功率的發(fā)電機(jī)。調(diào)相機(jī)發(fā)出的無功與勵(lì)磁狀態(tài)有關(guān)，過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)向系統(tǒng)供應(yīng)感性無功功率;欠勵(lì)磁時(shí)吸取感性無功功率。

2.3 靜止補(bǔ)償器和靜止調(diào)相機(jī)

靜止補(bǔ)償器全稱是靜止無功功率補(bǔ)償器(SVC)，主要有TCR型、TSC型和SR型。

TCR型補(bǔ)償器由多個(gè)不可控的電容器構(gòu)成，如圖3(a)所示，圖中與電容串聯(lián)的電感則與其構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，兼作高次諧波的濾波器。TSC型補(bǔ)償器如圖3(b)所示，其工作原理相對(duì)簡單，僅以晶閘管開關(guān)取代了常規(guī)電容器的機(jī)械開關(guān)。圖3(c)中SR型補(bǔ)償器的濾波回路與TCR型相似，與飽和電抗器相串聯(lián)的電容則用以校正飽和電抗器的伏安特性。

調(diào)相機(jī)、TCR型和SR型補(bǔ)償器可以發(fā)出感性和容性無功功率，而電容器和TSC型補(bǔ)償器只能發(fā)出容性而不能發(fā)出感性無功。從控制方式和靈活性而言，調(diào)相機(jī)和TCR型補(bǔ)償器較優(yōu)。從反應(yīng)速度看，三類靜止補(bǔ)償器則較優(yōu)，其他方面詳見表2所示。因此，選擇無功補(bǔ)償裝置應(yīng)綜合考慮各特性，做到既經(jīng)濟(jì)又有效。

2.4 并聯(lián)電抗器

對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)中的感性無功功率，并聯(lián)電抗器顯然不是電源，而是負(fù)荷，但在一些電力系統(tǒng)中確實(shí)裝有這種設(shè)施，用以吸收系統(tǒng)輕載或空載時(shí)線路上過剩的感性無功功率。

3 無功功率補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化

由第一節(jié)對(duì)自貢電網(wǎng)無功補(bǔ)償現(xiàn)狀分析可知，無功補(bǔ)償主要集中在各變電站(所)，對(duì)榮縣某負(fù)荷增長較快的長線路，無功功率補(bǔ)償顯著不足?，F(xiàn)定量分析其補(bǔ)償方式［4－5］如下。

圖3 靜止補(bǔ)償器原理圖

表2 電容器、調(diào)相機(jī)和靜止補(bǔ)償器的特性比較

3.1 單點(diǎn)補(bǔ)償方式

圖4 長線路單點(diǎn)補(bǔ)償示意圖

假定線路全長L，單位長度的無功負(fù)荷密度Q0，若在距線路起點(diǎn)距離為Lab補(bǔ)償容量為Qc的無功功率補(bǔ)償點(diǎn)，由補(bǔ)償點(diǎn)至線路末端，即Lab無功潮流為

由起始點(diǎn)至補(bǔ)償點(diǎn)，即前段L無功潮流為

補(bǔ)償后，電力網(wǎng)絡(luò)中損耗減小的數(shù)值可表示為

對(duì)△P求極值，可令在偏導(dǎo)數(shù)?△P/?Qc=0，且?△P/?Lc=0，可得

由上式可解出，Qc=2LQ0/3=2QR/3，Lc=2L/3，QR為全網(wǎng)線路所需補(bǔ)償無功功率，即當(dāng)Qc和Lc滿足上述條件時(shí)，補(bǔ)償效果最好，線損下降最大。在此情況下

線損下降率:

3.2 多點(diǎn)補(bǔ)償方式

為優(yōu)化線路無功功率補(bǔ)償，下面討論多點(diǎn)補(bǔ)償方式下的補(bǔ)償情況。由圖5(c)及單點(diǎn)補(bǔ)償推導(dǎo)方法可得無功功率多點(diǎn)補(bǔ)償?shù)挠?jì)算式。

第i組補(bǔ)償器安裝位置為

每一組補(bǔ)償器的最佳補(bǔ)償容量和總補(bǔ)償容量分別為

其中，QR為線路所需無功補(bǔ)償總?cè)萘?。此補(bǔ)償情況下，補(bǔ)償度和線路損耗下降率分別為

單點(diǎn)補(bǔ)償和多點(diǎn)補(bǔ)償方式下，網(wǎng)絡(luò)中線路無功功率潮流分布與無補(bǔ)償?shù)那闆r如圖5所示。LQ0為長線路總的無功負(fù)荷。

圖5 補(bǔ)償前后無功潮流分布圖

計(jì)算了單點(diǎn)、兩點(diǎn)、三點(diǎn)和五點(diǎn)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償位置、容量、補(bǔ)償度和線損下降率。單點(diǎn)補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償度和線損下降率可分別達(dá)66.67%和88.89%;而兩點(diǎn)補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償度和線損下降率僅改變13.33%和6.11%。補(bǔ)償點(diǎn)超過兩點(diǎn)，補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)性顯著下降，詳見表3。

4 結(jié)論

通過四川自貢電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和對(duì)無功補(bǔ)償現(xiàn)狀的簡要分析，指出系統(tǒng)運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)——無功功率補(bǔ)償，尤其是長線路的無功功率補(bǔ)償。在分析各類無功功率補(bǔ)償裝置工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)比其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，有利于無功補(bǔ)償裝置的合理配置。在傳統(tǒng)電容器組補(bǔ)償基礎(chǔ)上，應(yīng)合理引入各類可連續(xù)控制的靜止補(bǔ)償器。針對(duì)線路補(bǔ)償問題，詳細(xì)討論了單點(diǎn)補(bǔ)償和多點(diǎn)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償效果，對(duì)線路無功功率補(bǔ)償提供了量化參考依據(jù)，一般線路單點(diǎn)補(bǔ)償可到線損下降80%左右，隨著補(bǔ)償點(diǎn)的增多，線損下降率降低速度顯著放緩。

表3 線路無功功率補(bǔ)償方案分析

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