李津津

(云南電網(wǎng)公司昆明供電局，昆明 650011)

配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電壓和線損的影響

李津津

(云南電網(wǎng)公司昆明供電局，昆明 650011)

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備是配電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)投入電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是配電網(wǎng)改善電壓質(zhì)量的有效手段，但不同的補(bǔ)償方式其經(jīng)濟(jì)性是不相同的。串、并聯(lián)兩種無(wú)功補(bǔ)償方式在改善電壓質(zhì)量及降低線損率方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)并聯(lián)補(bǔ)償和串聯(lián)補(bǔ)償兩種方式建立等值模型并進(jìn)行理論計(jì)算和仿真分析，深入探討其對(duì)電壓和線損的影響并作綜合比較。

無(wú)功補(bǔ)償；串聯(lián)；并聯(lián)；電壓質(zhì)量；線損；仿真

0 前言

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備是配電網(wǎng)不可或缺的的重要組成部分，它能保持網(wǎng)絡(luò)無(wú)功平衡，提高電壓水平，在日常運(yùn)行中常通過(guò)投、切電容器的方法調(diào)整電壓。在國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)中廣泛采用并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)以提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量，而串聯(lián)補(bǔ)償方式較少得到應(yīng)用。但經(jīng)理論推導(dǎo)證明和部分歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明[1]，串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)在電壓穩(wěn)定、潮流控制方面效果優(yōu)于傳統(tǒng)的并聯(lián)補(bǔ)償[2]。在國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)中廣泛采用并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)以達(dá)到提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量，降低線損的目的。然而，并聯(lián)補(bǔ)償本身存在著對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓和潮流控制能力較弱，以及產(chǎn)生補(bǔ)償效果后通常只使節(jié)點(diǎn)附近的區(qū)域收益的局限。因此，并聯(lián)補(bǔ)償并不是配電網(wǎng)解決電能質(zhì)量問(wèn)題的惟一選擇。

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性電抗，在運(yùn)行過(guò)程中需要向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無(wú)功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)等容性設(shè)備以后，可以供給感性電抗消耗的部分無(wú)功功率，即抵消了部分感性電流，減少了無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)。因此并聯(lián)補(bǔ)償可以降低輸電線路因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件[3]。

在配電網(wǎng)中，大部分的電壓降是由線路電感引起的，串聯(lián)補(bǔ)償可使負(fù)載波動(dòng)引起的電壓下降減少。電容器串聯(lián)補(bǔ)償將很大程度上抵消線路電感產(chǎn)生的壓降，使得線路壓降大大降低，負(fù)荷側(cè)電壓更加接近于系統(tǒng)側(cè)電壓。由于串聯(lián)電容其實(shí)是一個(gè)無(wú)源的電路元件，其響應(yīng)自發(fā)而迅速，因此，串聯(lián)補(bǔ)償有助于電壓調(diào)節(jié)，可較好地解決電壓閃變問(wèn)題[4]。然而串聯(lián)補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)也是顯而易見的，比如可能發(fā)生次同步振蕩以及損耗增加等。

本文將基于MATLAB 7.0/Simulink的電力系統(tǒng)仿真模塊集 (Power Systems Blockset)建立仿真模型，就串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)兩種補(bǔ)償方式進(jìn)行仿真和定量計(jì)算，通過(guò)不同補(bǔ)償容量下的電壓、線損取值作曲線擬合，對(duì)兩種方式在電壓控制和節(jié)能降損兩方面進(jìn)行綜合分析比較。

1 仿真模型

某110 kV變電站A為線路變壓器組運(yùn)行方式，主網(wǎng)供電線路導(dǎo)線型號(hào)為長(zhǎng)20 km的LGJ-240/30鋼芯鋁絞線，主變型號(hào)為 SZ11-50000/ 110GY，其最高負(fù)荷達(dá)38 MW，功率因素0.977。由于該站沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，在最高負(fù)荷時(shí)其10 kV母線電壓越下限 (9.994 kV)。以下將通過(guò)模擬兩種補(bǔ)償方式，計(jì)算得出電壓、線損與補(bǔ)償容量/容抗的關(guān)系并尋求提高電壓質(zhì)量和降低損耗的方法。

Simulink仿真模塊中基于電氣原理圖的輸電線路模型有 “π”型等值模型和分布參數(shù)模型兩種。分布參數(shù)等值電路雖能較好反應(yīng)行波傳播過(guò)程與電壓變化，但由于導(dǎo)線、大地之間的肌膚效應(yīng)，分布參數(shù)線路模塊也不能準(zhǔn)確地描述線路RLC參數(shù)的依頻特性[5]，故仿真線路采用較為簡(jiǎn)化的 “π”型等值模型。

由于Simulink仿真系統(tǒng)中的變壓器模塊不能直接輸入短路損耗、空載損耗、空載電流百分比、短路電壓百分比等銘牌參數(shù)而需要輸入一、二次側(cè)的漏阻抗標(biāo)幺值及勵(lì)磁阻抗標(biāo)幺值，故根據(jù)變壓器銘牌參數(shù)進(jìn)行換算，折算成高壓側(cè)阻抗值標(biāo)么值與低壓側(cè)阻抗標(biāo)么值相等的 “π”型等值電路[6]。

仿真計(jì)算中負(fù)荷采用靜態(tài)模型，取變電站A主變最大負(fù)荷38 MW，無(wú)功8.3 MVar。

2 仿真分析

2.1 并聯(lián)電容器補(bǔ)償

并聯(lián)補(bǔ)償?shù)戎惦娐啡鐖D1所示：

圖1 并聯(lián)補(bǔ)償?shù)戎惦娐?/p>

補(bǔ)償前線損及線損率：22+2

補(bǔ)償后線損及線損率：

由式 (4)可知，線損率與補(bǔ)償容量關(guān)系近似為以x=Q為對(duì)稱軸的拋物線。下面將通過(guò)仿真進(jìn)行論證，仿真電路如圖2所示：

圖2 并聯(lián)補(bǔ)償仿真電路

仿真電壓計(jì)算結(jié)果如圖3所示 (單位 kV，Ω)：

由圖3可知，電壓隨無(wú)功補(bǔ)償容量增加而呈直線上升趨勢(shì)，當(dāng)補(bǔ)償容量在0.1 MVar以上時(shí)10 kV母線電壓不越下限，當(dāng)補(bǔ)償容量在10.4 Mvar以下時(shí)10 kV母線電壓不越上限。投入電容器12 Mvar可使10 kV母線電壓提升0.8 kV，表明并聯(lián)電容器對(duì)提升負(fù)荷端電壓有積極的作用。

仿真線損率計(jì)算結(jié)果如圖4所示 (單位 %，Ω)：

圖3 10kV母線電壓與并聯(lián)補(bǔ)償容量關(guān)系曲線

圖4 線損率與并聯(lián)補(bǔ)償容量關(guān)系曲線

由圖4可知，并聯(lián)補(bǔ)償容量在7 MVar以下時(shí)線損率隨補(bǔ)償容量增加而降低，補(bǔ)償7 MVar左右時(shí)線損率達(dá)到最低，補(bǔ)償過(guò)量將導(dǎo)致線損率反升。曲線近似以Q=7 Mvar為對(duì)稱軸，與理論推導(dǎo)結(jié)果Q≈8.3 Mvar存在一定偏差，其主要原因線路仿真模型為 “π”型，由于存在電容效應(yīng)，部分感性電流被抵消。

以上表明，當(dāng)補(bǔ)償容量適當(dāng)時(shí)，并聯(lián)補(bǔ)償既能起到調(diào)節(jié)電壓的作用也能達(dá)到降低線損的效果。

2.2 串聯(lián)電容器補(bǔ)償

串聯(lián)補(bǔ)償?shù)戎惦娐啡鐖D5所示：

圖5 串聯(lián)補(bǔ)償?shù)戎惦娐?/p>

由于串聯(lián)電容器抵消輸電線路大量感性無(wú)功使得線路壓降大幅減小，所以串聯(lián)補(bǔ)償線損率不能用式 (4)來(lái)近似表達(dá)，故直接通過(guò)仿真數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明串聯(lián)補(bǔ)償對(duì)電壓和線損的影響。仿真電路如圖6所示：

圖6 串聯(lián)補(bǔ)償仿真電路

仿真電壓計(jì)算結(jié)果如圖7所示 (單位 kV，Ω)：

圖7 10kV母線電壓與串補(bǔ)容抗關(guān)系曲線圖

圖8 線損率與串補(bǔ)容抗關(guān)系曲線圖

由圖7可知，串補(bǔ)容抗在1 000 Ω以下時(shí)，電壓隨補(bǔ)償容量增大而升高 (因線路電流變化相對(duì)容抗變化可以忽略，所以近似有Q=-I2XC，但此時(shí)討論串聯(lián)補(bǔ)償容量與并聯(lián)補(bǔ)償容量不具可比性)。在串補(bǔ)容抗約為1 000 Ω時(shí)，母線電壓最高，達(dá)到11.27 kV，此時(shí)已越上限。容抗超過(guò)1 000 Ω時(shí)，母線電壓反而降低，此時(shí)線路壓降已由 “感性壓降”變?yōu)?“容性壓降”。投入串聯(lián)電容器最多可使母線電壓升高1.276 kV，調(diào)壓效果優(yōu)于并聯(lián)補(bǔ)償。

仿真線損率計(jì)算結(jié)果如圖8所示 (單位%，Ω)：

由圖8可知，串補(bǔ)容抗增大，線損率也隨之增加。雖然容抗繼續(xù)增大到一定程度線損會(huì)降低，但此時(shí)系統(tǒng)已呈容性，可能會(huì)出現(xiàn)次同步諧振以及發(fā)電機(jī)由于向容性系統(tǒng)供電而可能發(fā)生自勵(lì)磁等現(xiàn)象，這些情況都是不符合系統(tǒng)穩(wěn)定要求的，因此不予考慮。

以上表明，串聯(lián)補(bǔ)償通常只能起到調(diào)節(jié)電壓的作用而不能達(dá)到降低線損的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上分析可知，并聯(lián)補(bǔ)償既能調(diào)節(jié)電壓又能降低線損，但對(duì)于重負(fù)荷、長(zhǎng)線路、多級(jí)串供的配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)效果均不明顯且存在局限，性能比較中庸。串聯(lián)補(bǔ)償調(diào)壓效果優(yōu)異，潮流控制能力強(qiáng)，但是經(jīng)濟(jì)性較差，且存在特殊情況下的穩(wěn)定性問(wèn)題。串補(bǔ)通常應(yīng)用在超高壓輸電系統(tǒng)中以提高極限輸送功率，由于國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)系統(tǒng)大多為放射式、T接式等供電方式，并不適合串補(bǔ)的推廣應(yīng)用。考慮到綜合線損率是各供電企業(yè)的重要考核指標(biāo)，配電網(wǎng)宜優(yōu)先采用穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性兼顧的傳統(tǒng)并聯(lián)補(bǔ)償方式而不推薦使用串聯(lián)補(bǔ)償。

[1] 王忠清，楊建寧.談晶閘管投切電容器TSC的觸發(fā)電路[J].電力電容器，2007，28(4)：30-36.

[2] 趙文忠，王東平.串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用分析 [J].低壓電器，2010，5：37-44.

[3] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4] 艾述亮，丁輝.淺談無(wú)功補(bǔ)償 [J].科技風(fēng)，2008，04：13-15.

[5] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011，5.

[6] 王希平，李文才，李燕，等.基于Simulink配電變壓器模型的建立及仿真 [J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28 (29)：124-132.

Analysis on Effect of Reactive Series，Parallel Power Compensation on Voltage and Line Loss in Power Distribution Network

LI Jinjin
(Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650011)

Reactive power compensation devices of distribution network are important components of the system and it is an effective way to improve voltage quality through bringing capacitances into service.However，the economical efficiencies of different ways of reactive compensation are not the same.The two kinds of reactive power compensation what are series and parallel both have advantages and disadvantages in improving the voltage quality and reduce the loss rate.This article shunt compensation and series compensation to build models and theoretical calculations and simulation analysis，the depth of its distribution network voltage and line loss based on the distribution network.

reactive compensation；series；parallel；voltage quality；line loss；simulation

TM75

B

1006-7345(2014)06-0097-03

2014-07-08

李津津 (1988)，男，助理工程師，云南電網(wǎng)公司昆明供電局，從事電網(wǎng)運(yùn)行及繼電保護(hù)管理工作 (e-mail)291114635＠qq.com。