鄒佳鷗

（哈爾濱同為電氣股份有限公司）

0 引言

無(wú)功補(bǔ)償在高壓電網(wǎng)中能夠起到提高電網(wǎng)的功率因數(shù)的作用，同時(shí)可在電能的變壓和傳輸過(guò)程中降低電力損耗功率并提高電網(wǎng)質(zhì)量，因此無(wú)功補(bǔ)償裝置在供配電系統(tǒng)中不可或缺。本文提出了無(wú)功補(bǔ)償配置方案的優(yōu)化思路并確定了無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化配置方案，將無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)功配置率的范圍進(jìn)行了縮小。

高壓電網(wǎng)的輸出功率包括有功功率和無(wú)功功率兩部分，前者被供電系統(tǒng)輸送給用戶的用電設(shè)備，這部分功率將電能轉(zhuǎn)化為熱能和機(jī)械能等，屬于直接做功的功率，因此被稱(chēng)作有功功率；后者是電氣設(shè)備中所有的容性和感性元件在工作時(shí)因建立電磁場(chǎng)而消耗的功率，目前工業(yè)生產(chǎn)和生活中大部分設(shè)備都是感性負(fù)載，如變壓器、三相異步電動(dòng)機(jī)和熒光燈等，這類(lèi)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中需施以無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。

無(wú)功補(bǔ)償是電力行業(yè)對(duì)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)膭e稱(chēng)，無(wú)功補(bǔ)償在電力系統(tǒng)中能夠提高高壓電網(wǎng)的功率因數(shù)，同時(shí)可在高壓電網(wǎng)中電能的變壓和傳輸過(guò)程中降低電力損耗功率，起著調(diào)節(jié)供電環(huán)境的作用，因此無(wú)功補(bǔ)償裝置在高壓供電系統(tǒng)中不可或缺。為了盡可能地降低高壓電網(wǎng)的損耗功率，改善電網(wǎng)質(zhì)量，需要選擇合適的無(wú)功補(bǔ)償裝置［1］。而如果不能合理選擇并應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償裝置，則可能使高壓供電系統(tǒng)中的電壓產(chǎn)生波動(dòng)并增大其諧波。

1 高壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償研究現(xiàn)狀

（1）無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾饬x

無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)就是通過(guò)將容性和感性負(fù)載設(shè)備進(jìn)行互相連接，使電能可以在這兩類(lèi)負(fù)載之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換，避免因非線性負(fù)載增多而導(dǎo)致電流在電網(wǎng)輸送線路中被來(lái)回輸送，得以降低電網(wǎng)中無(wú)功功率的損耗。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可減少發(fā)電設(shè)備的供電容量以減少投資，對(duì)新建或擴(kuò)建電廠工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，有必要重點(diǎn)關(guān)注無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在高壓供配電電網(wǎng)中的應(yīng)用，從而能提高發(fā)電機(jī)組的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)降低發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)容量，并通過(guò)減少線損而提高電廠經(jīng)濟(jì)效益的目的。

在高壓電網(wǎng)中，經(jīng)長(zhǎng)距離輸電線路被輸送至負(fù)載位置處的發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的無(wú)功功率并不能滿足電網(wǎng)末端感性負(fù)載無(wú)功功率的需要，因此應(yīng)在電網(wǎng)中需要無(wú)功補(bǔ)償?shù)奈恢锰幗尤肴萘亢线m的無(wú)功補(bǔ)償裝置，產(chǎn)生無(wú)功功率以被非線性負(fù)載吸收，達(dá)到降低電網(wǎng)向負(fù)載輸出無(wú)功功率的目的，也即降低設(shè)備的損耗功率，以節(jié)省電能。

（2）無(wú)功補(bǔ)償配置應(yīng)遵循的原則

高壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償包括集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償，應(yīng)結(jié)合集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償，選擇高壓和低壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償互補(bǔ)的方案，以分散補(bǔ)償為主，同步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和降低損耗。

無(wú)功分層分區(qū)平衡原則。為提高電網(wǎng)電能質(zhì)量和降低網(wǎng)損，應(yīng)避免通過(guò)遠(yuǎn)距離輸電線路將無(wú)功功率輸送到負(fù)載位置。要根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷高低遵循無(wú)功的分層和分區(qū)平衡的原則，也要考慮設(shè)備在故障狀態(tài)下的情況。因此要根據(jù)設(shè)備故障情況下無(wú)功預(yù)算值做好應(yīng)對(duì)措施，以保證在設(shè)備故障時(shí)不會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)無(wú)功供應(yīng)不足。

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備配置原則。為便于檢修補(bǔ)償設(shè)備，應(yīng)盡可能地集中配置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。相對(duì)來(lái)說(shuō)并聯(lián)電容器組可分散配置，但是為及時(shí)檢修補(bǔ)償設(shè)備，電容器組的配置不能過(guò)于分散。

變電站無(wú)功補(bǔ)償原則。對(duì)變電站進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是為了滿足變壓器對(duì)無(wú)功容量的需求，需要根據(jù)電網(wǎng)電壓和網(wǎng)架強(qiáng)度來(lái)分類(lèi)討論分析。對(duì)于電壓在35kV～110kV范圍內(nèi)的高壓電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，一般情況下輸電線路的負(fù)荷大于自然功率且電網(wǎng)呈感性，因此要將容性補(bǔ)償設(shè)備分散配置在相關(guān)的變電站處，可按照補(bǔ)償容量為主變?nèi)萘?5%～30%的原則配置。在220kV的高壓電網(wǎng)中，若其網(wǎng)架不強(qiáng)則變壓器呈感性，此時(shí)容性無(wú)功功率補(bǔ)償裝置主要補(bǔ)償主變的無(wú)功損耗，一般將補(bǔ)償容量配置為主變補(bǔ)償容量的10%～25%；若其網(wǎng)架相對(duì)較強(qiáng)，電網(wǎng)在波峰時(shí)段時(shí)輸送負(fù)荷和主變的無(wú)功功率比較大，電網(wǎng)內(nèi)感性無(wú)功增加，因此為提高供電設(shè)備功率因數(shù)，則需要在電網(wǎng)中接入并聯(lián)電容器組進(jìn)行補(bǔ)償。電網(wǎng)系統(tǒng)中有功功率因數(shù)越高則單位補(bǔ)償容量降低損耗的效果也越差，一般情況下當(dāng)有功功率因數(shù)被提高到0.95時(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)就處于最佳補(bǔ)償狀態(tài)。

當(dāng)電網(wǎng)處于波谷時(shí)段時(shí)，電網(wǎng)因輸送負(fù)荷較小而呈容性，此時(shí)可斷開(kāi)配置于電壓較高的主變兩端的電容器組。對(duì)于電壓超過(guò)330kV的電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，需要同時(shí)配置感性和容性補(bǔ)償設(shè)備。前者的容量可適當(dāng)確定，可通過(guò)配置并聯(lián)電抗器對(duì)電網(wǎng)剩余充電功率進(jìn)行感性補(bǔ)償［2］。

（3）各類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)

同步調(diào)相機(jī)也被稱(chēng)作同步補(bǔ)償器，其實(shí)際上為一臺(tái)可發(fā)出無(wú)功功率且不帶負(fù)載的同步電動(dòng)機(jī)，能為電網(wǎng)提供無(wú)功功率以補(bǔ)償負(fù)載設(shè)備所消耗的無(wú)功功率?？蓪?duì)同步調(diào)相機(jī)的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)以改變其所產(chǎn)生的無(wú)功功率，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。同步調(diào)相機(jī)早期應(yīng)用較為廣泛，由于其本質(zhì)上為同步電動(dòng)機(jī)，因此運(yùn)行時(shí)的噪音很大，響應(yīng)性能較差，不能對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。且由于容量和成本的問(wèn)題，同步調(diào)相機(jī)隨著電力技術(shù)的進(jìn)步而慢慢地被淘汰了［3］。

并聯(lián)電容器組因其成本低和便于維護(hù)的特點(diǎn)在早期應(yīng)用廣泛，系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)控制電容器組接入和斷開(kāi)，因此合閘電弧會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)過(guò)熱和發(fā)出噪音，故不適合頻繁接入和斷開(kāi)電容器組，這就使得并聯(lián)電容器組只適合被應(yīng)用在負(fù)載穩(wěn)定的電網(wǎng)中。

并聯(lián)電抗器能夠吸收電網(wǎng)中過(guò)剩的無(wú)功功率以避免電網(wǎng)電壓超限，可直接接入母線或電網(wǎng)線路中，在電力系統(tǒng)中仍被廣泛應(yīng)用。

靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備（SVC）在高壓電網(wǎng)中性能優(yōu)良，SVC既可輸出容性電流也可輸出感性電流，這使得其有多種結(jié)構(gòu)形式。SVC調(diào)節(jié)速度快，可對(duì)電網(wǎng)快速進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，且其可靠性很高，維護(hù)也很方便。但其損耗大，會(huì)向電網(wǎng)產(chǎn)生較多的諧波。

2 高壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置方案的優(yōu)化思路

（1）無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化的重要意義

無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化規(guī)劃的算法復(fù)雜，建模困難，難以被應(yīng)用于電網(wǎng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，所以在設(shè)計(jì)階段中需要根據(jù)無(wú)功配置原則或補(bǔ)償范圍來(lái)確定相關(guān)變電站的補(bǔ)償容量和補(bǔ)償裝置的組數(shù)。根據(jù)110kV變電站無(wú)功配置原則，容性無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)按照主變?nèi)萘康?0%～30%進(jìn)行配置，并基于輸電線路進(jìn)出線的情況配置合適容量的感性無(wú)功功率。根據(jù)這一原則進(jìn)行配置無(wú)功補(bǔ)償有適應(yīng)性強(qiáng)和操作簡(jiǎn)單等可執(zhí)行性優(yōu)勢(shì)，該原則可不依賴(lài)于復(fù)雜的無(wú)功優(yōu)化計(jì)算，具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

由于電網(wǎng)特性不同，使得無(wú)功平衡需求也不相同，則該原則通用性太強(qiáng)常常導(dǎo)致很難設(shè)計(jì)出更優(yōu)化的配置，會(huì)引發(fā)某些電站被過(guò)度補(bǔ)償而對(duì)另一些的補(bǔ)償又嚴(yán)重不足的問(wèn)題，不利于電網(wǎng)的無(wú)功電壓控制。尤其在尚未量化感性無(wú)功補(bǔ)償配置的情況下，會(huì)出現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段忽略感性補(bǔ)償配置的問(wèn)題，這給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了諸多干擾。

因此為提高無(wú)功電壓調(diào)控能力，必須要對(duì)無(wú)功配置原則和手段進(jìn)行細(xì)化和量化。根據(jù)不同特性電網(wǎng)確定出其容性和感性無(wú)功配置的幾種差異化方案，對(duì)無(wú)功配置原則進(jìn)行深入優(yōu)化，這對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性有著重大意義。

（2）無(wú)功補(bǔ)償配置方案的優(yōu)化思路

為了對(duì)無(wú)功補(bǔ)償配置原則進(jìn)行優(yōu)化，需要注意下面幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

負(fù)荷特性和無(wú)功電壓特性對(duì)高壓電網(wǎng)進(jìn)行細(xì)分，考慮到其可執(zhí)行性，細(xì)分的類(lèi)別以5～6種為宜。應(yīng)在任一類(lèi)配電網(wǎng)中選擇幾個(gè)代表性強(qiáng)的案例進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化分析，這些案例應(yīng)具備較高的差異性，如所屬地區(qū)不同和特征參數(shù)（線路輸電距離、電網(wǎng)負(fù)荷以及變電站數(shù)量等）不一，這為配置原則更好地進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化提供了依據(jù)。應(yīng)重視量化指標(biāo)以便執(zhí)行設(shè)計(jì)階段的規(guī)劃操作，確定出的無(wú)功配置率范圍不應(yīng)太大，否則設(shè)計(jì)規(guī)劃人員的主觀性較大，不利于對(duì)配置進(jìn)行優(yōu)化［4］。

（3）無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化分析

在高壓電網(wǎng)中，無(wú)功補(bǔ)償能使配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)對(duì)電壓和無(wú)功功率進(jìn)行分區(qū)和分層控制，可在相關(guān)變壓器低壓端的位置處接入合適容量的無(wú)功補(bǔ)償裝置，對(duì)配電網(wǎng)的無(wú)功功率進(jìn)行平衡，防止與變壓器高壓端發(fā)生無(wú)功交換，這樣能夠降低電網(wǎng)損耗和提高電壓質(zhì)量。

無(wú)功功率補(bǔ)償裝置中電容器組分組越多，則配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行也越穩(wěn)定，但分組太多會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)需要使用更多的開(kāi)關(guān)設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性較差。分組過(guò)少時(shí)，若電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)范圍較大，會(huì)出現(xiàn)投入一組開(kāi)關(guān)設(shè)備時(shí)過(guò)補(bǔ)償?shù)珨嚅_(kāi)后欠補(bǔ)償?shù)那闆r。無(wú)功補(bǔ)償裝置的單組容量應(yīng)取變壓器容量的10%，原則上對(duì)110kV變電站母線無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆纸M不宜超過(guò)3組［5］。

為保證變電站所有的無(wú)功補(bǔ)償裝置被均衡配置，對(duì)于需要配置電抗器和電容器的變電站來(lái)說(shuō)，要把新增的補(bǔ)償容量平分后配置到每一臺(tái)主變壓器。一般來(lái)說(shuō)，這一原則的配置結(jié)果相較于優(yōu)化值會(huì)增加，能更好地滿足未來(lái)的電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>

3 無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化配置方案

高壓電網(wǎng)所需配置的最優(yōu)補(bǔ)償容量與變電站容量的數(shù)值關(guān)系被定義為無(wú)功配置率，用于為各類(lèi)變電站無(wú)功補(bǔ)償配置容量的選擇提供指導(dǎo)。根據(jù)實(shí)際情況中無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆植奸g隔，經(jīng)過(guò)分析得出以下的容性和感性的無(wú)功配置方案。傳統(tǒng)的容性無(wú)功是按照主變壓器容量的10%～30%進(jìn)行配置，且根據(jù)傳統(tǒng)原則只能得出一個(gè)不確定的容量，而經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析后可縮小無(wú)功配置率的范圍。

（1）容性無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化配置方案

對(duì)于負(fù)荷較小地區(qū)的電網(wǎng)，在大方式時(shí)為了能保持足夠電壓水平并降低網(wǎng)損，220kV變電站容性無(wú)功配置率范圍應(yīng)為4%～5%，110kV變電站容性無(wú)功配置率范圍應(yīng)為10%～20%（分1～2組），且其平均值為14%，相對(duì)于20%的傳統(tǒng)平均補(bǔ)償率減小了6%的容性補(bǔ)償設(shè)備的投資，節(jié)省了建設(shè)成本。

（2）感性無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化配置方案

對(duì)于負(fù)荷較小地區(qū)的電網(wǎng)，在小方式時(shí)為了能將電壓維持在正常水平并控制有功損耗的合理性，220kV變電站感性無(wú)功配置率范圍應(yīng)為16%～17%，110kV變電站感性無(wú)功配置率范圍應(yīng)為10%～23%（分1～2組），且其平均值為17%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了高壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置方案的優(yōu)化思路并對(duì)無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行優(yōu)化分析，綜合考慮了電網(wǎng)在多種運(yùn)行方式下的容性和感性無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化配置方案，并根據(jù)變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置的分布間隔和均衡性確定出其無(wú)功配置率范圍。按照本文的配置原則可提高電網(wǎng)質(zhì)量和降低網(wǎng)損，提高無(wú)功補(bǔ)償裝置的利用率。