試論10KV配電網(wǎng)的無功補償方法

陳坤永

（廣東 深圳 518000）

近幾年，隨著電力建設的加快和電力系統(tǒng)負荷的增加，對無功功率的需求也日益增加。在電網(wǎng)中的適當位置裝設無功補償裝置成為滿足電網(wǎng)無功需求的必要手段。無功補償是借助于無功補償設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)的無功補償問題是供電企業(yè)當前的工作重點之一。

1 無功補償?shù)淖饔梅治?/h2>

配電線路的無功補償裝置通過檢測線路的功率因數(shù)和電壓，自動投切電容器，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系:P=Scos￠，在視在功率一定時，功率因數(shù)越高，所輸送的有功越大。(3)減少電壓損失。當采用無功補償后，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 無功補償方式的選擇

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

變電站補償：針對電網(wǎng)的無功平衡，在變電站進行集中補償，補償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機、靜止補償器等，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，補償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。這些補償裝置一般集中接在變電站10kV母線上，因此具有管理容易、維護方便等優(yōu)點，缺點是這種補償方式對10kV配電網(wǎng)的降損不起作用。

配電線路補償：線路無功補償即通過在線路桿塔上安裝電容器實現(xiàn)無功補償。線路補償點不宜過多；控制方式應從簡，一般不采用分組投切控制；補償容量也不宜過大，避免出現(xiàn)過補償現(xiàn)象；保護也要從簡，可采用熔斷器和避雷器作為過流和過壓保護。線路補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、便于管理和維護等優(yōu)點，適用于功率因數(shù)低、負荷重的長線路。缺點是存在適應能力差，重載情況下補償不足等問題。

隨機補償：隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電動機同時投切的一種無功補償方式?？h級配電網(wǎng)中有很大一部分的無功功率消耗在電動機上，因此，搞好電動機的無功補償，使其無功就地平衡，既能減少配電線路的損耗，同時還可以提高電動機的出力。

隨器補償：隨器補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)，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。隨器補償?shù)膬?yōu)點是接線簡單，維護管理方便，能有效地補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)濟性，是目前無功補償最有效的手段之一。缺點是由于配電變壓器的數(shù)量多、安裝地點分散，因此補償工作的投資比較大，運行維護工作量大。

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

3 無功補償優(yōu)化的數(shù)學模型

3.1 目標函數(shù)

配電網(wǎng)絡無功補償?shù)哪康膽墙档途W(wǎng)損，提高電壓質(zhì)量。對于降低網(wǎng)損的考慮是：分散就近補償電容器，肯定能降低網(wǎng)損，所以在目標函數(shù)中不進行具體考慮。因此，目標函數(shù)可只是電壓合格率。對于單條10kV配電線路，有：

式中：

F─電壓合格率；

L─系統(tǒng)監(jiān)察點點數(shù)；

m─系統(tǒng)運行方式總數(shù)；

Li─監(jiān)察點i在m種運行方式中總的越界次數(shù)。

3.2 約束條件

無功補償優(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、一般三種負荷方式。)

(2)不等式約束條件

不等式約束為各節(jié)點電壓上下限、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 k=1，2，…，代表各種運行方式；n為節(jié)點個數(shù)；QGi為發(fā)電機無功；QGimax、QGimin分別為發(fā)電機無功上下限；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)電機個數(shù)；M3為可調(diào)變壓器個數(shù)；Sjmax為支路允許通過功率的上限。

4 無功補償方法

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

4.1 無功二次精確矩計算

無功二次精確矩定義為：

式中：

Rdi表示從i節(jié)點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)點或節(jié)點s的支路無功功率“；s”節(jié)點為i節(jié)點的后續(xù)節(jié)點。

由于式(5)與力矩公式形式相同，Rdi相當于“力臂”，[(Q2bi/Vi2)-Σ(Qbs2/Vs2)]反映了節(jié)點i的負荷無功功率對于整個網(wǎng)損的作用相當于作用力，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。

負荷無功引起的總有功損耗為：PQI=ΣT2q(i)(6)

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

4.2 確定初始補償方案

無功精確二次矩可以作為最佳補償點的選擇依據(jù)。根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為樹型的特點，其樹枝末端電壓總是最低的。Rdi反映了i節(jié)點到源節(jié)點的電氣距離，顯然Rdi越大的節(jié)點越靠近末端節(jié)點，所以選擇Rdi較大的節(jié)點投放電容器，有助于改善系統(tǒng)的電壓水平，而[(Q2bi/Vi2)-Σ(Qbs2/Vs2)]這一項則反映了節(jié)點i的負荷無功功率對于整個網(wǎng)損的作用，該項較大的點是對系統(tǒng)網(wǎng)損有較大作用的敏感節(jié)點。使該節(jié)點的負荷無功功率降低有利于整個網(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。為避免過補償，在最小運行方式下進行潮流計算，確定初始補償點數(shù)k。選擇無功精確二次矩最大的點作為補償節(jié)點，補償容量取潮流計算時該節(jié)點的送入無功，然后用補償后的數(shù)據(jù)重新進行計算，選擇第二個補償點，若初始補償點數(shù)確定為K，則重復進行K次選擇。

4.3 補償方案調(diào)整

確定補償方案后，用式（1）計算電壓合格率，若電壓合格率小于給定要求時，應根據(jù)電壓越限情況來選擇新的補償點，選擇在最大運行方式下電壓最低的點作為新的補償點，補償容量為流入該點的無功功率，原補償點通過潮流計算修正補償量。若電壓合格率仍不滿足，這種新增補償點可重復進行下去。

5 經(jīng)濟效益分析

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。采用線路無功補償裝置700kvar兩組，補償度78%,功率因數(shù)達到0.99。按照無功經(jīng)濟當量0.023～0.051、電容器每天高峰負荷時段投入10h計算,全年減少線損節(jié)電約11.8～26.2萬度,以每度電0.53元計算,可減少損失6.3～13.9萬元。設備投入資金約13萬元,最長約兩年即可收回投資,同時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)濟效益和社會效益明顯提高。因此,對于功率因數(shù)比較低、線路長的高壓配電線路安裝線路無功補償裝置是一種安裝簡單、見效快、效果顯著的降損節(jié)能的好方法。

結(jié)束語

總之，無功補償作為電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行的一個重要手段，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)無功補償問題，對電網(wǎng)的安全和降損節(jié)能有著重要的意義。

[1]陳偉潤，10kV配電網(wǎng)的無功補償技術應用[J].科學之友，2011，10.