芻議電網(wǎng)無功補(bǔ)償規(guī)劃

摘要：無功功率平衡及合理分布、系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定是影響到電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運行的至關(guān)因素。合理的無功補(bǔ)償容量的分布，是實現(xiàn)電壓控制和無功控制的必要前提，它不僅能夠降低網(wǎng)損、提高電壓質(zhì)量，而且有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。我國電網(wǎng)的電壓低質(zhì)量、高網(wǎng)損的現(xiàn)狀決定了運用優(yōu)化的方法以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化補(bǔ)償已勢在必行，這對于節(jié)約電能，改善電壓質(zhì)量，提高電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性，具有重要的現(xiàn)實意義和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。電力規(guī)劃中進(jìn)行配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償優(yōu)化是保證配電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運行的一項有效手段，是降低網(wǎng)損、提高電壓質(zhì)量的重要措施。因此，電力規(guī)劃中配電網(wǎng)無功優(yōu)化問題的研究，既具有理論意義，又具有工程實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)規(guī)劃;無功補(bǔ)償;無功功率;電壓質(zhì)量

1 前言

電力系統(tǒng)是由大量的發(fā)電、輸電、變電、配電線路和設(shè)備以及用電戶共同組成的復(fù)雜系統(tǒng)。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對電力的需求越來越大，同事對供電的可靠性和質(zhì)量提出了更高的要求。近幾年來，電力建設(shè)投資跟不上經(jīng)濟(jì)發(fā)展，供需關(guān)系矛盾更為突出，據(jù)最新資料統(tǒng)計，2004年廣東省有20多個地級市出現(xiàn)拉閘限電.至3月15日止，由省電力調(diào)度中心直接指令強(qiáng)制錯峰限電線路8969條次;累計限電負(fù)荷2074.2萬千瓦、日最高限電負(fù)荷184萬千瓦.累計限電量1.06億千瓦時。用電負(fù)荷和用戶的不斷增加.使得電能生產(chǎn)每年都要大幅度增加，這既改變了電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也改變了系統(tǒng)的電源分布，造成了系統(tǒng)的無功分布不盡合理，甚至可能造成局部地區(qū)無功嚴(yán)重不足，電壓水平普遍較低的情況。由于配電網(wǎng)是系統(tǒng)的一個重要組成部分，承擔(dān)著電力生產(chǎn)和電力用戶兩方面的紐帶作用.是輸電網(wǎng)和電能用戶的中間環(huán)節(jié)，它的電壓等級比輸電網(wǎng)低，特別是低壓網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般為輻射狀結(jié)構(gòu)，線路中電阻值較大，損耗也大。系統(tǒng)中的設(shè)備和用電戶，除了要消耗有功功率外，還要消耗無功功率。所謂無功，就是為了維持電源與用電設(shè)備的電感、電容之間磁場和電場振蕩所需要的能量，在電力系統(tǒng)中，這種能量是不可缺少的。據(jù)統(tǒng)計表明，我國電能在傳輸過程的損失為15%，1995年全國城網(wǎng)1 10kV以下配網(wǎng)線損占總線損的60%，電力系統(tǒng)的無功功率損耗最多可達(dá)總發(fā)電容量的20%-30%，也就是說大約1/4的發(fā)電容量都將用來抵消輸配電過程中的功率損耗，這不僅增加了發(fā)電機(jī)和變電所的設(shè)備容量，同時也是對極其寶貴的電力資源的巨大浪費.影響到電能成本，進(jìn)而影響到整個國民經(jīng)濟(jì)。因此，如何針對配電網(wǎng)自身的特點。合理地選擇補(bǔ)償點，確定最優(yōu)補(bǔ)償電容容量，適當(dāng)?shù)貙ο到y(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，無功補(bǔ)償對系統(tǒng)運行有很大的影響。

2 無功補(bǔ)償原理

電網(wǎng)中的變壓器和電動機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的。磁場所具有的磁場能量是由電源供給的。電動機(jī)和變壓器在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變磁場，在一周內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等。

這種功率稱為感性無功功率。接在交流電網(wǎng)中的電容器，在一周內(nèi)上半周的充電功率與下半周的放電功率相等，這種沖放電功率叫容性無功功率。

將電容器和電感并聯(lián)接在同一電路中，電感吸收能量時，正好電容器在釋放能量。能量就在它們之間交換，即感性負(fù)荷（電動機(jī)、變壓器等）所吸收的無功功率，可由電容器輸出的無功功率中得到補(bǔ)償。

3 無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩⑻岣唠娋W(wǎng)功率因素的意義

雖然無功功率的產(chǎn)生基本上不消耗能源，但是無功功率沿電力網(wǎng)傳送卻會引起有功功率損耗和電壓損耗。合理地配置無功功率補(bǔ)償容量，改善電力網(wǎng)的無功潮流分布，提高功率因數(shù)，就能夠減少電網(wǎng)中的有功損耗和電壓損耗，還可以提高設(shè)備的利用率和電網(wǎng)的傳輸能力。

3.1 降低線路的有功損耗

當(dāng)線路流過電流I時。在線路電阻上產(chǎn)生的有功功率損耗為：

（1）

式中：V——線路線電壓（kV）

R——線路線電阻（Q）

I——線路線電流（A）

——線路有功功率損耗（kW）

可見，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)不變的情況下，傳輸有功功率一定時，線路的有功損耗與成反比，越高，△P越小，減少了有功損耗。

3.2 減少線路的電壓損失

電力網(wǎng)電壓損失可由下列公式求出：

（2）

如果并聯(lián)電容器Q 來補(bǔ)償：

（3）

注：P.Q，V應(yīng)取同一端的功率或電壓值

式中：P——線路傳送有功功率損耗（kW）

Q——線路傳送無功功率損耗（kVar）

R——線路線電阻（）

X——線路電抗（）

QC——無功補(bǔ)償容量（kVar）

可見在線路上補(bǔ)償無功功率后，電壓損失△V減小，改善了電壓質(zhì)量。

3.3 改善設(shè)備的利用率

功率因數(shù)可以表示成下述形式：

式中：S為電源設(shè)備的容量

可見在一定電壓和電流下，越高，則輸出的有功功率P越大，提高了設(shè)備的利用率。因此，改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設(shè)備潛力，提高設(shè)備的利用率的有效方法。

3.4 提高電網(wǎng)的有功轉(zhuǎn)輸能力

電網(wǎng)的視在功率與有功功率的關(guān)系表達(dá)式：

P=S·

可見在電網(wǎng)視在功率s不變的前提下。越高，線路傳送有功功率P的能力越強(qiáng)。

3.5 降低功率損耗與電能損耗

由于裝設(shè)了無功補(bǔ)償設(shè)備，就可以提高線路和變配電設(shè)備的功率因數(shù).從而有效地減少了功率損耗和電能損耗。線損的降低可以直接用功率因數(shù)的變化來表示。其計算式為：

"""" （4）

式中：—降低或減少的線損率。

，—補(bǔ)償前、后的功率因數(shù)。

補(bǔ)償后功率因數(shù)值的計算如下：

（5）

其中：

降低的功率損耗計算式為：

或

式中：——降低的有功功率損耗（kW）。

——降低的線路有功功率損耗（kW）。

——降低的變壓器銅損（kW）。

——無功功率節(jié)約當(dāng)量（kW/kvar）。

——電容器的介質(zhì)損失角的正切值。

降低的電能損耗計算公式為：

或（6）

4 補(bǔ)償容量的確定

配電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點多，而且負(fù)荷多為感應(yīng)電動機(jī)，因此出口功率因數(shù)較低。設(shè)系統(tǒng)A給一配電網(wǎng)B供電.己知有功負(fù)荷為P，無功負(fù)荷為Q，配電網(wǎng)的功率因數(shù)為

（7）

4.1 按提高功率因素確定補(bǔ)償容量

為了提高功率因素，使其達(dá)到給定值，則需對配電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。設(shè)最大負(fù)荷日的平均有功功率為P（kW），平均功率因素為，要求補(bǔ)償后的功率因素為，則補(bǔ)償容量為;

（8）

當(dāng)需要功率因素提高到大于，小于"時，則補(bǔ)償容量應(yīng)滿足下述不等式：

（9）

實踐表明，補(bǔ)償前的功率因數(shù)越低，補(bǔ)償效益越顯著，當(dāng)補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)達(dá)到一定值時，補(bǔ)償效益不明顯，增加了開關(guān)儀表屏等設(shè)備，加大了投資和占地面積，取得的補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)效果且不是很好。理論和實踐證明，用戶的功率因數(shù)補(bǔ)償至0.95-0.97最為有利。

4.2 按降低網(wǎng)損確定補(bǔ)償容量

補(bǔ)償后線損降低的百分值：

（10）

而補(bǔ)償容量由前面求得。

4.3 按提高運行電壓確定補(bǔ)償容量

補(bǔ)償容量可用下述公式計算：

（11）

式中：——需要達(dá)到的電壓值（kV）。

——需要提高的電壓值（kV）。

X——線路阻抗）。

需要說明的是，如果上式采用相電壓值，求出的是單相補(bǔ)償容量，如果采用線電壓值，求出的是三相補(bǔ)償容量。

4.4 按補(bǔ)償當(dāng)量確定補(bǔ)償容量

無功補(bǔ)償當(dāng)量的意義是線路投人單位補(bǔ)償容量時.有功損耗的減小值。補(bǔ)償容量可用下述公式計算：

（12）

式中：——第i段線路的有功損耗。

為了衡量補(bǔ)償?shù)暮侠硇?，引用“?jīng)濟(jì)當(dāng)量”概念。它等于電網(wǎng)中減少輸送1kVar無功功率時所減少的有功功率損耗值。

5 結(jié)束語

本文探討了電網(wǎng)規(guī)劃中無功補(bǔ)償優(yōu)化問題的研究。介紹了無功補(bǔ)償優(yōu)化的原理、方法以及研究現(xiàn)狀，并且介紹了配電網(wǎng)中最優(yōu)補(bǔ)償電容容量的確定方法。