變電站無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題研究

郭剛

摘要：無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。闡述當(dāng)前變電站在無(wú)功優(yōu)化方面存在的主要問(wèn)題，介紹變電站無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償容量的確定原理，提出實(shí)現(xiàn)變電站無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)控制方案和控制流程，以期為變電站無(wú)功優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)功優(yōu)化；變電站；問(wèn)題；研究

中圖分類號(hào)： TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）12-0024-02

變電站是電力系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，在電力輸送、分配和使用過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在改善終端電壓水平、提高配電網(wǎng)功率因數(shù)、降低有功損耗及提升電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等方面都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 變電站在無(wú)功優(yōu)化方面存在的問(wèn)題

當(dāng)前變電站在無(wú)功優(yōu)化方面存在著一定的問(wèn)題。以安裝了主變壓器（S9-10 000 kVA/35 kV）的變電站為例：在空載和滿載的區(qū)間內(nèi)，變壓器的無(wú)功損耗為80～830 kVAR，按照《110 kV及以下縣級(jí)配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償技術(shù)規(guī)范和典型應(yīng)用模式》的相關(guān)規(guī)定，補(bǔ)償容量為變壓器容量的10%～30%，據(jù)此補(bǔ)償容量為1 000～3 000 kVAR。如果在變壓器二次側(cè)母線上安裝功率因數(shù)控制器對(duì)電容進(jìn)行投切，當(dāng)功率因數(shù)達(dá)到0.98時(shí)，功率因數(shù)控制器就會(huì)通過(guò)自動(dòng)裝置將電容切除，此時(shí)只有負(fù)荷側(cè)無(wú)功功率能夠得到平衡，其他的無(wú)功功率不能得到平衡。在變電器二次側(cè)母線上安裝這么大的電容，只能解決變壓器功率因數(shù)的問(wèn)題，對(duì)于電壓質(zhì)量改善和電能損耗基本沒有作用，這是一種十分不科學(xué)的做法。

2 變電站無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償容量的確定

配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化必須遵循的基本原則是：統(tǒng)一規(guī)劃，合理布局，分級(jí)補(bǔ)償，就地平衡。變電站進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償也要按照這個(gè)原則，不能單純強(qiáng)調(diào)在某一個(gè)設(shè)備或某一個(gè)單元上進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，而要兼顧總體效果。因此，變電站的無(wú)功優(yōu)化要先在母線的功率因數(shù)達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)要求（即在配電網(wǎng)的其他環(huán)節(jié)進(jìn)行了隨機(jī)、隨器、配電線路等分級(jí)補(bǔ)償）的情況下進(jìn)行。為了使變電站主變壓器的一次側(cè)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，要考慮差額部分和主變壓器無(wú)功損耗部分的總和，按式（1）計(jì)算：

Qc=ΔQBk+ΔQBf+∑Qfi （1）

式中：Qc為變電站二次側(cè)母線無(wú)功補(bǔ)償容量，kVAR；ΔQBk為變壓器空載無(wú)功損耗，kVAR；ΔQBf為變壓器負(fù)載無(wú)功損耗，kVAR；∑Qfi為變壓器一次側(cè)達(dá)標(biāo)所需無(wú)功不足部分，kVAR。

由式（1）可知：變電站主變壓器負(fù)載無(wú)功損耗ΔQBf與負(fù)載率的平方成正比，考慮到無(wú)功優(yōu)化容量應(yīng)滿足最終發(fā)展要求（負(fù)載率=1）；為供電區(qū)域內(nèi)各饋出線路功率因數(shù)達(dá)標(biāo)（cosφ1=0.90）與主變壓器最大負(fù)荷時(shí)高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)標(biāo)（cosφ2=0.95）時(shí)的二次側(cè)無(wú)功需補(bǔ)償部分的差值。由此得式（2）：

Qfi=1.05Pzd（tgφ1-tgφ2） （2）

式中：1.05為考慮主變壓器允許過(guò)負(fù)載的系數(shù)；tgφ1為主變壓器二次側(cè)cosφ1=0.90時(shí)的正切值，故tgφ1=0.484；tgφ2為主變壓器二次側(cè)cosφ2=0.95時(shí)的正切值，故tgφ2=0.329； Pzd為主變壓器滿負(fù)載時(shí)的最大有功功率，kW。則：

Qfi=1.05 Se cosφ2 （tgφ1-tgφ2）=0.155 Se （3）

3 實(shí)現(xiàn)變電站無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)控制方案

3.1 變電站無(wú)功補(bǔ)償最優(yōu)控制約束條件

變電站無(wú)功補(bǔ)償容量的控制應(yīng)當(dāng)考慮以下3個(gè)不等式的約束條件：

Uimin

Qcimin

cosφimax≮cosφi≮cosφimin （6）

由式（4）—（6）可知：無(wú)功補(bǔ)償控制容量在不大于最大負(fù)荷時(shí)無(wú)功需求的情況下，應(yīng)當(dāng)滿足最低負(fù)荷的無(wú)功需求；母線電壓正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不能夠超過(guò)標(biāo)稱電壓的規(guī)定值（若考慮系統(tǒng)原因，母線電壓長(zhǎng)期偏高時(shí)可適當(dāng)提高正偏差）；主變壓器的高壓側(cè)功率因數(shù)，在最大負(fù)荷的情況下不能夠低于0.95，在最低負(fù)荷的情況下不能夠高于0.95。

3.2 變電站主變壓器一次側(cè)采樣的無(wú)功補(bǔ)償控制方式

如果選擇在主變壓器一次側(cè)母線上安裝電壓和電流互感器等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主變壓器二次側(cè)無(wú)功補(bǔ)償方式的選擇必須符合主變壓器一次側(cè)的電壓和功率因數(shù)不等式的約束條件。其中一組采用固定補(bǔ)償方式，即QCG=0.90ΔQBk，這樣即使在變電站負(fù)荷很小或者空載狀態(tài)的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)現(xiàn)象（此補(bǔ)償不受電壓或功率因數(shù)不等式約束的控制），可以按照無(wú)功需求的大小，通過(guò)分組自動(dòng)投切或平滑調(diào)節(jié)等方式控制其余補(bǔ)償。

3.3 變電站主變壓器二次側(cè)采樣的無(wú)功補(bǔ)償控制方式

當(dāng)變電站主變壓器容量相對(duì)較小的時(shí)候，通常在主變壓器一次側(cè)不設(shè)計(jì)安裝電壓互感器和電流互感器，因此只能在主變壓器二次側(cè)設(shè)計(jì)安裝電壓互感器和電流互感器，采集電壓、功率因數(shù)和無(wú)功負(fù)荷等數(shù)據(jù)。這時(shí)要充分考慮2個(gè)條件，即主變壓器二次側(cè)電壓不等式約束條件和二次側(cè)采集的數(shù)據(jù)折合到一次側(cè)的功率因數(shù)和無(wú)功需求不等式約束條件，來(lái)選擇無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)控制方式。主變壓器二次側(cè)折合到一次側(cè)的功率因數(shù)：

cosφ1=cos

arctan （7）

式中：ΔP0為變壓器空載有功損耗，kW；ΔPK為變壓器負(fù)載有功損耗，kW；QCD為變壓器二次側(cè)折合到一次側(cè)的補(bǔ)償容量，kVAR。

補(bǔ)償容量按照式（8）來(lái)確定：

QCD=0.9ΔQBK+（）2ΔQBF+QDC

=0.9ΔQBK+ΔQBF+PD（tgφD1-tgφ2） （8）

式中：PD為主變壓器二次側(cè)在一定的時(shí)間內(nèi)實(shí)際采集的有功功率平均值，kW；QD為主變壓器二次側(cè)在一定的時(shí)間內(nèi)實(shí)際采集的無(wú)功功率平均值，kVAR；tgφD1為主變壓器二次側(cè)在一定的時(shí)間內(nèi)實(shí)際采集功率因數(shù)平均值的正切值。

由以上分析計(jì)算可知，主變壓器二次側(cè)通過(guò)選擇切實(shí)可行的無(wú)功補(bǔ)償方式，功率因數(shù)可以提高到一個(gè)比較理想的水平。但問(wèn)題是，即使這個(gè)功率因數(shù)達(dá)到了0.95，在主變壓器二次側(cè)不再通過(guò)其他方式來(lái)補(bǔ)償主變壓器本身消耗的部分無(wú)功，主變壓器一次側(cè)的功率因數(shù)仍不能按照標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到一定的要求。

4 變電站無(wú)功優(yōu)化自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于變壓器負(fù)荷側(cè)無(wú)功不足部分和變壓器自身無(wú)功損耗所需要的無(wú)功，可根據(jù)不同的情況，在變壓器一次側(cè)和二次側(cè)安裝電流互感器和電壓線感器采集數(shù)據(jù)，計(jì)算補(bǔ)償容量，并通過(guò)自動(dòng)控制裝置切入電容，從而實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償。使主變壓器二次側(cè)功率因數(shù)超前運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)功倒送，可以補(bǔ)償主變壓器的無(wú)功損耗。但經(jīng)分析計(jì)算可知：當(dāng)cosφ=0.95時(shí)，無(wú)功分量在變壓器繞組電阻上產(chǎn)生的有功損耗比有功分量在變壓器繞組電阻上產(chǎn)生的有功損耗小約9倍。因此，為了實(shí)現(xiàn)就地平衡，可以把電容和自動(dòng)控制設(shè)備安裝在主變壓器二次側(cè)，在功率因數(shù)為1.00的基礎(chǔ)上，再補(bǔ)償主變壓器的無(wú)功損耗部分。但是從投入費(fèi)用角度考慮，這顯然不夠科學(xué)、經(jīng)濟(jì)，因此各地要根據(jù)自身情況適當(dāng)選用該方式。

變電站的無(wú)功優(yōu)化自動(dòng)化控制系統(tǒng)，首先要按照3個(gè)不等式約束條件要求，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出無(wú)功需求的大小，再通過(guò)自動(dòng)控制裝置進(jìn)行投切電容。以往的看法是，在滿足電壓約束條件的情況下，按照功率因數(shù)的大小進(jìn)行投切；但實(shí)際上，在變電站處于高峰負(fù)荷時(shí)，無(wú)論功率因數(shù)的值是多少，無(wú)功功率仍然是相當(dāng)大的，再怎么補(bǔ)償也達(dá)不到預(yù)想的效果。以常用的S9-10 000/35 kVA變壓器為例，設(shè)計(jì)的無(wú)功功率在滿載的情況下（cosφ=0.95）為3 122 kVAR，因此在功率因數(shù)較高的情況下，通常不會(huì)太重視無(wú)功功率，而實(shí)際上功率因數(shù)還有許多節(jié)能潛力可以挖掘。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)配電網(wǎng)無(wú)功功率的考核方式主要是通過(guò)在配電網(wǎng)中安裝多功能檢測(cè)儀表，其轉(zhuǎn)向都是正轉(zhuǎn)的，無(wú)功功率吸收或倒送的越多，多功能檢測(cè)儀表就轉(zhuǎn)向的越多，功率因數(shù)顯示的就越低。按照規(guī)程規(guī)定，主變壓器二次側(cè)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率或者隨主變壓器低壓側(cè)補(bǔ)償配變無(wú)功功率與多功能檢測(cè)儀表考核的方式是矛盾的。本文所研究的變電站無(wú)功優(yōu)化自動(dòng)化系統(tǒng)在固定補(bǔ)償方面是按照“就地平衡”的原則完成的，但是不能用單一的辦法解決所有問(wèn)題，只能通過(guò)各處變電站的實(shí)際情況，選擇較為恰當(dāng)?shù)姆绞剑瑥闹髯儔浩鞫蝹?cè)進(jìn)行補(bǔ)償。主變壓器在空載時(shí)段或者是二次側(cè)功率因數(shù)為1.00的情況下，才能不斷地向變壓器倒送無(wú)功，其余情況都是補(bǔ)負(fù)荷側(cè)的無(wú)功不足部分。無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠行?、科學(xué)、“就地平衡”與無(wú)功計(jì)量考核方式的矛盾，有待于進(jìn)一步研究與探討。

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