無功補(bǔ)償在電網(wǎng)上的作用及計(jì)算

馬春巖

摘 要：電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)即在以最經(jīng)濟(jì)的方式分配各機(jī)組的發(fā)電量使其能滿足系統(tǒng)負(fù)載的需求，并符合各個(gè)發(fā)電機(jī)組所能容許的輸出最大與最小發(fā)電量限制及系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)限制條件。負(fù)載產(chǎn)生的無效電力造成系統(tǒng)許多不利的影響，除要求經(jīng)濟(jì)方面的競爭外還需兼顧電力系統(tǒng)安全性及穩(wěn)定性的技術(shù)面要求。無功補(bǔ)償對于電網(wǎng)的正常運(yùn)營具有重要意義，該文旨在研究與分析無功補(bǔ)償在電網(wǎng)上的作用及計(jì)算。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償 作用 計(jì)算 電網(wǎng)運(yùn)營 電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0229-02

The Effect and Computing of Reactive Power Compensation in Power Grid

Ma Chunyan

（Electric power dispatching center of North China Oilfield hydro electric plant，Renqiu，Hebei，062552，China）

Abstract：Economic operation of power system is in distribution of each unit of electricity in the most economical way to meet the needs of system load，and in accordance with the output of generating units can allow maximum and minimum power limits and system operation constraints.Invalid of electric power system many adverse effects，in addition to the required economic competition also aspires to power system security and stability of the technical requirements.Reactive power compensation is of great significance for the normal operation of power grid，the purpose of this paper is to research and analysis the role of reactive power compensation in power grid and calculation.

Key Words：Reactive Power Compensation；Role；Calculate；Power Grid Operation；Power System

過去20年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速成長，世界各國的用電量均有顯著的增加，為了節(jié)約能源與減少發(fā)電成本，各電力公司均積極的研究電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)，而“競爭”和“效率”也已然成為世界各國電業(yè)發(fā)展的標(biāo)桿。在電力自由化的潮流之下，對供電品質(zhì)的要求也相對提升，電力事業(yè)者無不致力于追求在最小運(yùn)轉(zhuǎn)成本下，提供更高的供電服務(wù)品質(zhì)來滿足用戶的需求，但除了找出最經(jīng)濟(jì)有效的供電品質(zhì)之外也需要兼顧電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性方面的技術(shù)要求，來作為最佳的實(shí)無功率經(jīng)濟(jì)調(diào)度與運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)劃的依據(jù)是相當(dāng)?shù)闹匾?/p>

電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)即在以最經(jīng)濟(jì)的方式分配各機(jī)組的發(fā)電量使其能滿足系統(tǒng)負(fù)載的需求，并符合各個(gè)發(fā)電機(jī)組所能容許的輸出最大與最小發(fā)電量限制及系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)限制條件。另外，除要求經(jīng)濟(jì)方面的競爭外還需兼顧電力系統(tǒng)安全性及穩(wěn)定性的技術(shù)面要求；因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載產(chǎn)生的無效電力造成系統(tǒng)許多不利的影響，系統(tǒng)的匯流排電壓可能超出容許的范圍造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；輸電線可能超出其輸電容量的極限而造成過載的狀況，為了顧及輸電網(wǎng)路的安全傳輸及供電電壓的穩(wěn)定，可借助于投入適當(dāng)?shù)臒o功率補(bǔ)償而獲得舒解。故單純的實(shí)功率經(jīng)濟(jì)調(diào)度是不足的，因此，無功率的規(guī)劃也是電力系統(tǒng)中一個(gè)相當(dāng)重要的問題，而在一般電力系統(tǒng)中用來作為無功率源的設(shè)備種類包括電容器、發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)與靜態(tài)無功補(bǔ)償器等等。但是同步調(diào)相機(jī)與靜態(tài)無功補(bǔ)償器的成本過高，故長久以來除了發(fā)電機(jī)外，電容器一直是最常被使用而且是最經(jīng)濟(jì)的無功率源，因電容器具有成本低、體積小、裝置容易且不需要復(fù)雜的監(jiān)控設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。無功率規(guī)劃的主要目的為以最小的無功率投資成本來決定新增設(shè)無功率源的位置、型式與容量，以維持穩(wěn)定的供電電壓并降低電力傳輸損失。

1 文獻(xiàn)綜述

在求解經(jīng)濟(jì)調(diào)度的問題方面，已經(jīng)有許多數(shù)學(xué)方法被提出來，如拉氏法（Lagrangian Method）、梯度法（Gradient Method）、基準(zhǔn)點(diǎn)與參與因數(shù)法（Base Point and Participation Factors）、及動(dòng)態(tài)規(guī)劃法（Dynamic Programming），文獻(xiàn)[8]使用拉氏解限法（Lagrangian Relaxation），文獻(xiàn)[1]使用線性規(guī)劃法（Linear Programming），但近期的研究則有利用人工智慧演算法（Artificial Intelligence，AI）來解經(jīng)濟(jì)調(diào)度的問題，如文獻(xiàn)[2]所使用的類神經(jīng)網(wǎng) 路（Artificial Neural Network， ANN）、文獻(xiàn)[3]模擬退火法（Simulated Annealing，SA）、文獻(xiàn)[3]基因演算法（Genetic Algorithms，GA）、文獻(xiàn)[4]加強(qiáng)型基因演算法（Enhanced Genetic Algorithm）、文獻(xiàn)[5]差分進(jìn)化演算法（Differential Evolution Algorithm）。但這些研究多只限于解發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，而非發(fā)輸電系統(tǒng)。該文所探討的系統(tǒng)則屬發(fā)輸電系統(tǒng)。

上述文獻(xiàn)中的方法雖均能找出不錯(cuò)的解，但對上述方法而言，若其目標(biāo)函數(shù)有連續(xù)或不可微分的特性，則其最佳化方法可能會(huì)求得局部最佳解，而不是整體最佳解。所以近年來，有些學(xué)者提出尋找整體最佳解的人工智慧演算法，如模擬退火法、遺傳演算法、啟發(fā)式演算法（Heuristic Algorithm）、進(jìn)化規(guī)劃法（Evolution Algorithm， EA）等等。但上述研究系偏向作電力系統(tǒng)的無功率規(guī)劃，而不考慮實(shí)功的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題。

2 無功補(bǔ)償在電網(wǎng)上的作用

在一個(gè)電力系統(tǒng)中，供電者以提供高穩(wěn)定及高品質(zhì)之電力為首要目的，這也是使用者對供電者最基本的要求。目前欲改善配電的品質(zhì)和穩(wěn)定性的研究甚多，諸如開關(guān)切換于配電系統(tǒng)損失研究、蜜蜂繁殖演算法于配電系統(tǒng)的電容器選擇及容量決策研究、分散型電源并網(wǎng)將常閉環(huán)路升級(jí)為網(wǎng)目型配電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、多功能智慧型配電自動(dòng)化緊急故障復(fù)電研究、利用類神經(jīng)網(wǎng)路于復(fù)電研究、配電饋線及主變壓器故障恢復(fù)策略研究、應(yīng)用最佳化電力潮流于電力系統(tǒng)復(fù)電策略之研究、利用區(qū)域網(wǎng)路及編碼無線遙控做智慧型區(qū)域動(dòng)態(tài)電力調(diào)度、專家系統(tǒng)于復(fù)電及配電降低損失研究、開關(guān)重組于緊急復(fù)電研究、類神經(jīng)方法應(yīng)用于配電開關(guān)操作、利用三相負(fù)載潮流之電力品質(zhì)提升及電容器安置、電力系統(tǒng)最佳無功匹配及負(fù)載平衡等等相關(guān)之研究方法都是為追求配電品質(zhì)及穩(wěn)定度之提升。

在電力系統(tǒng)中供電量是隨時(shí)負(fù)載的變化而改變，而最具影響配電穩(wěn)定性及電力品質(zhì)莫過于配電系統(tǒng)相關(guān)負(fù)載的問題了，因此維持高功因的效能在配電系統(tǒng)中是很重要的課題也是最基本的要求。但要使整段饋線一直維持著穩(wěn)定又高功因的狀態(tài)，就可能需要在各個(gè)不同的區(qū)段投入不同容量之無功補(bǔ)償，又因負(fù)載端的用電量隨時(shí)都有變化的可能，也因此將要考慮更多的問題。

在電力系統(tǒng)中由于大部分的負(fù)載皆含落后的無效功率（電感性），因此往往形成滯后功因的現(xiàn)象。為改善此現(xiàn)象，發(fā)展出兩種方式：（1）利用緊急發(fā)電機(jī)作為同步調(diào)相機(jī)的應(yīng)用或稱為同步電容器（Synchronous Condenser）使用；將同步機(jī)之激磁電流調(diào)整為過激磁以供應(yīng)各負(fù)載的電抗性功率；（2）利用并聯(lián)型電容器組改善系統(tǒng)的功因：為使裝置成本達(dá)到經(jīng)濟(jì)化，大多采用集中補(bǔ)償法或分組補(bǔ)償法。同步調(diào)相機(jī)和電力電容器，此兩種設(shè)備的功能均為提供無效電力（VAR，又稱為無功率）給電力系統(tǒng)中的其他負(fù)載，因此，減少由發(fā)電機(jī)組所提供或輸入系統(tǒng)的無效電力，也減輕了原動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，并達(dá)到了改善電力系統(tǒng)功因的目標(biāo)。

同步調(diào)相機(jī)對無效功率可作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，且可作無段調(diào)整；因?yàn)槠鋬r(jià)格高昂、體積龐大、維修價(jià)格昂貴，且對系統(tǒng)的響應(yīng)緩慢，遇到電力公司停電時(shí)無法即時(shí)供電給緊急負(fù)載，如果沒有特殊需要，在一般配電系統(tǒng)中，都使用電力電容器來改善功因。而電力電容器體積小、價(jià)格低廉，并可以于任何電壓額定、任何容量裝設(shè)在系統(tǒng)中一適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)，并且在裝設(shè)時(shí)較為方便，比起同步調(diào)相機(jī)要輕松并且快速。

電感與電容常被使用在中程或長程的輸電線路上，來增加線路負(fù)載能力及維持電壓穩(wěn)定，電抗器通常被安裝在超高壓輸電系統(tǒng)中輸電線的每相到中性線之位置上，此電抗器吸收電路輕載時(shí)之無功率以減少過電壓情形產(chǎn)生，并減少由開關(guān)突波及電擊突波所產(chǎn)生的短暫過電壓之現(xiàn)象。除了電抗器外，電容器也常被應(yīng)用在電路重載時(shí)之無功輸出及增加輸電電壓，一般在輕載下可吸收無功率，在重載下調(diào)整輸出無功率。近幾年由于高科技發(fā)達(dá)電子電路、高功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷的創(chuàng)新研發(fā)，使得電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償、功因改善得到重視，使得在這方面有一種新的方法：靜態(tài)無功補(bǔ)償器。靜態(tài)無功補(bǔ)償器是一種類似并聯(lián)的電容器而且他們可以吸收或提供由電力電子電路控制的一種反應(yīng)器，以便無效功率可在一個(gè)特定范圍[Qmin，Qmax]間作連續(xù)調(diào)整。并可經(jīng)由系統(tǒng)的變化，作無效功率的補(bǔ)償。

3 計(jì)算方法

組成SVC的主要元件有固定式電容器（Fixed-capacitor）、電抗器、閘流體（SCR）、變壓器及控制線路，而因其組成元件之不同，我們可區(qū)分為以下6種類型：

（1）飽和電抗器（簡稱：SR）。

（2）閘流體切換控制電容器（簡稱：TSC）。

（3）閘流體切換控制電抗器（簡稱：TSR）。

（4）閘流體控制式電抗器（簡稱：TCR）。

（5）在閘流體切換電容器-閘流體控制電抗器（TSC-TCR）。

（6）閘流體控制電抗器-固定電容器（TCR-FC）。

至今在電力系統(tǒng)上裝設(shè)SVC來改善電力系統(tǒng)上的問題都有不錯(cuò)的效果，經(jīng)由裝設(shè)SVC來改善并且解決問題，例如：

（1）增加電力線傳輸功率：電力線傳輸?shù)墓β矢妷河嘘P(guān)，若使用電容器來增加系統(tǒng)電壓以增加傳輸功率，則系統(tǒng)極有可能引發(fā)電壓崩潰（Voltage collapse），若使用SVC則不會(huì)有這方面的困擾產(chǎn)生。

（2）電壓控制：對于短路容量較小或有很長輸電線的電力系統(tǒng)，在重載時(shí)往往導(dǎo)致電壓快速的下降，當(dāng)系統(tǒng)電壓不足或者過低時(shí)，有可能會(huì)使得用戶的負(fù)載跳脫，甚至造成電力系統(tǒng)崩潰；在輕載時(shí)會(huì)有電壓偏高的情形產(chǎn)生，可能會(huì)使變壓器飽和，產(chǎn)生諧波并引發(fā)電容器的損壞。而這些問題，可以使用電壓控制式的SVC來改善。

（3）電壓平衡：對于單相使用的大電流負(fù)載（如電車、熔爐等），會(huì)造成系統(tǒng)負(fù)載及電壓的不平衡，SVC單相切換式SCR控制的電抗器可用來解決此問題。

（4）改善電壓閃爍：對于使用電弧爐負(fù)載的煉鋼廠，SVC可以改善因電弧爐所造成的電壓閃爍問題。

（5）改善暫態(tài)穩(wěn)定度及增強(qiáng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度：電力系統(tǒng)產(chǎn)生輕微擾動(dòng)，都可由裝設(shè)SVC來改善穩(wěn)定度問題。

當(dāng)?shù)刃ж?fù)荷阻抗模和等效支路阻抗模相等時(shí)，達(dá)到靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)（最大傳輸功率）。令ZL表示等效負(fù)荷阻抗模，則用阻抗模表示的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度指標(biāo)為：

當(dāng)Vpsi為0時(shí)，達(dá)到靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界點(diǎn)，Vpsi越小表示靜態(tài)穩(wěn)定裕度越低。

Φlmin和Φsmax分別表示Ploss最?。≒lmin）和Svsi最大（Svsim）對應(yīng)的功率因數(shù)角Φ，ΦL和ΦU分別表示Φ的下限和上限值。同調(diào)區(qū)表示在一定有功模式下，改變負(fù)荷無功大?。ㄏ喈?dāng)于無功補(bǔ)償）時(shí)Ploss和Svsi變化相協(xié)調(diào)的運(yùn)行區(qū)域，即在該區(qū)域內(nèi)，改變無功的大小在降低Ploss 的同時(shí)增加了Svsi。

矛盾區(qū)表示在一定有功模式下，改變負(fù)荷無功大?。ㄏ喈?dāng)于無功補(bǔ)償）時(shí)Ploss 和Svsi變化相矛盾的運(yùn)行區(qū)域，即在該區(qū)域內(nèi)，如果要提高Svsi，就需要以增加Ploss為代價(jià)，同樣如果降低Ploss，就要降低Svsi。所以，可根據(jù)具體的某一戴維南等效參數(shù)和負(fù)荷有功，容易求得Φlmin和Φsmax，根據(jù)穩(wěn)定裕度情況合理選擇最佳無功補(bǔ)償目標(biāo)方向，進(jìn)而快速評(píng)估節(jié)點(diǎn)所需無功補(bǔ)償水平。

節(jié)點(diǎn)的最佳無功補(bǔ)償大小約為：

Qoc=PLitan（Φlmin）or PL tan（Φsmax）

對應(yīng)無功需求量為：

Qac=QL—Qoc

可見，Qac>0pu時(shí)意味著需要容性補(bǔ)償，Qac<0pu時(shí)意味著需要感性補(bǔ)償。Qac是基于節(jié)點(diǎn)戴維南等效參數(shù)算出的，并沒有考慮與其他節(jié)點(diǎn)的相互影響，只是該節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前戴維南等效參數(shù)和等效有功負(fù)荷下對應(yīng)的一種虛擬理想無功補(bǔ)償量。在復(fù)雜電網(wǎng)中，各無功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)間的電氣距離相對較大，且實(shí)際可調(diào)無功補(bǔ)償量都在較小范圍內(nèi)，無功補(bǔ)償對Ploss和Svsi的影響范圍相對較小，所以Qac具有較高的可信度，能夠用于電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)無功補(bǔ)償水平快速預(yù)估。

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