電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償點及其補(bǔ)償容量的確定

潘國能

（舟山中際化工有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

在社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展背景下，智能電網(wǎng)建設(shè)也更加完善，并且在實際應(yīng)用中取得了不菲的成效。但在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，由于電網(wǎng)負(fù)荷性能、承載容量有限，不同地區(qū)電網(wǎng)承載性、容量也有差異。一般情況下，電網(wǎng)承受的負(fù)荷越大，電網(wǎng)的容量就越高，同時也對電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性提出了更高要求。因此，為了保證電力系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低電網(wǎng)運(yùn)行的無功損耗，提高電力供給質(zhì)量，必須做好電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償點和補(bǔ)償容量的確定工作，發(fā)揮電力系統(tǒng)運(yùn)營的整體效益。

1 無功補(bǔ)償

無功補(bǔ)償稱為無功功率補(bǔ)償，在電力系統(tǒng)中可以提升電網(wǎng)運(yùn)行功率、改善供電環(huán)境，同時還可以降低輸電線路損耗和變壓器損耗。無功補(bǔ)償作為電力系統(tǒng)不可或缺的裝置，需要對無功補(bǔ)償點和補(bǔ)償容量進(jìn)行分析，保證電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。如果無功補(bǔ)償點、補(bǔ)償容量計量不當(dāng)，很可能造成電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動、諧波增大等情況。

隨著智能電網(wǎng)在電力系統(tǒng)應(yīng)用得愈加廣泛，提高了無功補(bǔ)償技術(shù)的普及率。但任何一項技術(shù)都存在弊端，無功補(bǔ)償技術(shù)也是如此。如單相電力牽引負(fù)荷變化、負(fù)序增加、無功功率增加等，都會給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來一定負(fù)面影響，影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。而無功、負(fù)序、諧波等問題也是當(dāng)今電網(wǎng)建設(shè)中需要重點關(guān)注的問題。

2 無功補(bǔ)償點的確定

無功補(bǔ)償是電網(wǎng)建設(shè)和改造的重要組成部分，它是保持網(wǎng)絡(luò)無功平衡，提高電壓質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)損耗的有效措施，是降損措施中投資少、回報高的方案。通過無功補(bǔ)償降低網(wǎng)損和提高電壓是一種投資少回報高的方案。而無功補(bǔ)償點的確定是實現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)那疤釛l件，掌握好無功補(bǔ)償點才能實現(xiàn)最優(yōu)的無功補(bǔ)償。

2.1 無功裕度

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行特性，需要先了解電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，在電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到一定限度后，電網(wǎng)局部就會產(chǎn)生電壓的點崩潰情況，因此要在確保電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，還要滿足無功裕度大于0的條件。計算各個負(fù)荷節(jié)點局部電壓指標(biāo)，從而確定每個負(fù)荷點電壓穩(wěn)定裕度。其中，穩(wěn)定裕度值直接影響負(fù)荷點電壓的穩(wěn)定度，穩(wěn)定裕度越低，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)可能性越高，所以穩(wěn)定裕度可以找出電壓穩(wěn)定弱節(jié)點。對于給定的系統(tǒng)狀態(tài)，可以設(shè)定一個最大的電壓穩(wěn)定裕度門檻，根據(jù)裕度大小排列，即可構(gòu)建電壓穩(wěn)定裕度小于最大與裕度值的負(fù)荷節(jié)點，這些節(jié)點即可作為無功補(bǔ)償點。

2.2 節(jié)點無功裕度值的確定

無功裕度值和無功補(bǔ)償容量之間有著直接聯(lián)系，通常情況下二者之間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，也就是無功裕度越高，無功補(bǔ)償容量要求就越小；反之無功裕度越小，則無功補(bǔ)償容量需求就越大。采用科學(xué)的方法確定無功補(bǔ)償點，精準(zhǔn)的計算無功裕度。無功裕度計算通常要注意3 個方面。

（1）結(jié)合電力系統(tǒng)自身特性，結(jié)合線路參數(shù)、結(jié)構(gòu)點，即可計算電網(wǎng)潮流，獲取不同節(jié)點功率、電壓。

（2）結(jié)合無功裕度定義，可以計算每個節(jié)點無功裕度，并無功裕度排列組合。

（3）根據(jù)計算出的無功裕度值，由大到小的順序排列，這些數(shù)值作為后續(xù)無功補(bǔ)償容量確定的重要依據(jù)。

合理的選擇無功補(bǔ)償點、無功補(bǔ)償措施、補(bǔ)償裝置，可以有效維護(hù)系統(tǒng)電壓水平，提升系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生大量的無功遠(yuǎn)距離傳輸，降低有功損耗和發(fā)電成本。

3 無功補(bǔ)償容量的確定

某變電廠（500 kV·A 變壓器）在人工補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.85，根據(jù)功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，每月罰款為總電費(fèi)的2.5%，在人工補(bǔ)償中根據(jù)變電廠運(yùn)作情況，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定無功補(bǔ)償量，加裝電容器補(bǔ)償后，平均功率因數(shù)為0.9，每月電費(fèi)降低0.5%，功率因數(shù)提升使電費(fèi)降低了近60 萬元。

3.1 無功規(guī)劃數(shù)學(xué)模型

電力系統(tǒng)無功規(guī)劃作為一種不連續(xù)的多目標(biāo)優(yōu)化內(nèi)容。目標(biāo)函數(shù)可以降低有功損耗、提升電壓水平、最小化安裝額外無功容量費(fèi)用，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最低。無功優(yōu)化模型，就是以無功能規(guī)劃內(nèi)容為基礎(chǔ)，通過計算機(jī)技術(shù)構(gòu)建無功補(bǔ)償模型，采用仿真技術(shù)判定模型運(yùn)行效果，并進(jìn)行針對性優(yōu)化。

3.2 無功補(bǔ)償量計算方法

結(jié)合無功優(yōu)化特性，采用傳統(tǒng)搜索技術(shù)、改進(jìn)遺傳技術(shù)，通過改進(jìn)遺傳算法作為一階搜索，在指定時間、范圍內(nèi)得出無功補(bǔ)償范圍，之后通過二階局部搜索方案，將無功補(bǔ)償范圍逐次減少（每次減少上一個可行域的50%），即可在較少的計算工作量基礎(chǔ)上得到最優(yōu)數(shù)值。

根據(jù)無功優(yōu)化特性，應(yīng)用浮點數(shù)編碼方案，即每個個體的基因值都在取值范圍內(nèi)用一個浮點表示，個體編碼長度與控制變量個數(shù)相等。根據(jù)編碼內(nèi)容對無功補(bǔ)償范圍節(jié)點進(jìn)行選擇，構(gòu)建可行性補(bǔ)償節(jié)電的數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中挑選無功補(bǔ)償容量。理論上是負(fù)載需要多少無功功率，就補(bǔ)償多少無功功率。所以可以從負(fù)載設(shè)備的參數(shù)計算出來。在實際中，設(shè)備的負(fù)荷是波動的，所以必須隨時調(diào)整補(bǔ)償容量，與負(fù)載相匹配，才能實現(xiàn)功率因數(shù)最佳，否則就會出現(xiàn)欠補(bǔ)償，或者過補(bǔ)償，都會導(dǎo)致被罰款。這就是補(bǔ)償柜都采用自動控制的方式。剩下的，只要確定最大的補(bǔ)償需量就可以了。

最大的補(bǔ)償需量可以用設(shè)備參數(shù)計算，實際中多采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)：變壓器容量的30%～40%。案例中500 kV·A 的變壓器，補(bǔ)償柜配置150～200 kVar 即可。按用戶負(fù)載特點、路數(shù)等，最終確定一個數(shù)值。初始設(shè)計，通常取大一些。

3.3 電氣設(shè)備補(bǔ)償量確定

單臺電機(jī)補(bǔ)償容量應(yīng)以將電機(jī)空載時的功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?或接近于1 來確定。因為電機(jī)空載時的功率因數(shù)為1，則滿載時的功率因數(shù)必然滯后。如果把電機(jī)滿載時的功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?，則電機(jī)空載或輕載時功率因數(shù)就會變成超前，也就說會出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)那闆r。這種過補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)，在切斷電源后，由于電容器的放電，能使仍在旋轉(zhuǎn)著的電機(jī)成為感應(yīng)發(fā)電機(jī)，而使電壓超過額定電壓好多倍，對電機(jī)和電容器都有害。另外，若在電機(jī)仍轉(zhuǎn)動時重新合閘，將會產(chǎn)生相當(dāng)大的電流沖擊和瞬時轉(zhuǎn)矩，容易造成電機(jī)的機(jī)軸損壞。所以對單臺電機(jī)的補(bǔ)償容量，應(yīng)根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行工況確定。

此外，對于機(jī)械負(fù)荷慣性較小的電機(jī)（如風(fēng)機(jī)等），補(bǔ)償容量≈0.9×電動機(jī)空載無功功率；對于水泵、球磨機(jī)等機(jī)械負(fù)荷慣性較大的用電設(shè)備的電機(jī)，電源斷開后電動轉(zhuǎn)速迅速下降，隨即補(bǔ)償并聯(lián)電容器容量稍大于電機(jī)空載勵磁功率時也不會產(chǎn)生自激過電壓，為增加補(bǔ)償效果以及有利于電機(jī)啟動，其補(bǔ)償容量可選得較大些。

總之，通過計算出控制變量值變壓器就接頭數(shù)值、網(wǎng)損和補(bǔ)償量、補(bǔ)償無功總量，加入補(bǔ)償電容，對發(fā)電機(jī)電壓、變壓器變比調(diào)節(jié)，即可有效降低電力系統(tǒng)網(wǎng)損，并且采用更小的無功補(bǔ)償容量得到更優(yōu)的電力系統(tǒng)網(wǎng)損值。

4 電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償應(yīng)用要點

4.1 確定補(bǔ)償方案

在電力系統(tǒng)評價中，電能質(zhì)量是評價核心參數(shù)，電壓直接影響電能質(zhì)量，而造成無功功率受到功率、阻抗等影響。通過對電力系統(tǒng)進(jìn)行分析，針對性選擇電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)，如SCOTT 變壓器、晶閘管電子開關(guān)控制電容投切等。結(jié)合以往工作經(jīng)驗可知，選擇科學(xué)的補(bǔ)償方法即使在線路跨度較長的區(qū)域，也可以有效控制并降低負(fù)序量。

4.2 無功補(bǔ)償共性問題

電力系統(tǒng)應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)可以有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，還可以提升電能使用率。結(jié)合電力系統(tǒng)無功損耗等問題，從經(jīng)濟(jì)層面考慮可以降低電網(wǎng)事故處理成本，即可實現(xiàn)預(yù)算系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)利益的有序增長。在電力領(lǐng)域，變電站無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。發(fā)電廠傳輸?shù)阶冸娬鹃g的無功電流，而無功電流通過線路進(jìn)入到低壓線時會增加傳輸量，提升電能損耗。因此在變電站規(guī)劃中，可以在區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個無功補(bǔ)償變電站。當(dāng)今220 kV智能變電站的調(diào)節(jié)功能更加豐富，可以靈活調(diào)節(jié)容量，甚至可以調(diào)節(jié)最大的符合功率值（0.98）。因此，在無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用中，要判定當(dāng)?shù)刈冸娬臼欠裨鲈O(shè)了無功補(bǔ)償，并調(diào)整補(bǔ)償變壓器，從而實現(xiàn)無功補(bǔ)償目標(biāo)。

4.3 智能補(bǔ)償選擇

在智能補(bǔ)償選擇中，要保證達(dá)到“布局合理、系統(tǒng)平衡、分級補(bǔ)償”的要求，以提升無功補(bǔ)償效益。通常可以從以下3 點出發(fā)：

（1）電力系統(tǒng)與用戶系統(tǒng)補(bǔ)償結(jié)合。在用戶供電系統(tǒng)中加入無功功率補(bǔ)償，提升電氣設(shè)備在實際運(yùn)行中的功率總量，減少用戶日常用電時的無功損耗，有效降低了用戶的用電成本。據(jù)不完全調(diào)查顯示，有40%以上的無功損耗都是在配電變壓器、線路方面，剩余60%為無功損耗在用戶用電系統(tǒng)領(lǐng)域。因此要注重用戶用電系統(tǒng)無功補(bǔ)償。

（2）集中與分散補(bǔ)償結(jié)合。在變電站集中無功補(bǔ)償中，還需要注重其他方面的分散補(bǔ)償，包括電網(wǎng)線路、變壓器、電氣設(shè)備等，并且是以分散補(bǔ)償為主，這樣可以更好的降低無功損耗率。再者，無功補(bǔ)償值并非越高越好，因此分散補(bǔ)償也要合理布置、確定合理的補(bǔ)償容量值。同時還要考慮分散補(bǔ)償維護(hù)十分困難，因此要在適宜的部位設(shè)置分散補(bǔ)償。

（3）降損和調(diào)壓結(jié)合。降損是直接減少電力系統(tǒng)運(yùn)行損耗的方法，同時還要合理調(diào)壓，確保滿足用戶用電需求。如用電高峰期電壓會增高，同時也會提升電力系統(tǒng)電能損耗量，嚴(yán)重的會產(chǎn)生線損情況。此時就要在無功補(bǔ)償基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)壓，提高電網(wǎng)功率因數(shù)，實現(xiàn)降損目標(biāo)。

5 結(jié)束語

綜上所述，針對電力系統(tǒng)無功損耗問題，分析無功補(bǔ)償點和補(bǔ)償容量的確定方法，應(yīng)用混合改進(jìn)遺傳算法得出每個補(bǔ)償點的無功補(bǔ)償容量，該方法在實際應(yīng)用要求獲取節(jié)點最佳補(bǔ)償，無功補(bǔ)償效益更高。在此基礎(chǔ)上，提出電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用要點，需要結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實際表現(xiàn)情況合理進(jìn)行無功補(bǔ)償，以實現(xiàn)無功優(yōu)化目標(biāo)，提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和節(jié)能性。