補(bǔ)償有功與補(bǔ)償無功對(duì)低電壓治理效果的探索分析

鄒 宇，車 轍，趙柏峰，陳恒龍，吳立，黃鏡先，趙小龍

（1.廣西電網(wǎng)公司 欽州供電局，廣西 欽州 541001；2.陜西省地方電力集團(tuán)公司 西安分公司，陜西 西安 710080；3.西安浩源電力科技有限公司，陜西 西安 710069）

0 引 言

隨著我國城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電負(fù)荷急劇增加，在農(nóng)村配電網(wǎng)和部分城市配電網(wǎng)的末端，常常存在因供電半徑長、無功功率配置不足、三相不平衡、用電季節(jié)性高峰等原因而導(dǎo)致供電電壓低的問題。

低壓線路過長會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，出現(xiàn)配電線路末端電壓偏低、配電線路損耗增加、線路功率因數(shù)低、末端無功功率欠補(bǔ)嚴(yán)重、固定式電容補(bǔ)償效果差等問題。

基于此，本文探索在低壓線路末端靠近負(fù)載處用不同的治理方法調(diào)壓的效果；研究無功補(bǔ)償與有功補(bǔ)償對(duì)于電壓抬升的差別；再結(jié)合自動(dòng)調(diào)壓器，驗(yàn)證是否可以提高低壓線路調(diào)壓器的升壓幅度，以滿足更低的低電壓場(chǎng)景能夠用調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)調(diào)壓目標(biāo)，并驗(yàn)證樓頂分布式光伏對(duì)于低壓線路有功補(bǔ)償、降低損耗、抬升線路末端電壓的作用。

1 臺(tái)區(qū)無功補(bǔ)償和有功補(bǔ)償?shù)淖饔梅治龊蛻?yīng)用方案

臺(tái)區(qū)無功補(bǔ)償可以在提高功率因數(shù)的同時(shí)降低變壓器和低壓線路的損耗。將低壓無功補(bǔ)償裝置安裝在低壓線路中后段，與低壓線路自動(dòng)調(diào)壓器組合，可以改善線路電能質(zhì)量。

臺(tái)區(qū)有功補(bǔ)償時(shí)，線路負(fù)荷對(duì)電源的有功功率需求基本恒定。線路末端接入新電源后，末端對(duì)電源功率需求減小、線路電流減小、電壓損失減小、等效電壓降減小，等同于線路電壓抬升。低壓臺(tái)區(qū)分支多線路復(fù)雜、負(fù)載變化頻繁、有功功率補(bǔ)償容量不大時(shí)，通過理論只能粗略估算線路接入有功補(bǔ)償后接入點(diǎn)的電壓抬升，需要以實(shí)測(cè)結(jié)果予以說明。

2 低壓線路無功補(bǔ)償和有功補(bǔ)償抬升電壓實(shí)驗(yàn)

2.1 電容補(bǔ)償升壓后調(diào)壓器升壓總幅度的計(jì)算和驗(yàn)證

在此，以一處低壓線路末端為例，進(jìn)行電容補(bǔ)償升壓+調(diào)壓器升壓的實(shí)例分析計(jì)算和驗(yàn)證。

2.1.1 電容器單獨(dú)對(duì)線路末端電壓的提升量的計(jì)算

電容器單獨(dú)對(duì)線路末端電壓的提升量的計(jì)算步驟如下：

（1）35 mm2鋁芯絕緣導(dǎo)線的電阻為0.94 Ω/km，即r0=0.94 Ω/km ；

（2）架空敷設(shè)線路電感的感抗取0.3 Ω/km，即x0=0.3 Ω/km ；

（3）由于是單相線路，火線和零線均有電壓差且兩者相等，即線路上的電壓差是單相相線上電壓差的2倍；

（4）線路長度為1.5 km，即線路電阻r=r0l=0.94×1.5=1.41 Ω，線路感抗x=x0l=0.3×1.5=0.45 Ω ；

（5）線路末端加5 kvar電容器后，開始計(jì)算末端電壓提升量。設(shè)線路末端電壓為U2，首端電壓為U1，則相量關(guān)系如圖1所示。由圖1可得：

圖1 電容補(bǔ)償相量關(guān)系圖

式中：Ic為電容器電流，Ic=Qc/U2≈Qc/U1，Qc=5 000 var，r=1.41 Ω，x=0.45 Ω，設(shè)U1=220 V，則可求得U2=228.1 V；

（6）于是，3 kvar電容器對(duì)線路末端電壓的提升量為：

2.1.2 調(diào)壓器單獨(dú)對(duì)線路末端電壓的提升量的計(jì)算

低壓線路末端電壓為152 V，也就是調(diào)壓器輸入電壓為152 V，調(diào)壓器在正常調(diào)壓的最大幅度為30%，調(diào)壓器輸出端電壓為152+152×30%=198.6 V，即可以調(diào)壓到合格電壓范圍。

2.1.3 電容補(bǔ)償升壓+調(diào)壓器升壓總幅度計(jì)算

由前面計(jì)算可知，調(diào)壓器可以單獨(dú)將輸入的152 V電壓提升到198.6 V；電容器單獨(dú)對(duì)線路末端電壓的提升量為16.2 V，可得152-16.2 =135.8 V，表明通過電容補(bǔ)償與調(diào)壓器的共同作用，電壓從135.8 V升壓到198.6 V，即安裝點(diǎn)調(diào)壓器輸出電壓合格。

2.1.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：電容補(bǔ)償與調(diào)壓器共同作用下，安裝點(diǎn)輸出電壓從135 V升壓到198 V，符合理論計(jì)算。由此得出，電容補(bǔ)償提高了功率因數(shù)，使線路線損減小。

2.2 補(bǔ)償有功實(shí)例分析計(jì)算和驗(yàn)證

這里以樓頂分布式光伏發(fā)電為例進(jìn)行試驗(yàn)，從而驗(yàn)證有功補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)正確性。在西安某小區(qū)樓頂安裝上分布式光伏電池板組串，并通過組串式逆變器將光伏電并入網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的有功補(bǔ)償，組串式電網(wǎng)示意圖如圖2所示。

圖2 組串式電網(wǎng)示意圖

接下來測(cè)量光伏逆變器發(fā)電與停止發(fā)電前后用戶電表箱的電壓變化，并分別在重負(fù)荷和輕負(fù)荷時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)得到2020年8月21日18：20樓頂并網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電停止發(fā)電前后用戶配電箱的電壓，具體數(shù)據(jù)為：光伏工作時(shí)，空載為229 V，帶載（1 850 W燒水壺）為224 V，光伏關(guān)機(jī)后，帶載為219 V，關(guān)掉負(fù)載電壓變?yōu)?25 V；并網(wǎng)逆變器處一整天光伏空載電壓大概范圍為225～234 V。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)兩種情況：第一種情況，帶載有光伏與無光伏電壓差為（224-219） V=5 V，空載有光伏與無光伏電壓差為（229-225） V=4 V；第二種情況，有光伏帶載與空載電壓差為（224-229） V=-5 V，無光伏帶載與空載電壓差為（219-225） V=-6 V。前者（5-4） V=1 V，后者（6-5） V=1 V。

以上實(shí)驗(yàn)表明光伏發(fā)電的有功補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)電壓起到了提升作用，但因光伏功率最大只有10 kW，所以抬升電壓幅度有限。如果低電壓線路上有樓頂分布式光伏群接入，便可以得到很好的調(diào)壓效果。

3 臺(tái)區(qū)線路末端組合治理裝置解決方案

在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文提出一種臺(tái)區(qū)線路末端組合治理裝置解決方案。該方案使用電容補(bǔ)償無功，并自動(dòng)調(diào)節(jié)三相負(fù)載平衡，同時(shí)利用調(diào)壓器調(diào)壓自動(dòng)融合的方式進(jìn)行組合治理，自動(dòng)調(diào)節(jié)提升末端電壓，降低線損，提高功率因數(shù)，提高變壓器的承載能力，改善臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量。組合治理裝置降低線損同時(shí)，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)三相負(fù)載平衡及無功補(bǔ)償，消除零序電流線損和三相線路附加損耗，當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)三相負(fù)載趨于平衡后，能大幅度降低線損、減少能耗、提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益的效果。圖3為裝置原理示意圖。

圖3 無功補(bǔ)償調(diào)壓器一體化裝置原理示意圖

4 無功補(bǔ)償調(diào)壓器組合治理裝置驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析

欽州市欽南區(qū)尖山鎮(zhèn)西三隊(duì)9號(hào)公變，臺(tái)區(qū)變壓器容量為630 kVA，在距離500 m配電線路主干線安裝帶自動(dòng)無功補(bǔ)償與自動(dòng)調(diào)壓器一體化裝置一套，并采樣投入前后各一天的三相電壓數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示投入運(yùn)行后，末端電壓得到顯著提升。投入前后三相電壓的對(duì)比曲線如圖4～圖6所示。

圖4為A相電壓的對(duì)比曲線：黑色曲線為投入前電壓曲線，投入前最低電壓167.9 V，灰色曲線為投入后電壓曲線，投入后最低電壓201.2 V。

圖4 A相電壓曲線

如圖5為B相電壓的對(duì)比曲線：黑色曲線為投入前電壓曲線，投入前最低電壓為175.4 V，灰色曲線為投入后電壓曲線，投入后最低電壓為200.4 V。

圖5 B相電壓曲線

如圖6為C相電壓的對(duì)比曲線：黑色曲線為投入前電壓曲線，投入前最低電壓184.7 V，灰色曲線為投入后電壓曲線，投入后最低電壓205.9 V。

圖6 C相電壓曲線

5 結(jié) 語

本文針對(duì)低壓電壓在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，采用有功補(bǔ)償或無功補(bǔ)償+調(diào)壓組合的兩種方式，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，運(yùn)用無功功率補(bǔ)償和有功功率補(bǔ)償?shù)膬煞N實(shí)施方案，提了高功率因數(shù)，減小了三相不平衡，同時(shí)降低了變壓器和低壓線路的損耗，可以很大程度地減少電量損耗，從而達(dá)到提高電壓的效果，同時(shí)損耗達(dá)到最低。由于無功補(bǔ)償進(jìn)行的線路壓降計(jì)算與實(shí)際差距比較大，存在多重影響因素，低壓線路分支多，接頭多，線損增加等因素，各種因素給試驗(yàn)驗(yàn)證帶來較大影響，其升壓幅度主要是調(diào)壓器在起作用。對(duì)于樓頂分布式太陽能，因功率小，有功功率抬升電壓有限。但樓頂分布式光伏在形成群體效應(yīng)時(shí)，抬升電壓就會(huì)比較明顯。對(duì)于遠(yuǎn)離村中心的家庭，電壓低的情況較多，但其居住的樓頂是筆寶貴的資源，安裝分布式光伏發(fā)電，可為其帶來經(jīng)濟(jì)收入的同時(shí)，提高供電質(zhì)量，減少電費(fèi)負(fù)擔(dān)，意義特別重大。

注；本文通訊作者為趙小龍