低壓臺區(qū)配電三相不平衡無功補(bǔ)償方法研究

張喆 ， 鄧思陽， 張曉惠， 李毅靖， 謝國榮， 張翔

(1. 國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司， 北京 100031；2. 國網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司， 福建， 福州 355003)

0 引言

無功功率屬于電力交流設(shè)計(jì)與運(yùn)行過程中的核心元素，很多配電與用電元件不可缺少無功功率，例如變壓器、空調(diào)設(shè)備等[1]。因電力系統(tǒng)貫穿于社會、人們的日常生活，因此優(yōu)化電網(wǎng)工作質(zhì)量、增大電網(wǎng)功率因數(shù)、降低網(wǎng)絡(luò)損失對社會發(fā)展、人類生存安全均具有重要意義[2]。根據(jù)相關(guān)材料記載，在輸電線路、高壓配電網(wǎng)、低壓臺區(qū)的線損中，低壓臺區(qū)線損程度最為顯著[3]。無功功率主要通過上級電網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸，由于不能及時掌握無功潮流的變化情況，無功功率的補(bǔ)償便存在一定困難[4]。為此，本文提出低壓臺區(qū)配電三相不平衡無功補(bǔ)償方法。

1 方法設(shè)計(jì)

1.1 基于最大節(jié)約網(wǎng)損的補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)定位

低壓臺區(qū)配電系統(tǒng)中的有功損耗總值QLsum為每個支路里有功損耗之和，則存在以下關(guān)系式：

(1)

Ij=Ibj+Isj

(2)

其中，m表示支路數(shù)量，在低壓臺區(qū)配電三相不平衡情況下支路j中電流總值與電阻依次是Ij、Rj，其有功電流與無功電流依次是Ibj、Isj。

將式(2)代入式(1)，則存在：

(3)

在低壓臺區(qū)配電網(wǎng)各個節(jié)點(diǎn)設(shè)置補(bǔ)償電容器，能夠控制低壓臺區(qū)配電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)里無功功率的流動，能夠降低網(wǎng)損，提升供電質(zhì)量[5]。其中，輻射狀低壓臺區(qū)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 輻射狀低壓臺區(qū)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)中，某個節(jié)點(diǎn)中無功負(fù)荷的變動僅干擾源節(jié)點(diǎn)每個支路中無功電流，其余支路中無功電流的流動不存在變化[6]。

圖1中，Hm表示低壓臺區(qū)處于配電三相不平衡狀態(tài)的支路，1、2、3、…、9表示不同的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。以節(jié)點(diǎn)7為例，它的前序支路是H1、H6、H7，所以在進(jìn)行補(bǔ)償前，需要計(jì)算低壓臺區(qū)配電系統(tǒng)源節(jié)點(diǎn)至節(jié)點(diǎn)i因無功電流流動而產(chǎn)生的有功網(wǎng)損[7]表示為

(4)

在節(jié)點(diǎn)i中設(shè)置補(bǔ)償電容器后，補(bǔ)償電流為ID，補(bǔ)償后源節(jié)點(diǎn)至節(jié)點(diǎn)i因無功電流流動而產(chǎn)生的有功網(wǎng)損表示為

(5)

節(jié)約的有功網(wǎng)損的計(jì)算式如下：

(6)

計(jì)算當(dāng)節(jié)約的有功網(wǎng)損ΔQ為最大值時的ID：

(7)

(8)

所以，低壓臺區(qū)配電三相不平衡狀態(tài)下需無功補(bǔ)償?shù)碾娙萘渴牵?/p>

Pi=UiID

(9)

其中，Ui為低壓臺區(qū)配電系統(tǒng)電壓[8]。

1.2 構(gòu)建三相不平衡無功補(bǔ)償模型

(10)

其中，I為繼電器的電流，β為功率因數(shù)。

(11)

(12)

(13)

去除正序線電流的虛部以便進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，令系統(tǒng)功率因數(shù)總值是1，則符合：

(14)

低壓臺區(qū)配電三相不平衡無功補(bǔ)償模型為

(15)

2 實(shí)驗(yàn)分析

為測試低壓臺區(qū)配電三相不平衡無功補(bǔ)償方法有效性，將該方法應(yīng)用至某地區(qū)的低壓臺區(qū)配電三相不平衡無功補(bǔ)償作業(yè)中。低壓臺區(qū)配電系統(tǒng)三相電壓分別是U1=221、U2=221β2、U3=221β，單位是V，頻率是55 Hz；不平衡負(fù)載的有功功率分別是Q1=25、Q2=35、Q3=45，單位是kW；無功功率分別是P1=27、P2=40、P3=45，單位是kvar。

本文方法補(bǔ)償前后的低壓臺區(qū)配電系統(tǒng)的功率因數(shù)、無功功率、三相電流詳情見表1。

表1 補(bǔ)償前后功率因數(shù)、無功功率、三相電流詳情

分析表1可知，補(bǔ)償前低壓臺區(qū)配電系統(tǒng)負(fù)載的三相電流非對稱，功率因數(shù)值不等于1，補(bǔ)償后三相功率因數(shù)大于1，三相電流基本對稱，因此驗(yàn)證了本文方法的補(bǔ)償效果有效。

圖2為補(bǔ)償前后網(wǎng)損與電能損耗費(fèi)用。

圖2 補(bǔ)償前后網(wǎng)損與費(fèi)用

分析圖2可知，在利用本文方法進(jìn)行補(bǔ)償后，網(wǎng)損與電能損耗費(fèi)用明顯下降。

該低壓臺區(qū)配電系統(tǒng)中，隨意提取10個節(jié)點(diǎn)，測試此組節(jié)點(diǎn)在利用本文方法進(jìn)行補(bǔ)償前后節(jié)點(diǎn)電壓的變化情況。測試結(jié)果如表2所示。

分析圖2與表2可知：在采用本文方法進(jìn)行補(bǔ)償后，低壓臺區(qū)配電系統(tǒng)的電能損耗費(fèi)用降低了40.517 7萬元，經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越顯著；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓最小值從0.892 8 V提升至0.928 6 V，電能質(zhì)量得以優(yōu)化。

表2 補(bǔ)償前后節(jié)點(diǎn)變壓變化情況

3 總結(jié)

本文根據(jù)低壓臺區(qū)配電系統(tǒng)的詳細(xì)情況，利用基于最大節(jié)約網(wǎng)損的補(bǔ)償點(diǎn)定位方法進(jìn)行低壓臺區(qū)配電三相不平衡無功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確定位。在此基礎(chǔ)上，使用三相不平衡無功補(bǔ)償模型，對所定位的待補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三相不平衡無功補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量的優(yōu)化，可以在實(shí)際中進(jìn)一步推廣與使用，以保障我國配電系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。