基于無功補償方式排灌泵站電力系統(tǒng)設(shè)計分析

彭偉欽

(惠東縣機電排灌總站，廣東 惠東 516300)

目前，國內(nèi)水資源具備存儲量豐富、清潔、開發(fā)程度高和電力運行經(jīng)濟成本低等優(yōu)勢，使其不僅成為經(jīng)濟可靠的再生清潔資源，而且在水利水電技術(shù)開發(fā)中極為關(guān)鍵[1-2]。與傳統(tǒng)的水利設(shè)施配電系統(tǒng)組成進行比較，可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的水利工程配電系統(tǒng)通常采用無功補償方式優(yōu)化供電系統(tǒng)。無功補償作為優(yōu)化配電系統(tǒng)功率因數(shù)的重要設(shè)備，可以最大限度的優(yōu)化水利工程的輸出電能質(zhì)量，提升供配電系統(tǒng)的電力傳輸性能、穩(wěn)定性能和經(jīng)濟效益。

葉輝良在《水-風(fēng)-光微電網(wǎng)調(diào)壓模式與有功無功協(xié)同優(yōu)化方法》一文指出，水電站等水利工程內(nèi)安裝無功補償需要面對三類問題：①難以在水利電力系統(tǒng)中確定無功補償?shù)奈恢?；②電力系統(tǒng)電壓、電流設(shè)備如何優(yōu)化調(diào)節(jié)；③電源、功率負荷如何無功補償?shù)萚3]。其中，在電源、電力負荷補償中，需率先進行電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)電源電壓、電力功率傳輸過程中的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，開展水利電力系統(tǒng)無功補償方式有助于提升電網(wǎng)運行質(zhì)量安全，改善水利電壓質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和效率[4-5]。

本文通過無功補償方式優(yōu)化控制水利排灌泵站電力系統(tǒng)，首先，針對設(shè)計方案原則和補償方式進行對比分析；其次，深入分析、水利水電體系無功補償計算方式、軟/硬件設(shè)計和優(yōu)化策略，最終，得出無功補償在排灌泵站電力系統(tǒng)中的控制模式和保護體系，以期通過本文對水利水電無功補償方式的科學(xué)分析，為相似水利設(shè)施優(yōu)化調(diào)節(jié)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 排灌泵站電力系統(tǒng)無功補償設(shè)計方案及對比

1.1 電力系統(tǒng)無功補償方案設(shè)計原則

目前，排灌泵站是水利電力系統(tǒng)中水資源調(diào)節(jié)管理的關(guān)鍵設(shè)施措施之一，且由于：①當(dāng)水利電力系統(tǒng)負荷無功功率增大，有功功率保持不變時，傳輸電壓壓差明顯，電容量增大；②電力系統(tǒng)無功不均衡時，易導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生故障。為此，合理地采取無功補償方式降低排灌泵站電流、電壓功率和經(jīng)濟成本對水資源管理調(diào)控有重要意義，本文無功補償設(shè)計結(jié)果如圖1所示。通過圖1可知，電力系統(tǒng)在無功補償優(yōu)化過程中，主要設(shè)備為電流、電壓互感器、無功補償控制器、觸發(fā)單元、負荷、開關(guān)等。同時，在無功補償優(yōu)化設(shè)計過程中遵循以下3點原則：①當(dāng)水利排灌泵站有功率不變，負載功率降低時，采用無功功率就地平衡方式降低電力系統(tǒng)電容上升，電壓落差的問題，并依據(jù)電流、電壓負荷值進行無功補償設(shè)備優(yōu)化；②無功功率增大時，為平衡電力系統(tǒng)功率，及時優(yōu)化消減無功補償設(shè)備，保證電力系統(tǒng)功率參數(shù)指標(biāo)在穩(wěn)定、健康的范圍中運行。

圖1 水利水電無功補償方式總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 無功補償方案的確定

由于排灌站的負荷隨季節(jié)不同而變化，使用動態(tài)無功補償裝置來改善電能質(zhì)量，提高功率因數(shù)。而無功補償具體分為四種方式：集中補償、分組補償、隨變壓器補償、隨電機補償，在本項目中為了提升系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低電能消耗，選擇分組自動投切進行無功補償。

設(shè)計無功補償方案時，首先需要確定補償容量，然后根據(jù)排灌站安裝無功補償?shù)哪康氖欠€(wěn)定電能質(zhì)量，降低功率因數(shù)，來設(shè)計無功補償參數(shù)。

系統(tǒng)需要施加無功補償?shù)牧坑肣C表示：

(1)

也就是

(2)

式中：cosφ1和cosφ2分別為補償前后的系統(tǒng)功率因數(shù)；QC表示系統(tǒng)需要補償?shù)南到y(tǒng)無功容量，kVar；PAV表示系統(tǒng)最大有功功率，kW；QAV表示系統(tǒng)最大無功功率，kVar。

1.3 傳統(tǒng)無功補償與適應(yīng)性無功補償指標(biāo)對比

表1具體給出了水利水電體系中補償前、傳統(tǒng)補償方式和無功補償方式功率損耗、電壓合格率等指標(biāo)。通過表1可知，相較前兩者，無功補償各指標(biāo)均為最優(yōu)，其中電壓合格率高達100%，功率損耗為0.1 MW，三者最低，表明無功電壓、電流、電容、功率補償后，能實現(xiàn)電力系統(tǒng)均衡、高質(zhì)量發(fā)展。目前，傳統(tǒng)水電體系補償方式主要通過電力系統(tǒng)變電站首端輻射流向各節(jié)點，其缺點為，隨著傳輸距離的增加，電壓和電流值均降低，若低電壓在排水泵站存儲量豐富或貧乏區(qū)域工作，極可能發(fā)生倒流、停用或者網(wǎng)損的現(xiàn)象[6]。而相比較傳統(tǒng)方式，無功補償方式通過對傳輸無功功率、電壓、電流形成互助關(guān)系，將電壓、電流等長距離輸出穩(wěn)定建立在無功補償優(yōu)化調(diào)整的基礎(chǔ)上，即當(dāng)排灌泵站傳輸電壓出現(xiàn)降低或偏移時，通過對不同節(jié)點無功功率、電壓、電流等補償優(yōu)化，實現(xiàn)高水量區(qū)域高壓分配，低水量區(qū)域適壓分配，達到既降低經(jīng)濟成本，又提升高質(zhì)量輸電工作效率的目標(biāo)。

表1 傳統(tǒng)補償方式和適應(yīng)性補償指標(biāo)對比

2 電力系統(tǒng)無功補償工作原理

2.1 無功補償方案設(shè)計

本文為實現(xiàn)水利排灌泵站配電網(wǎng)絡(luò)全局穩(wěn)定的目標(biāo)，提出最適無功補償計算模型，通過計算分析配電網(wǎng)中節(jié)點位置、傳輸電壓、電容等參數(shù)指標(biāo)，提升排灌泵站配電網(wǎng)的電壓、電流穩(wěn)定性。其中配電系統(tǒng)中電壓同無功功率間的關(guān)系如下：

電源電壓U1與節(jié)點電壓U2的關(guān)系可用兩者間線路阻抗R和X，以及傳遞有功P2和無功Q2標(biāo)識如式(3)所示：

(3)

當(dāng)傳輸功率阻抗明顯時，本文通過進行無功補償優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)電壓和無功功率的均衡，見式(4)所示：

(4)

2.2 電力系統(tǒng)無功補償裝置軟/硬件設(shè)計

2.2.1 功能需求

采用無功補償裝置后，可實現(xiàn)自動投切，且將數(shù)據(jù)和動作記錄下來。主要功能需求如下：

1)獲取電網(wǎng)的電壓、母線電流等參數(shù)，并進行采集處理，在系統(tǒng)后臺計算后輸出電能質(zhì)量參數(shù)；

2)實現(xiàn)電容器組數(shù)自動投切，穩(wěn)定電能輸出質(zhì)量；

3)電網(wǎng)參數(shù)采集計算后顯示并記錄；

4)無功補償裝置模塊化動作記錄、狀態(tài)顯示；

5)實現(xiàn)完善的系統(tǒng)保護功能，如掉電保護、過流保護、欠壓過壓保護、電容超溫保護等。

2.2.2 硬件設(shè)計方案

為實現(xiàn)無功補償裝置的自動投切，并實現(xiàn)對無功補償裝置的監(jiān)控，需要在當(dāng)前水利配電體系中安裝無功補償控制系統(tǒng)，其主要硬件措施有以下幾部分所構(gòu)成：①控制裝置；②電源；③信號采集調(diào)理器；④時鐘模塊；⑤監(jiān)測控制裝置；⑥系統(tǒng)驅(qū)動裝置。其中，控制裝置主要優(yōu)化補償排灌泵站配電系統(tǒng)電壓、電流、無功功率等，控制系統(tǒng)的安全運行；電源裝置負責(zé)不同分級的工作電壓；時鐘模塊維持配電系統(tǒng)的時序穩(wěn)定[7]；監(jiān)測控制裝置及時報警配電體系不均衡現(xiàn)象，進而進行無功補償，實現(xiàn)調(diào)節(jié)無功的目的。

技術(shù)路徑為：通過信號采集調(diào)理器采集到電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)參數(shù)，如供電側(cè)電壓、負載側(cè)電壓、負載電流有功分量、負載電流無功分量等系列內(nèi)容，然后對采集到的信號進行處理，計算出系統(tǒng)需要進行無功補償?shù)娜萘考皩?dǎo)納值，進而得出投切的命令、投切的邏輯、投切的組數(shù)及觸發(fā)角。

2.2.3 軟件設(shè)計方案

排灌泵站配電體系無功補償控制硬件設(shè)施設(shè)計完成后，針對軟件控制、仿真調(diào)試等操作過程進行設(shè)計分析，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)無功補償目的。其中，軟件設(shè)計中形成以軟件編程，連接、仿真調(diào)試、無功補償優(yōu)化為一體化的無功補償方式，通過智能化C++語言或R語言優(yōu)化器和集成的軟件開發(fā)環(huán)境，即CCS進行排灌泵站配電體系無功補償軟件編程，一方面實現(xiàn)協(xié)同遠距離監(jiān)控報警和優(yōu)化調(diào)節(jié)服務(wù)，另一方面降低傳統(tǒng)方式人力資源和電流、電壓資源的浪費[7]。

無功補償后臺軟件主要分三大部分，第一是采集傳感部分，需要采集電網(wǎng)、用戶側(cè)及無功補償裝置自身的狀態(tài)信息，第二是通過內(nèi)置的無功補償策略自動選擇補償方式，也可以手動選擇，第三是實現(xiàn)無功補償?shù)淖詣油肚泻脱a償效果對比。

2.3 無功補償自動投切設(shè)計策略

當(dāng)前，水利排灌泵站受到其流量和配電系統(tǒng)電壓雙重限制，降低了其工作效率和安全性，而無功補償優(yōu)化設(shè)計即在實現(xiàn)電壓質(zhì)量和均衡性的前提下，提高水流量增益效率[8]。在無功補償設(shè)計中，其補償設(shè)備布局和配置容量極為關(guān)鍵，不僅影響無功電力平衡和無功優(yōu)化補償，而且有助于電網(wǎng)穩(wěn)定性和電壓、電流質(zhì)量提升。在我國排灌泵站電力系統(tǒng)設(shè)計中，基于無功補償?shù)膬?yōu)化設(shè)計措施相對較少，因此，造成排灌泵站在工作過程中網(wǎng)損嚴(yán)重，經(jīng)濟成本過高，因此，優(yōu)化設(shè)計方案中通過構(gòu)建無功補償優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進行調(diào)節(jié)。當(dāng)以排灌泵站水量為目標(biāo)函數(shù)時，在其滿足運行條件約束前提下，靠改變電網(wǎng)的電壓、無功分布來降低系統(tǒng)有功網(wǎng)損。其調(diào)節(jié)優(yōu)化模型如式(5)所示：

(5)

式中：f(x)min表示目標(biāo)函數(shù)；g(x)=0表示節(jié)點平衡方程式；h(x)min≤h(x)≤h(x)max為約束邊界條件。

通過多目標(biāo)函數(shù)進行排灌泵站電力系統(tǒng)多目標(biāo)的無功補償優(yōu)化設(shè)計。

在約束條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)排灌泵站運行高壓高水量，低壓停用的運行特征，選取最優(yōu)網(wǎng)損進一步優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)排灌泵站電力系統(tǒng)有功和無功補償均衡的約束條件，如式(6)所示：

其約束條件為

(6)

式中：n表示網(wǎng)絡(luò)總支路數(shù)；Ui、Uj分別為節(jié)點i、j的電壓；δi、δj分別為節(jié)點i、j的相角。

其約束條件表明，電壓在不同節(jié)點傳輸過程中，若傳輸通量充沛時，其排灌泵站水量經(jīng)濟效益補償達標(biāo)，若傳輸不充沛時，進行無功補償，實現(xiàn)水量經(jīng)濟目標(biāo)。約束目標(biāo)函數(shù)時進行各種無功電壓優(yōu)化控制的基礎(chǔ)。

3 排灌泵站配電系統(tǒng)無功補償控制系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

在排灌泵站電力系統(tǒng)中，無功補償在系統(tǒng)功能設(shè)計中具備實時數(shù)據(jù)采集、節(jié)點裝置控制、安全保護、數(shù)據(jù)記載、人機交互等諸多功能。在裝置控制功能中，能按照無功補償設(shè)置要求，有效保護水量、電壓量穩(wěn)定，實現(xiàn)兩者均衡發(fā)展；人機交互功能，有效實現(xiàn)了監(jiān)控、報警、開關(guān)控制于一體的電壓、電容、水量等無功補償[9]。

3.2 無功補償設(shè)施控制模式設(shè)計

圖2為本文電力系統(tǒng)無功控制模式設(shè)計流程。通過圖2可知，無功補償控制程序是控制模式的核心點，其控制包括啟動、電壓電流信息采集、SPLL系統(tǒng)電壓控制，人機互助控制指令，無功電流檢測和PWM波輸出過程。首先，本文排灌泵站電力系統(tǒng)以額定電壓為基礎(chǔ)，進行節(jié)點電壓無功補償，同時對電壓進行鎖相得到系統(tǒng)的頻率與相位，再采集電流進行瞬時無功計算。其次，SPLL系統(tǒng)電壓鎖程序采集電壓、電流信息，經(jīng)過調(diào)理、AD轉(zhuǎn)化后，通過瞬時功率得到排灌泵站電力系統(tǒng)中電壓相為和頻率。最終，再將電壓、電流進行矢量轉(zhuǎn)化，反饋至電力系統(tǒng)無功補償體系中，經(jīng)過與給定矢量值平衡分析后，通過均衡調(diào)理實現(xiàn)排灌泵站水資源的合理使用。

圖2 電力系統(tǒng)無功控制系統(tǒng)程序流程圖

3.3 無功補償裝置保護功能設(shè)計

排灌泵站在運行過程中，其電力系統(tǒng)無功保護設(shè)計是消除安全隱患的重要環(huán)節(jié)。首先進行電力系統(tǒng)PT斷線無功保護，通過對各節(jié)點無功功率進行判斷，以降低最大誤差出現(xiàn)，當(dāng)判斷電壓過高或設(shè)備停機時，及時優(yōu)化補償，修復(fù)故障。相比較PT斷線無功保護主要針對電流檢測判定，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)最大不均衡電流值時，依據(jù)水泵站工作現(xiàn)狀進行補償調(diào)整(可選取0.1倍系統(tǒng)額定電流)。同時在電流無功補償中，設(shè)計負載裝置保護設(shè)計，當(dāng)判定電流位處1.1×額定電流與1.2×額定電流間，證明電流負載裝置過載，需進行無功補償調(diào)整，具體通過裝置控制器傳輸報警信號、檢測故障發(fā)生位置，進而進行電壓無功補償調(diào)整[10]，及時修正出現(xiàn)電壓不穩(wěn)與排灌泵站工作效益不匹配的現(xiàn)象，以此，提高電網(wǎng)功率因數(shù)和供電效率，改善排灌泵站電力系統(tǒng)供電環(huán)境。

3.4 無功補償效果驗證

本文選擇在惠東縣機電排灌總站進行無功補償效果驗證。根據(jù)泵站管理規(guī)定，多臺泵組合運行，未安裝無功補償裝置前，輸出電網(wǎng)的功率因數(shù)在0.83～0.87之間，配備靜態(tài)無功補償后，輸出電網(wǎng)的功率因數(shù)提升至0.91～0.95之間，功率因數(shù)的提升，優(yōu)化了電力供應(yīng)和電網(wǎng)質(zhì)量。

根據(jù)國家電網(wǎng)的收費標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)功率因數(shù)低于0.85時，會根據(jù)功率因數(shù)的高低進行電費調(diào)整，具體見表2。

表2 功率因數(shù)調(diào)整電費表

根據(jù)表2可以看出，本排灌總站在安裝無功補償裝置后，大幅度降低了泵站的電費支出，提高了電網(wǎng)質(zhì)量，提高了泵站的經(jīng)濟效益[11]。所以，增加無功補償裝置是調(diào)整泵站電力質(zhì)量的有力措施。

4 結(jié) 語

本文通過方案的設(shè)計和參數(shù)的比較，分析了系統(tǒng)功能、控制功能和保護功能，優(yōu)化了水利排灌泵站電力體系的功率因數(shù)，并以此得到以下結(jié)論。

1)促進電力穩(wěn)定。排灌泵站水電體系不采取無功補償優(yōu)化調(diào)試方式，不僅會輕易致使電壓、傳輸功率穩(wěn)定性不足，而且使排灌泵站出現(xiàn)水資源供應(yīng)不足、倒流等安全隱患現(xiàn)象。

2)提升電能質(zhì)量。合理的選取電力體系無功補償裝置，能有效提升電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量安全，同時能最大限度降低網(wǎng)損。

3)增加經(jīng)濟效益。通過加裝合理的無功補償裝置，使得濾波裝置消耗掉了電網(wǎng)中的無功功率，提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)，改善了電能質(zhì)量，對于泵站本身的電能消耗將持續(xù)進行降低，提高泵站的經(jīng)濟效益。