自貢電網無功補償及其優化

劉代順，常建磊

(自貢供電局，四川自貢 643000)

近年來，由于電網容量的增加，電網無功功率的要求也日益明顯。無功功率如同有功功率電源一樣，是保證電力系統電能質量、降低電網損耗以及保障系統安全運行的重要因素。系統中無功功率不平衡，輕則導致系統電壓下降，重則會導致設備損壞、系統解列［1－2］。此外，系統的功率因數和電壓降低，會使電氣設備得不到充分利用，促使網絡傳輸能力下降，損耗增加。因此，無功功率平衡對電力系統降損節能有著極其重要的意義。

電力系統中無功功率主要體現在兩類電力系統元件上，即電力變壓器和輸電線路。變壓器中的無功功率損耗可分為兩個部分，即勵磁支路損耗和繞組漏抗損耗。對單級變壓器的網絡而言，滿載時約為它額定容量的百分之幾。但在多電壓等級網絡中，變壓器的無功功率相當可觀。某五級變壓網絡(10/220 kV升壓，220/110，110/35，35/10，10/0.4 kV 降壓)中變壓器的損耗統計如表1。輸電線路上無功功率也包含兩個部分，即并聯電納和串聯電抗中的無功功率損耗。并聯電納中的無功呈容性，即是充電功率，與線路上的電壓成正比。而串聯電抗中這種損耗與復合電流的平方成正比，呈感性。

表1 某五級變壓網絡中變壓器損耗統計［2］

線路作為電力系統的一個元件究竟是消耗容性或感性的無功是不能肯定的。若按自然功率的概念，當輸電線路功率大于自然功率時，線路消耗的感性無功;當輸電線路功率小于自然功率時，線路消耗的容性無功。

1 四川自貢電網的無功補償情況

截至2010年年底，自貢電網現有變電容量1 906.5 MVA，主變壓器52臺。其中220 kV主變壓器7臺，主變壓器總容量930 MVA;并聯電容器容量為56.112 Mvar;110 kV主變壓器26臺，主變壓器總容量968.5 MVA;110 kV電網容性裝置配置容量76.6 Mvar;35 kV主變壓器19臺，主變壓器總容量為108 MVA，35kV電網容性裝置配置容量6.504 Mvar。

圖1 自貢電網主變壓器無功補償統計

隨著負荷快速增長，部分變電站高峰負荷時主變壓器高壓側功率因數達不到0.95，變電站無功補償容量不足。無功補償容量不足同樣也導致電網電壓控制困難，負荷中心無功平衡脆弱，特別是榮縣地區負荷增長較快，無功不足更突出。向家嶺電網不能實現無功分層就地平衡，電壓降明顯增大。

2 無功功率補償的措施

電力系統中的有功功率主要集中在各類發電廠中的發電機。無功功率電源除發電機外，還有電容器、調相機和靜止補償器等，分散在各變電站(所)。供應有功功率和電能必須消耗能源，但無功功率電源一旦設置后，就可隨時使用而不再有其他經常性費用。此外，系統中的無功功率損耗遠大于有功功率損耗，且無功補償措施需要是多種方法相結合。

2.1 發電機

正常運行狀態下的發電機總受一定條件，如定子繞組溫升、勵磁繞組溫升、原動機功率等的約束。這些約束條件決定了發電機組發出的有功功率和無功功率有一定的限額。

定子繞組溫升決定了定子繞組電流，也就決定了發電機的視在功率。在發電機額定電壓UN下運行時，約束條件體現在其運行點不得超出以O點為圓心，以OC為半徑的圓弧。勵磁繞組溫升決定了勵磁繞組的電流，決定發電機的空載電動勢，即空載電勢不得大于EqN，約束條件體現在其運行點不得超出以O'點為圓心，以O'B為半徑的圓弧。原動機和定子端部溫升約束條件分別體現在線段BC和AB。發電機的運行范圍即四邊形ABCD內，產生的無功功率有限，大部分時間需要外部進行補償。

2.2 電容器和調相機

圖2 發電機運行極限圖［2］

并聯電容器是常用的無功補償措施，它只能向系統提供感性無功功率，功率的大小與其端電壓的平方成正比。調相機與發電機工作原理類似，但不同在于其相當于只能發無功功率的發電機。調相機發出的無功與勵磁狀態有關，過勵磁運行時向系統供應感性無功功率;欠勵磁時吸取感性無功功率。

2.3 靜止補償器和靜止調相機

靜止補償器全稱是靜止無功功率補償器(SVC)，主要有TCR型、TSC型和SR型。

TCR型補償器由多個不可控的電容器構成，如圖3(a)所示，圖中與電容串聯的電感則與其構成串聯諧振電路，兼作高次諧波的濾波器。TSC型補償器如圖3(b)所示，其工作原理相對簡單，僅以晶閘管開關取代了常規電容器的機械開關。圖3(c)中SR型補償器的濾波回路與TCR型相似，與飽和電抗器相串聯的電容則用以校正飽和電抗器的伏安特性。

調相機、TCR型和SR型補償器可以發出感性和容性無功功率，而電容器和TSC型補償器只能發出容性而不能發出感性無功。從控制方式和靈活性而言，調相機和TCR型補償器較優。從反應速度看，三類靜止補償器則較優，其他方面詳見表2所示。因此，選擇無功補償裝置應綜合考慮各特性，做到既經濟又有效。

2.4 并聯電抗器

對電力網絡中的感性無功功率，并聯電抗器顯然不是電源，而是負荷，但在一些電力系統中確實裝有這種設施，用以吸收系統輕載或空載時線路上過剩的感性無功功率。

3 無功功率補償的優化

由第一節對自貢電網無功補償現狀分析可知，無功補償主要集中在各變電站(所)，對榮縣某負荷增長較快的長線路，無功功率補償顯著不足。現定量分析其補償方式［4－5］如下。

圖3 靜止補償器原理圖

表2 電容器、調相機和靜止補償器的特性比較

3.1 單點補償方式

圖4 長線路單點補償示意圖

假定線路全長L，單位長度的無功負荷密度Q0，若在距線路起點距離為Lab補償容量為Qc的無功功率補償點，由補償點至線路末端，即Lab無功潮流為

由起始點至補償點，即前段L無功潮流為

補償后，電力網絡中損耗減小的數值可表示為

對△P求極值，可令在偏導數?△P/?Qc=0，且?△P/?Lc=0，可得

由上式可解出，Qc=2LQ0/3=2QR/3，Lc=2L/3，QR為全網線路所需補償無功功率，即當Qc和Lc滿足上述條件時，補償效果最好，線損下降最大。在此情況下

線損下降率:

3.2 多點補償方式

為優化線路無功功率補償，下面討論多點補償方式下的補償情況。由圖5(c)及單點補償推導方法可得無功功率多點補償的計算式。

第i組補償器安裝位置為

每一組補償器的最佳補償容量和總補償容量分別為

其中，QR為線路所需無功補償總容量。此補償情況下，補償度和線路損耗下降率分別為

單點補償和多點補償方式下，網絡中線路無功功率潮流分布與無補償的情況如圖5所示。LQ0為長線路總的無功負荷。

圖5 補償前后無功潮流分布圖

計算了單點、兩點、三點和五點補償的補償位置、容量、補償度和線損下降率。單點補償時，補償度和線損下降率可分別達66.67%和88.89%;而兩點補償時，補償度和線損下降率僅改變13.33%和6.11%。補償點超過兩點，補償的經濟性顯著下降，詳見表3。

4 結論

通過四川自貢電網運行經驗和對無功補償現狀的簡要分析，指出系統運行的薄弱環節——無功功率補償，尤其是長線路的無功功率補償。在分析各類無功功率補償裝置工作原理的基礎上，對比其各自的優缺點，有利于無功補償裝置的合理配置。在傳統電容器組補償基礎上，應合理引入各類可連續控制的靜止補償器。針對線路補償問題，詳細討論了單點補償和多點補償的補償效果，對線路無功功率補償提供了量化參考依據，一般線路單點補償可到線損下降80%左右，隨著補償點的增多，線損下降率降低速度顯著放緩。

表3 線路無功功率補償方案分析

［1］劉振亞.特高壓電網［M］.北京:中國經濟出版社，2005.

［2］陳珩.電力系統穩態分析(第三版)［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［3］劉從洪，鄧曉林.10 kV線路無功補償技術在農網中的應用分析［J］.四川電力技術，2010，33(6):40 －42.

［4］靳龍章，丁毓山.電網無功補償使用技術［M］.北京:中國水利電力出版社，1997.

［5］杜兵.智能配電網無功優化應用研究［J］.四川電力技術，2010，33(6):34 －36.