配電網無功補償對電壓和線損的影響

李津津

(云南電網公司昆明供電局，昆明 650011)

配電網無功補償對電壓和線損的影響

李津津

(云南電網公司昆明供電局，昆明 650011)

無功補償設備是配電網系統的重要組成部分，通過投入電容器進行無功補償是配電網改善電壓質量的有效手段，但不同的補償方式其經濟性是不相同的。串、并聯兩種無功補償方式在改善電壓質量及降低線損率方面各有優缺點。通過對配電網并聯補償和串聯補償兩種方式建立等值模型并進行理論計算和仿真分析，深入探討其對電壓和線損的影響并作綜合比較。

無功補償；串聯；并聯；電壓質量；線損；仿真

0 前言

無功補償設備是配電網不可或缺的的重要組成部分，它能保持網絡無功平衡，提高電壓水平，在日常運行中常通過投、切電容器的方法調整電壓。在國內配電網中廣泛采用并聯無功補償技術以提高配電網電能質量，而串聯補償方式較少得到應用。但經理論推導證明和部分歐美發達國家的實際運行經驗表明[1]，串聯補償技術在電壓穩定、潮流控制方面效果優于傳統的并聯補償[2]。在國內配電網中廣泛采用并聯無功補償技術以達到提高配電網電能質量，降低線損的目的。然而，并聯補償本身存在著對節點電壓和潮流控制能力較弱，以及產生補償效果后通常只使節點附近的區域收益的局限。因此，并聯補償并不是配電網解決電能質量問題的惟一選擇。

電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性電抗，在運行過程中需要向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝并聯電容器、同步調相機等容性設備以后，可以供給感性電抗消耗的部分無功功率，即抵消了部分感性電流，減少了無功功率在電網中的流動。因此并聯補償可以降低輸電線路因輸送無功功率造成的電能損耗，改善電網的運行條件[3]。

在配電網中，大部分的電壓降是由線路電感引起的，串聯補償可使負載波動引起的電壓下降減少。電容器串聯補償將很大程度上抵消線路電感產生的壓降，使得線路壓降大大降低，負荷側電壓更加接近于系統側電壓。由于串聯電容其實是一個無源的電路元件，其響應自發而迅速，因此，串聯補償有助于電壓調節，可較好地解決電壓閃變問題[4]。然而串聯補償的缺點也是顯而易見的，比如可能發生次同步振蕩以及損耗增加等。

本文將基于MATLAB 7.0/Simulink的電力系統仿真模塊集 (Power Systems Blockset)建立仿真模型，就串聯補償和并聯兩種補償方式進行仿真和定量計算，通過不同補償容量下的電壓、線損取值作曲線擬合，對兩種方式在電壓控制和節能降損兩方面進行綜合分析比較。

1 仿真模型

某110 kV變電站A為線路變壓器組運行方式，主網供電線路導線型號為長20 km的LGJ-240/30鋼芯鋁絞線，主變型號為 SZ11-50000/ 110GY，其最高負荷達38 MW，功率因素0.977。由于該站沒有無功補償設備，在最高負荷時其10 kV母線電壓越下限 (9.994 kV)。以下將通過模擬兩種補償方式，計算得出電壓、線損與補償容量/容抗的關系并尋求提高電壓質量和降低損耗的方法。

Simulink仿真模塊中基于電氣原理圖的輸電線路模型有 “π”型等值模型和分布參數模型兩種。分布參數等值電路雖能較好反應行波傳播過程與電壓變化，但由于導線、大地之間的肌膚效應，分布參數線路模塊也不能準確地描述線路RLC參數的依頻特性[5]，故仿真線路采用較為簡化的 “π”型等值模型。

由于Simulink仿真系統中的變壓器模塊不能直接輸入短路損耗、空載損耗、空載電流百分比、短路電壓百分比等銘牌參數而需要輸入一、二次側的漏阻抗標幺值及勵磁阻抗標幺值，故根據變壓器銘牌參數進行換算，折算成高壓側阻抗值標么值與低壓側阻抗標么值相等的 “π”型等值電路[6]。

仿真計算中負荷采用靜態模型，取變電站A主變最大負荷38 MW，無功8.3 MVar。

2 仿真分析

2.1 并聯電容器補償

并聯補償等值電路如圖1所示：

圖1 并聯補償等值電路

補償前線損及線損率：22+2

補償后線損及線損率：

由式 (4)可知，線損率與補償容量關系近似為以x=Q為對稱軸的拋物線。下面將通過仿真進行論證，仿真電路如圖2所示：

圖2 并聯補償仿真電路

仿真電壓計算結果如圖3所示 (單位 kV，Ω)：

由圖3可知，電壓隨無功補償容量增加而呈直線上升趨勢，當補償容量在0.1 MVar以上時10 kV母線電壓不越下限，當補償容量在10.4 Mvar以下時10 kV母線電壓不越上限。投入電容器12 Mvar可使10 kV母線電壓提升0.8 kV，表明并聯電容器對提升負荷端電壓有積極的作用。

仿真線損率計算結果如圖4所示 (單位 %，Ω)：

圖3 10kV母線電壓與并聯補償容量關系曲線

圖4 線損率與并聯補償容量關系曲線

由圖4可知，并聯補償容量在7 MVar以下時線損率隨補償容量增加而降低，補償7 MVar左右時線損率達到最低，補償過量將導致線損率反升。曲線近似以Q=7 Mvar為對稱軸，與理論推導結果Q≈8.3 Mvar存在一定偏差，其主要原因線路仿真模型為 “π”型，由于存在電容效應，部分感性電流被抵消。

以上表明，當補償容量適當時，并聯補償既能起到調節電壓的作用也能達到降低線損的效果。

2.2 串聯電容器補償

串聯補償等值電路如圖5所示：

圖5 串聯補償等值電路

由于串聯電容器抵消輸電線路大量感性無功使得線路壓降大幅減小，所以串聯補償線損率不能用式 (4)來近似表達，故直接通過仿真數據來說明串聯補償對電壓和線損的影響。仿真電路如圖6所示：

圖6 串聯補償仿真電路

仿真電壓計算結果如圖7所示 (單位 kV，Ω)：

圖7 10kV母線電壓與串補容抗關系曲線圖

圖8 線損率與串補容抗關系曲線圖

由圖7可知，串補容抗在1 000 Ω以下時，電壓隨補償容量增大而升高 (因線路電流變化相對容抗變化可以忽略，所以近似有Q=-I2XC，但此時討論串聯補償容量與并聯補償容量不具可比性)。在串補容抗約為1 000 Ω時，母線電壓最高，達到11.27 kV，此時已越上限。容抗超過1 000 Ω時，母線電壓反而降低，此時線路壓降已由 “感性壓降”變為 “容性壓降”。投入串聯電容器最多可使母線電壓升高1.276 kV，調壓效果優于并聯補償。

仿真線損率計算結果如圖8所示 (單位%，Ω)：

由圖8可知，串補容抗增大，線損率也隨之增加。雖然容抗繼續增大到一定程度線損會降低，但此時系統已呈容性，可能會出現次同步諧振以及發電機由于向容性系統供電而可能發生自勵磁等現象，這些情況都是不符合系統穩定要求的，因此不予考慮。

以上表明，串聯補償通常只能起到調節電壓的作用而不能達到降低線損的效果。

3 結束語

綜合以上分析可知，并聯補償既能調節電壓又能降低線損，但對于重負荷、長線路、多級串供的配電網來說效果均不明顯且存在局限，性能比較中庸。串聯補償調壓效果優異，潮流控制能力強，但是經濟性較差，且存在特殊情況下的穩定性問題。串補通常應用在超高壓輸電系統中以提高極限輸送功率，由于國內配電網系統大多為放射式、T接式等供電方式，并不適合串補的推廣應用。考慮到綜合線損率是各供電企業的重要考核指標，配電網宜優先采用穩定性與經濟性兼顧的傳統并聯補償方式而不推薦使用串聯補償。

[1] 王忠清，楊建寧.談晶閘管投切電容器TSC的觸發電路[J].電力電容器，2007，28(4)：30-36.

[2] 趙文忠，王東平.串聯無功補償技術在配電網中的應用分析 [J].低壓電器，2010，5：37-44.

[3] 王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制與無功功率補償 [M].北京：機械工業出版社，2006.

[4] 艾述亮，丁輝.淺談無功補償 [J].科技風，2008，04：13-15.

[5] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統建模與仿真[M].北京：機械工業出版社，2011，5.

[6] 王希平，李文才，李燕，等.基于Simulink配電變壓器模型的建立及仿真 [J].自動化技術與應用，2009，28 (29)：124-132.

Analysis on Effect of Reactive Series，Parallel Power Compensation on Voltage and Line Loss in Power Distribution Network

LI Jinjin
(Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650011)

Reactive power compensation devices of distribution network are important components of the system and it is an effective way to improve voltage quality through bringing capacitances into service.However，the economical efficiencies of different ways of reactive compensation are not the same.The two kinds of reactive power compensation what are series and parallel both have advantages and disadvantages in improving the voltage quality and reduce the loss rate.This article shunt compensation and series compensation to build models and theoretical calculations and simulation analysis，the depth of its distribution network voltage and line loss based on the distribution network.

reactive compensation；series；parallel；voltage quality；line loss；simulation

TM75

B

1006-7345(2014)06-0097-03

2014-07-08

李津津 (1988)，男，助理工程師，云南電網公司昆明供電局，從事電網運行及繼電保護管理工作 (e-mail)291114635＠qq.com。