基于開環控制的啟備變電源系統無功補償控制策略研究

梁延旗，胡一峰，朱 磊

（1.中鋼集團工程設計研究院有限公司石家莊設計院，河北石家莊050021；2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082；3.安徽天沃電氣技術有限公司，安徽合肥 230031）

1 引言

在現代電力系統中，大量的感性與非線性負荷接入電網，給系統造成了一定的無功和諧波污染。變壓器和輸電線纜在某種意義上說也是一種污染源，它們在工作的過程中會產生感性或容性的無功流入系統，影響系統功率因數的考核。啟備變是一種特殊的變壓器，它是主要為發電機、主變壓器等設備啟動提供電源的一種電源變壓器。啟備變一般在電廠應用較多，是在主用的變壓器事故、故障、檢修、雷擊跳閘等情況時，啟備變帶負荷運行，以保證電網運行穩定。

由于啟備變工作模式的特殊性，其長期處于熱備用狀態。通常情況下，啟備變高壓側電壓等級高且電纜線路較長，這導致電纜對地充電無功功率較高，此部分容性電容難以被變壓器自身感性無功和低壓負載運行所需的感性無功所抵消，導致在電力公司考核點側功率因數很低，僅為0.5以下，力調電費罰款嚴重[1]。

在電力系統中，并聯無功補償裝置是用于改善線路功率因數的一種常用技術。由于在含啟備變配電網中，功率因數計量點通常在電力公司側，而電力公司到啟備變通常是由幾千米的高壓電纜連接，這部分電纜產生的對地充電功率受負荷率大小、系統電壓高低、電纜種類等多方面因素影響，這就使得用戶對這部分倒送的無功功率不可控制，難以很好地補償。與啟備變配電系統類似，季節性生產作業工廠、城市公共樓宇和大型學校等在淡季負荷很小、夜晚無負荷以及節假期間，高壓側充電無功功率導致的功率因數低問題都難以解決，存在很多罰款現象，給企業帶來了不必要的損失。

本文正是基于這一背景，研究了一種基于開環控制的啟備變電源系統無功補償控制策略，并通過仿真，驗證了該控制策略的合理性與科學性，為類似工程問題拓展了解決思路，對傳統無功補償裝置控制策略進行了一次有意義的擴充和完善。

2 基于啟備變系統阻抗模型的無功潮流分析

2.1 啟備變系統阻抗模型

電力系統簡化電路如圖1（a）所示，其數學模型如圖 1（b）所示[2]。

圖1 電力系統簡化電路及數學等效模型

設負荷側A點總視在功率為：

變壓器繞組中功率損耗：

則線路末端視在功率：

考慮到線路充電電容分布在線路兩端，則電纜充電功率為：

電流流過電纜會在其線路上產生損耗，則線路損耗為：

其中，SL=SB-QLC。

則公共連接點處視在功率：

由以上關系可以得到P C C點功率因數：

2.2 無功潮流分析

啟備變系統功率因數高低可在三種工作模式下分別研究[3]：

（1）空載熱備用

空載熱備用是此類系統的長期工作狀態，此時無功的來源有變壓器維持自身自感所需要的無功以及啟備變高壓側電纜的充電容性無功。由于啟備變熱備用時無負荷，有功功率主要來源于線路損耗和變壓器銅耗，這相比整個系統的無功功率來說很低，導致了高壓側供電局考核點功率因數只有0.3左右。

（2）輕載運行

啟備變在機組檢修時帶輕載運行，此時主要負荷為照明、水泵和風機等必要工作設備，有功和無功都有所增加。此時無功的來源主要有電纜對地的容性無功、變壓器感性無功和照明風機等負荷的少量感性無功。但是由于負荷多為小功率感性負荷，有功功率雖有所增加，但無功功率依然很大，功率因數不能達標。

（3）滿載運行

發電機組啟動，啟備變滿載運行。此時啟備變為全廠負荷供電，有功功率達到最大且有功的增幅大于無功的增幅，系統功率因數最高。根據變壓器負載率的不同，此時考核點功率因數會有差別。盡管此時功率因數可能滿足要求，但此工作模式通常只有幾個小時，以致啟備變系統考核點月平均功率因數仍然很低。

根據啟備變系統無功潮流分析可得示意圖如圖2[4]所示。

圖2 啟備變系統無功潮流示意圖

3 啟備變系統仿真研究

3.1 負荷有功功率變化對（電力公司）考核點功率因數的影響

根據上述系統模型，對某啟備變系統進行仿真。其中系統額定電壓110k V，長度為80k m，采用L G J—150電纜，其參數為r0=0.21Ω/k m，x0=0.416 Ω/k m，b0=2.74×10-6S/k m。變電所中裝有一臺三相110/11k V的變壓器，容量為15M V A，其參數為ΔP0=40.5k W，ΔPS=128kW，US%=10.5，Ⅰ0%=3.5。設負荷無功功率不變，有功功率變化，得到負荷有功功率和P C C點功率因數關系曲線如圖3所示。

圖3 負荷有功變化對P C C點功率因數影響曲線

由仿真結果可以看出，隨著負荷有功功率的增大，系統功率因數增加，當負荷有功足夠大時，P C C點功率因數為1。在啟備變系統中，只有當機組啟動，啟備變帶高負載時，系統功率因數才可能達標，這個過程通常比較短暫。負荷有功功率的大小雖然可以對P C C點功率因數產生一定的影響，但在考慮治理裝置時，我們不能為了提高考核點功率因數而增大負載有功，這樣既不滿足系統正常運行需要，也不滿足經濟性要求。

3.2 負荷無功功率變化對（電力公司）考核點功率因數的影響

根據以上系統參數，研究在有功一定的情況下，負載無功（感性）變化對P C C點功率因數的影響，得到圖4仿真曲線。

圖4 負荷無功變化對P C C點功率因數影響曲線

仿真參數中負載有功功率很小，這和啟備變長期熱備用狀態類似。由仿真結果可知：在負載有功功率一定的情況下，隨著負載無功功率的增大，P C C點處功率因數會先增大后減小。當負載有功和無功均為0時，相當于啟備變空載熱備用，此時考核點功率因數為0.72左右，這主要是線路充電無功導致的。當負載無功功率增大到某一臨界值，P C C點處感性無功功率和電纜充電容性無功功率相抵消，此時考核點功率因數為1，達到最高。若此時無功功率繼續增大，考核點功率因數會降低，在極限情況下，功率因數為0。根據此仿真結果，若在負載側增裝無功補償裝置，控制其輸出的無功功率在功率因數臨界點，并可根據負載有功的變化在容性和感性之間動態輸出，則可以起到調節考核點功率因數的作用。

3.3（電力公司）考核點電壓變化對考核點功率因數的影響

設系統考核點電壓在-10%～10%額定電壓內變化，負載功率不變。由此可得線路充電無功功率、考核點功率因數與電壓變化曲線如圖5所示。

圖5 考核點電壓變化對P C C點功率因數影響曲線

由仿真結果可知，線路充電功率的大小和線路電壓的平方成正比例關系，隨著考核點電壓的升高，線路充電功率逐漸增大。在負載不變的情況下，隨著線路充電功率的增大，考核點向系統倒送的容性充電無功也在增大，這將導致其功率因數降低。仿真結果中，負荷功率S1gt;S2gt;S3，隨著負荷功率的增加，考核點功率因數也會相應增加，可見考核點功率因數與系統阻抗參數、負載電壓、電流等因數有關，如何對這三個約束條件的有效檢測和控制，是提升考核點功率因數的關鍵。

4 無功控制策略的研究

4.1 控制策略

圖6 控制策略流程圖

通過計算可得到考核點功率因數與其關聯變量之間對應關系?？刂浦卫硌b置補償無功功率的輸出，既可實現控制考核點功率因數的目標。需要注意的是，在系統安全經濟運行范圍內，各變量需滿足一定約束條件。其中根據G B/T12325-2008《電能質量供電電壓偏差》[7]所規定，35k V及以上供電電壓偏差絕對值之和不超過標稱電壓的10%，既在啟備變系統處于空載熱備用狀態下，其供電額定電壓不得超過國標要求的范圍。

4.2 控制策略的仿真研究

M C R型S V C接入系統示意圖如圖7所示。

圖7 MC R型S V C接入系統示意圖

根據上述控制策略，仿真可得M C R型S V C投入后其輸出功率曲線如圖8所示。

在電力系統中，并聯無功補償裝置是提高系統功率因數的一種有效手段。由于啟備變系統工作模式多變，有功功率很小無功功率很大，想把功率因數鎖定在一個較高的數值是比較困難的。隨著電力電子技術的發展，有源型靜止無功補償裝置（S V G）已經普遍使用，它即可以輸出容性無功也可以輸出感性無功，且補償過程中可以實現無級動態補償。但由于啟備變系統變壓器低壓側電壓等級較高，采用S V G成本較高，經濟性差。而使用傳統并聯固定電抗器又無法根據系統負載的變化實時調節，難以保證功率因數在一個較高的數值。因此，采用M C R型S V C可以較好的解決這一問題。它可以實時檢測負載電壓、電流等參數，通過控制器運算相應的控制變量，對電容器組和磁控電抗器實施快速準確控制。控制器通過自動調節磁控電抗器的晶閘管控制角，改變繞組直流電流大小控制鐵芯飽和，實現電抗值連續可調，進而平滑調節磁控電抗器容量以達到準確可靠的平衡系統無功、穩定母線電壓和鎖定功率因數。在啟備變空載熱備用時，M C R也可以輸出感性無功以消除電纜充電無功功率。因此，M C R型S V C可以有效的解決啟備變系統無功問題。但是，傳統的M C R型S V C控制策略多為閉環控制，即檢測考核點側電壓電流信號，控制一次側補償電流輸出。由于啟備變系統功率因數考核點多在較遠處供電局側，此信號無法采樣，因此閉環控制策略不適用與長距離輸電線路末端補償的系統。

在開環控制方式下，只需對負載側電壓電流信號進行采集和分析，避開了考核點采樣信號無法采集這一困難。通過對實際系統數學模型的建立，結合負載側功率潮流，控制器控制治理裝置輸出滿足考核點功率因數要求的容性或感性無功，起到間接性閉環控制的作用。由上述仿真研究可以知道，在系統參數、線路參數、變壓器參數等一定的情況下，考核點功率因數受負載電壓、電流影響，通過控制啟備變低壓側電流、電壓則可對P C C點功率因數起到間接性閉環控制，控制流程圖如圖6。

圖8 治理裝置投入后輸出功率曲線

由仿真結果可知：M C R型S V C可根據負載變化，輸出感性或容性無功功率，以平衡系統無功，保證考核點功率因數高于0.92。值得注意的是，由于治理裝置采樣的電壓電流信號來自互感器二次側，當電流信號較小時，互感器的采樣精度將會受到一定的影響，這使得治理裝置的輸出也會受到一定的影響，因此，含啟備變系統想要將考核點功率因數補到一個很高的數值是一件極其困難的事情。

5 結束語

含啟備變系統的無功補償是一類較難解決的工程問題，本文從含啟備變系統工作模式入手，討論了其考核點功率因數偏低的原因，并在此類系統數學模型的基礎上，分析了在不同工況下的功率潮流以及負荷功率變化對考核點功率因數的影響。最后提出了一種采用M C R型S V C解決該問題的基于開環控制的無功補償控制策略，并通過仿真證明了其科學性和可實施性。

此解決方案及控制策略不僅適用于啟備變系統，它對于含遠距離輸電線路及變壓器長時間輕載的系統同樣適用。值得注意的是，此種治理方案的應用需詳細了解系統及負荷參數，以便準確地建立數學模型。這種基于開環控制的無功補償控制策略對此類系統治理裝置的設計將有一定的指導意義。

[1]喬崗杰.關于電廠啟動和備用電源系統改進的探討[J].山西電力，2010（2）.

[2]李梅蘭，盧文鵬.電力系統分析[M].北京：中國電力出版社，2010.

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[6]唐賈言.新型磁控電抗器的研究[J].價值工程，2010，29(25).

[7]G B/T12325-2008，電能質量 供電電壓偏差[S].