變電站無功優(yōu)化問題研究

郭剛

摘要：無功補償技術(shù)在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。闡述當(dāng)前變電站在無功優(yōu)化方面存在的主要問題，介紹變電站無功優(yōu)化補償容量的確定原理，提出實現(xiàn)變電站無功補償?shù)淖顑?yōu)控制方案和控制流程，以期為變電站無功優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：無功優(yōu)化；變電站；問題；研究

中圖分類號： TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）12-0024-02

變電站是電力系統(tǒng)中一個必不可少的環(huán)節(jié)，在電力輸送、分配和使用過程中發(fā)揮著重要作用。無功補償技術(shù)在改善終端電壓水平、提高配電網(wǎng)功率因數(shù)、降低有功損耗及提升電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等方面都具有非常重要的現(xiàn)實意義，因此，無功補償技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 變電站在無功優(yōu)化方面存在的問題

當(dāng)前變電站在無功優(yōu)化方面存在著一定的問題。以安裝了主變壓器（S9-10 000 kVA/35 kV）的變電站為例：在空載和滿載的區(qū)間內(nèi)，變壓器的無功損耗為80～830 kVAR，按照《110 kV及以下縣級配電網(wǎng)無功優(yōu)化補償技術(shù)規(guī)范和典型應(yīng)用模式》的相關(guān)規(guī)定，補償容量為變壓器容量的10%～30%，據(jù)此補償容量為1 000～3 000 kVAR。如果在變壓器二次側(cè)母線上安裝功率因數(shù)控制器對電容進(jìn)行投切，當(dāng)功率因數(shù)達(dá)到0.98時，功率因數(shù)控制器就會通過自動裝置將電容切除，此時只有負(fù)荷側(cè)無功功率能夠得到平衡，其他的無功功率不能得到平衡。在變電器二次側(cè)母線上安裝這么大的電容，只能解決變壓器功率因數(shù)的問題，對于電壓質(zhì)量改善和電能損耗基本沒有作用，這是一種十分不科學(xué)的做法。

2 變電站無功優(yōu)化補償容量的確定

配電網(wǎng)無功優(yōu)化必須遵循的基本原則是：統(tǒng)一規(guī)劃，合理布局，分級補償，就地平衡。變電站進(jìn)行無功補償也要按照這個原則，不能單純強調(diào)在某一個設(shè)備或某一個單元上進(jìn)行無功補償，而要兼顧總體效果。因此，變電站的無功優(yōu)化要先在母線的功率因數(shù)達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)要求（即在配電網(wǎng)的其他環(huán)節(jié)進(jìn)行了隨機(jī)、隨器、配電線路等分級補償）的情況下進(jìn)行。為了使變電站主變壓器的一次側(cè)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，要考慮差額部分和主變壓器無功損耗部分的總和，按式（1）計算：

Qc=ΔQBk+ΔQBf+∑Qfi （1）

式中：Qc為變電站二次側(cè)母線無功補償容量，kVAR；ΔQBk為變壓器空載無功損耗，kVAR；ΔQBf為變壓器負(fù)載無功損耗，kVAR；∑Qfi為變壓器一次側(cè)達(dá)標(biāo)所需無功不足部分，kVAR。

由式（1）可知：變電站主變壓器負(fù)載無功損耗ΔQBf與負(fù)載率的平方成正比，考慮到無功優(yōu)化容量應(yīng)滿足最終發(fā)展要求（負(fù)載率=1）；為供電區(qū)域內(nèi)各饋出線路功率因數(shù)達(dá)標(biāo)（cosφ1=0.90）與主變壓器最大負(fù)荷時高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)標(biāo)（cosφ2=0.95）時的二次側(cè)無功需補償部分的差值。由此得式（2）：

Qfi=1.05Pzd（tgφ1-tgφ2） （2）

式中：1.05為考慮主變壓器允許過負(fù)載的系數(shù)；tgφ1為主變壓器二次側(cè)cosφ1=0.90時的正切值，故tgφ1=0.484；tgφ2為主變壓器二次側(cè)cosφ2=0.95時的正切值，故tgφ2=0.329； Pzd為主變壓器滿負(fù)載時的最大有功功率，kW。則：

Qfi=1.05 Se cosφ2 （tgφ1-tgφ2）=0.155 Se （3）

3 實現(xiàn)變電站無功補償?shù)淖顑?yōu)控制方案

3.1 變電站無功補償最優(yōu)控制約束條件

變電站無功補償容量的控制應(yīng)當(dāng)考慮以下3個不等式的約束條件：

Uimin

Qcimin

cosφimax≮cosφi≮cosφimin （6）

由式（4）—（6）可知：無功補償控制容量在不大于最大負(fù)荷時無功需求的情況下，應(yīng)當(dāng)滿足最低負(fù)荷的無功需求；母線電壓正負(fù)偏差的絕對值之和不能夠超過標(biāo)稱電壓的規(guī)定值（若考慮系統(tǒng)原因，母線電壓長期偏高時可適當(dāng)提高正偏差）；主變壓器的高壓側(cè)功率因數(shù)，在最大負(fù)荷的情況下不能夠低于0.95，在最低負(fù)荷的情況下不能夠高于0.95。

3.2 變電站主變壓器一次側(cè)采樣的無功補償控制方式

如果選擇在主變壓器一次側(cè)母線上安裝電壓和電流互感器等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主變壓器二次側(cè)無功補償方式的選擇必須符合主變壓器一次側(cè)的電壓和功率因數(shù)不等式的約束條件。其中一組采用固定補償方式，即QCG=0.90ΔQBk，這樣即使在變電站負(fù)荷很小或者空載狀態(tài)的情況下，也不會出現(xiàn)過補現(xiàn)象（此補償不受電壓或功率因數(shù)不等式約束的控制），可以按照無功需求的大小，通過分組自動投切或平滑調(diào)節(jié)等方式控制其余補償。

3.3 變電站主變壓器二次側(cè)采樣的無功補償控制方式

當(dāng)變電站主變壓器容量相對較小的時候，通常在主變壓器一次側(cè)不設(shè)計安裝電壓互感器和電流互感器，因此只能在主變壓器二次側(cè)設(shè)計安裝電壓互感器和電流互感器，采集電壓、功率因數(shù)和無功負(fù)荷等數(shù)據(jù)。這時要充分考慮2個條件，即主變壓器二次側(cè)電壓不等式約束條件和二次側(cè)采集的數(shù)據(jù)折合到一次側(cè)的功率因數(shù)和無功需求不等式約束條件，來選擇無功補償?shù)淖顑?yōu)控制方式。主變壓器二次側(cè)折合到一次側(cè)的功率因數(shù)：

cosφ1=cos

arctan （7）

式中：ΔP0為變壓器空載有功損耗，kW；ΔPK為變壓器負(fù)載有功損耗，kW；QCD為變壓器二次側(cè)折合到一次側(cè)的補償容量，kVAR。

補償容量按照式（8）來確定：

QCD=0.9ΔQBK+（）2ΔQBF+QDC

=0.9ΔQBK+ΔQBF+PD（tgφD1-tgφ2） （8）

式中：PD為主變壓器二次側(cè)在一定的時間內(nèi)實際采集的有功功率平均值，kW；QD為主變壓器二次側(cè)在一定的時間內(nèi)實際采集的無功功率平均值，kVAR；tgφD1為主變壓器二次側(cè)在一定的時間內(nèi)實際采集功率因數(shù)平均值的正切值。

由以上分析計算可知，主變壓器二次側(cè)通過選擇切實可行的無功補償方式，功率因數(shù)可以提高到一個比較理想的水平。但問題是，即使這個功率因數(shù)達(dá)到了0.95，在主變壓器二次側(cè)不再通過其他方式來補償主變壓器本身消耗的部分無功，主變壓器一次側(cè)的功率因數(shù)仍不能按照標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到一定的要求。

4 變電站無功優(yōu)化自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)

對于變壓器負(fù)荷側(cè)無功不足部分和變壓器自身無功損耗所需要的無功，可根據(jù)不同的情況，在變壓器一次側(cè)和二次側(cè)安裝電流互感器和電壓線感器采集數(shù)據(jù)，計算補償容量，并通過自動控制裝置切入電容，從而實現(xiàn)就地補償。使主變壓器二次側(cè)功率因數(shù)超前運行，實現(xiàn)無功倒送，可以補償主變壓器的無功損耗。但經(jīng)分析計算可知：當(dāng)cosφ=0.95時，無功分量在變壓器繞組電阻上產(chǎn)生的有功損耗比有功分量在變壓器繞組電阻上產(chǎn)生的有功損耗小約9倍。因此，為了實現(xiàn)就地平衡，可以把電容和自動控制設(shè)備安裝在主變壓器二次側(cè)，在功率因數(shù)為1.00的基礎(chǔ)上，再補償主變壓器的無功損耗部分。但是從投入費用角度考慮，這顯然不夠科學(xué)、經(jīng)濟(jì)，因此各地要根據(jù)自身情況適當(dāng)選用該方式。

變電站的無功優(yōu)化自動化控制系統(tǒng)，首先要按照3個不等式約束條件要求，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算出無功需求的大小，再通過自動控制裝置進(jìn)行投切電容。以往的看法是，在滿足電壓約束條件的情況下，按照功率因數(shù)的大小進(jìn)行投切；但實際上，在變電站處于高峰負(fù)荷時，無論功率因數(shù)的值是多少，無功功率仍然是相當(dāng)大的，再怎么補償也達(dá)不到預(yù)想的效果。以常用的S9-10 000/35 kVA變壓器為例，設(shè)計的無功功率在滿載的情況下（cosφ=0.95）為3 122 kVAR，因此在功率因數(shù)較高的情況下，通常不會太重視無功功率，而實際上功率因數(shù)還有許多節(jié)能潛力可以挖掘。

5 結(jié)語

當(dāng)前，我國配電網(wǎng)無功功率的考核方式主要是通過在配電網(wǎng)中安裝多功能檢測儀表，其轉(zhuǎn)向都是正轉(zhuǎn)的，無功功率吸收或倒送的越多，多功能檢測儀表就轉(zhuǎn)向的越多，功率因數(shù)顯示的就越低。按照規(guī)程規(guī)定，主變壓器二次側(cè)補償?shù)臒o功功率或者隨主變壓器低壓側(cè)補償配變無功功率與多功能檢測儀表考核的方式是矛盾的。本文所研究的變電站無功優(yōu)化自動化系統(tǒng)在固定補償方面是按照“就地平衡”的原則完成的，但是不能用單一的辦法解決所有問題，只能通過各處變電站的實際情況，選擇較為恰當(dāng)?shù)姆绞剑瑥闹髯儔浩鞫蝹?cè)進(jìn)行補償。主變壓器在空載時段或者是二次側(cè)功率因數(shù)為1.00的情況下，才能不斷地向變壓器倒送無功，其余情況都是補負(fù)荷側(cè)的無功不足部分。無功補償?shù)挠行?、科學(xué)、“就地平衡”與無功計量考核方式的矛盾，有待于進(jìn)一步研究與探討。

參考文獻(xiàn)

[1] 金慶哲，謝東來.變電站無功優(yōu)化智能系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013（7）：44-46.

[2] 王慧，白明亮.變電站無功優(yōu)化智能系統(tǒng)的仿真研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013（3）：46-48.

[3] 戴永新.變電站無功優(yōu)化方案分析[J].上海電力，2005（2）：203-205.