電力系統無功補償的綜述

潘莞奴

【摘 要】隨著電網用電負荷規模需求不斷擴大，大量低消耗功率因數輸電負荷陸續接入智能電網，無功優化與無功補償之間的問題充分顯現。為實現電網的安全運行，電網迫切需要無功補償來平衡負荷無功。對此，本文通過對無功優化的概述分析，詳細綜述了無功補償的發展應用。

【關鍵詞】負荷無功;無功補償;無功優化

中圖分類號： TM714.3文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）33-0150-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.074

0 引言

電力系統運行時，一旦出現無功負荷或電源分布不均的問題，就會導致經濟性和穩定性的欠缺，從而直接影響風電廠電能回收質量。所以，利用直流無限有功補償電流在電網系統中產生消耗最大有功電流功率的主要特點，電網系統使用無功補償控制裝置來大大提高智能電網的運行質量，對應于減少電網系統因為電流無功分配不合理而可能產生額外的最大消耗電流功率。本文通過無功優化的數學模型，在合理的無功補償容量及方式下，探討了相關的無功補償的發展應用。

1 無功優化目的

無功優化方法是泛指當一個電網運行系統中某些有功潮流負荷、電源以及其它潮流負荷分布己經達到給定的情況下，通過優化計算方法確定一個網絡中某些控制變量的最優值，在能夠滿足所有性能約束控制條件的一定前提下，使某一個或多個網絡性能指標的值達到最優時的一種運行優化方式。

電力系統在運行期間，風電廠的功率調度系統工作人員通常需要在有功功率潮流分布一定的條件狀態下，利用各種無功控制技術來自動調整控制系統過程中的各種無功潮流功率分布，令風電網絡的正常運行不但足夠能有效滿足各種無功約束控制條件，還同時能夠有效實現控制系統最小有功功率損耗。其中，無功優化的主要目的可分為以下幾點：

（1）不斷改善城市電力系統的正常運行狀況，提高其穩定運行性能和安全性能。

（2）要求合理分配無功功率，使其能夠改善網絡電壓水平，保證良好穩定的電能質量。

（3）有效減少電能的消耗，尤其是有功方面的損耗，從而節約運行費用。

1.2 無功優化的數學模型

1.2.1 通用數學模型

從數學的角度來說，無功優化是一個多控制變量、多離散約束的混合型非線性系統規劃性優化問題，其控制變量中不包含非連續變量且有很多離散約束變量，從而容易導致結果使得無功優化的完成過程十分繁瑣。

模型處理是利用無功優化解決問題的理論基礎，電力系統無功優化問題通常可以被表示為以下的幾種通用數學處理模型，其通用數學模型描述為：

1.2.2 目標函數及約束

無功優化可以使全網的有功損耗達到最小，滿足電網的運行約束條件和控制約束條件。其中一個模型約束包含一個目標變量函數、等式變量約束和一個不等式函數約束。

其一，根據無功優化的目的不同，有以下五種目標函數：

（1）給定系統負荷，調整無功設備電流輸出，使給定系統負荷發出的有功損耗最小。故此目標函數為：

（2）當僅僅只把電壓限制看成約束條件，會導致無功優化之后的電壓幅值大小無限接近上限值，所以在運行過程中選擇將運行電壓值和指定的電壓偏差值共同作為目標函數，表示為：

（3）電壓穩定裕度可以作為判斷電壓穩定程度的指標，表示為：

（4）無功補償設備（電抗器或者是電容器）的安裝要選擇在合適的位置，能夠使無功容量達到最小限值，即優化選擇無功補償地點及容量，此目標函數為：

（5）利用系統總費用最小為無功優化的目標函數：

其二，約束控制條件主要包括一個等式控制約束和兩個不等式控制約束，前者即滿足變量潮流規律的方程，后者即分別管理控制變量約束和狀態變量約束。針對式（1）的代數模型，可以通過考慮寫成如下的等式和不等式約束條件：

1.3 無功優化算法

1968年前人所提出的簡化梯度函數法計算是國外目前出現最早且較為具有國際影響力的無功優化算法，對后來多方面學者的理論研究成果有很大的幫助。無功優化算法大致來說可以劃分為經典無功優化算法和人工智能優化算法兩大類。

其中，傳統數學優化方法比較依附于精準的數學模型，可這樣的數學模型卻又很難適應現在的控制要求且過程復雜，利用簡略的模型又會存在很大誤差。所以多年來，研究人員一直致力于發現一種智能的方法，其中以專家系統、神經網絡等為代表。

2 無功優化下的無功補償

無功優化補償系統是關于無功優化的一個應用典型實例。其本質上就是一種利用無功功率補償供電設備所能夠發出的無功功率信號來作為抵消電力負載或使用潮流的有功補償部分。無功電流補償過程規劃在傳統數學上我們可以將其看作是一個最優化問題，但在各種系統中，它對于觸及多個日期和標準的一次優化，會對其造成一種明顯的不連續性和不可微性。

如果在具體操作中應用不當，就會給電力系統帶來一些永久性的問題。所以隨著無功補償技術廣泛應用發展在實踐中，理應更需要特別著重于無功補償方式、無功補償節點的確定，補償節點容量以及過補償或欠補償。

3 無功補償的常用裝置

從補償的應用角度來說，無功補償裝置通常分成靜止類無功補償、機械旋轉類無功補償、復合類無功補償三大類，此類劃分的方式無疑是最為全面和精準的。

其中，機械旋轉類是最傳統的無功補償裝置，其技術優點主要是通過自動調節機械轉子繞組的勵磁器和電流頻率來控制改變無功功率的輸出或吸收。靜止類無功補償裝置指補償裝置設備沒有任何旋轉部分，運用了靈活的交流穩態輸電。細分下去主要是靜止無功補償器、靜止同步補償器、晶閘管投切電容、晶閘管控制電抗器和磁控電抗器。

基于MCR的動態無功補償系統的性價比和系統可靠性都比較高，對于10kV及以上電壓等級的無功控制裝置也有很強的市場競爭力。而基于FC+MCR與FC+TCR的這兩種裝置其復合補償方式相似，同樣都在于能夠直接實現無級調節。但對于FC+TCR則晶閘管需要同時承受與實際線路電壓相同頻率等級的電壓，而對于FC+MCR中，晶閘管只需要承受的實際線路電壓僅大約為1%-3%。在特高交流電壓下的輸電補償系統中，都普遍采用了FC+MCR的補償方式。

4 總結

在電力系統中，電網所能承受的負荷與容量是有一定限度的，隨著電網負荷以及容量的增加，電網的安全性和經濟穩定性問題更是越發突出，電力系統的無功優化補償勢必要改善。

當前很多種無功優化方案并沒有站在全局的角度出發，所以這只能是系統當前運行方式下的一種安全經濟的分析方法。如今若想僅依靠無功優化手段來實現電網的安全運行，則更多的是要利用合理的無功補償方式來改善電力發展。無功補償手段作為良好電能質量不可或缺的一環，必然要精確計算無功補償點和補償容量，在不同環境情況下，配置相應合理的補償裝置，確保電力系統的功率平衡。

【參考文獻】

[1]何仰贊，溫增銀.電力系統分析[M].武漢：華中科技大學出版社，2002：98-99.

[2]李家坤.柔性交流輸電技術在電力系統中的應用[J].電力學報.2007，22（3）：328-330.

[3]宋玉秋，李林川，張海波.等.考慮靜止無功補償器及故障運行方式的電力系統無功補償優化[J].電網技術.1999.23（6）：1-6.

[4]劉凱，申小敏，陳志江.電力系統無功優化研究的進展與展望.黑龍江電力，2014，36（4）：305-309.

[5]彭湃，程漢湘，余音.等.FACTS在電力系統中的應用[J].船電技術，2014，34（10），39-41.

[6]張志強，苗友忠，李笑蓉，等.電力系統無功補償點的確定及其容量優化[J].電力系統及其自動化學報，2015，27（3）：92-97.

[7]王林川，于奉振，孫繼莆，等.基于奇異值分解和內點法的交直流電力系統電壓穩定裕度研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（20）：89-92.

[8]楊克難，吳浩，鄭寧浪，等.一種基于潮流追蹤的電力系統無功補償方法[J].電力系統自動化，2012，36（8）：45-51.

[9]王一杰，趙舫，丁穎，等.基于最優覆蓋法的變電站無功補償容量優化配置研究[J].電力系統保護與控制，2011.29（15）.38-42.

[10]王佺，自鑫博.無功補償在電力系統的應用[J].企業文化（中旬刊），2014（12）：243.