低壓配網(wǎng)智能感容性功率抑制策略研究

趙應(yīng)祿，高 博，張 燕，吳 永，丁 雨，張運(yùn)飛

（國網(wǎng)河南新野縣供電公司，河南 南陽 473500）

關(guān)鍵字：弗蘭梯效應(yīng)；功率抑制；全時域監(jiān)控

1 系統(tǒng)需求

近些年，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，低壓城區(qū)配電網(wǎng)系統(tǒng)大比例采用隱藏式地下電纜的配電方式。隱藏式地下電纜的配電方式有諸多顯而易見的優(yōu)點：施工安全、方便，不占用顯性地面；布線隱蔽、不影響居民生活；抗雷擊強(qiáng)度高等。但是當(dāng)?shù)蛪撼菂^(qū)配電網(wǎng)的電纜化率達(dá)到較高的水平時，由于地下電纜線路導(dǎo)線間、導(dǎo)線對地存在更強(qiáng)的電容性，地下電纜線路的充電功率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)架空線路，造成更多的配電臺區(qū)在空載和輕載時產(chǎn)生較強(qiáng)的充電功率（容性），引起線路末端電壓升高、功率損耗增加以及無功倒送情形的出現(xiàn)（弗蘭梯效應(yīng)）；同時還會造成系統(tǒng)對地放電，產(chǎn)生弧光接地過壓放電現(xiàn)象，給低壓配電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了極大隱患。

本文設(shè)計提出一種低壓配網(wǎng)智能感容性功率抑制模塊化系統(tǒng)，可實現(xiàn)智能化全時域監(jiān)控低壓配電網(wǎng)中弗蘭梯效應(yīng)的產(chǎn)生情況，自動抑制感性無功輸入電網(wǎng)，實時吸收配電網(wǎng)充電性容性功率，高效率減少空載和輕載時線路上的功率損耗，限制弧光接地過壓放電現(xiàn)象的發(fā)生。

2 方案設(shè)計

2.1 理論依據(jù)

城區(qū)配電網(wǎng)中地埋電纜化率已達(dá)到較高水平，由于地埋電纜線路的充電功率遠(yuǎn)大于架空線路，因此在負(fù)荷低谷時期會造成配電線路末端電壓偏高以及配網(wǎng)功率超前現(xiàn)象發(fā)生，表現(xiàn)為無功倒送情形的出現(xiàn)即典型弗蘭梯效應(yīng)。本研究設(shè)計通過專用設(shè)備監(jiān)測配電網(wǎng)的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率超前、滯后裕度量及潮流方向等電能質(zhì)量指標(biāo)。抑制模組智能根據(jù)分析儀全象限功率潮流實時分析出配網(wǎng)電路中弗蘭梯效應(yīng)產(chǎn)生情況和其所處配網(wǎng)電路的實時電路特征、特點，采用合理、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃惴ǎ肁TP-EMTP 電磁暫態(tài)仿真計算程序建立模型，對合、分閘并聯(lián)電抗器的暫態(tài)進(jìn)行分析，自動判定投入、切除一定有效量的智能感容性功率抑制模塊組單元，進(jìn)而減輕甚至消除系統(tǒng)的弗蘭梯效應(yīng)。在配網(wǎng)系統(tǒng)功率超前時，并能控制調(diào)節(jié)配電系統(tǒng)配置的電容投入，滿足功率因數(shù)達(dá)標(biāo)功能。

實現(xiàn)安全切換、調(diào)節(jié)，自動智能實現(xiàn)配變臺區(qū)的功率潮流調(diào)節(jié)并抑制電纜效應(yīng)，實現(xiàn)電網(wǎng)智能化、動態(tài)化跟蹤功率潮流調(diào)節(jié)，提供系統(tǒng)功率，降低損耗，提高整個低壓電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

2.2 電纜的容性效應(yīng)會造成末端電壓升高原因

城區(qū)配電網(wǎng)中地埋電纜已達(dá)到較高水平，帶電線路對大地是絕緣的，與大地間能發(fā)生靜電感應(yīng)，就構(gòu)成了一個電容器。當(dāng)線路空載或輕載時，與傳統(tǒng)的架空線路相比表現(xiàn)出更強(qiáng)的容性特征，線路可簡化為一個同時存在電源、電阻、電感和電容的閉合回路。

假設(shè)線路首端電壓為US，末端電壓為UC，對地容抗XC，感抗XL，電阻R。根據(jù)電壓關(guān)系可得：首段電壓為US等于容抗XC、感抗Xl、電阻R之上的電壓向量和。

由于感抗Xl遠(yuǎn)大于電阻R，R可忽略不計；對于長距離輸電線路，容抗XC大于感抗XL，電容C上的電壓和電感L上的電壓相位差180°。電源電壓在數(shù)值上約等于電容C兩端電壓值減去電感L兩端的電壓值，即得出末端電壓UC高于線路首端電壓US。

這種電壓升高情況會隨著線路的延長而累積，如果將較長的線路從首端到末端等分成數(shù)段看待，則有每段線路的節(jié)點都比前一個段線路節(jié)點的電壓要高，即第1段節(jié)點高于首端，第2段節(jié)點高于第1段節(jié)點，第3段節(jié)點高于第2段節(jié)點，于是最末端電壓高于首端，表現(xiàn)在線路末端情況最為嚴(yán)重，即弗蘭梯效應(yīng)，在負(fù)荷低谷時期對末端電壓的影響是很明顯的，必須要采取措施抑制。

2.3 采用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償線路容性無功

為了解決上述問題，本方案采取并聯(lián)電抗器無功功率補(bǔ)償裝置（投入感容性功率抑制模塊化）的方式補(bǔ)償系統(tǒng)容性無功。它通過向高壓長距離的電纜輸電網(wǎng)絡(luò)提供感性無功功率，補(bǔ)償電網(wǎng)中剩余的容性充電無功功率，控制無功功率潮流，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。

并聯(lián)電抗器可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行有級調(diào)節(jié)，能夠方便有效地使系統(tǒng)達(dá)到無功平衡。輕負(fù)荷時線路中的無功功率盡可能就地平衡，減少無功功率不合理流動同時也減輕了線路上的功率損失，并能防止發(fā)電機(jī)帶長線路可能出現(xiàn)的自勵磁諧振現(xiàn)象。

3 實踐依據(jù)

3.1 采用PWM控制型可控電抗

基于以上理論依據(jù)，在實踐中通過多種型號電抗器的對比實驗后，最終選取了近幾年的熱門話題——可控電抗器作為抑制模塊的有效組成。選用可控電抗器既能滿足并聯(lián)電抗器用于抑制超高壓長線末端空載或輕載時的電壓升高，隨著負(fù)荷的增加，并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償容量可以動態(tài)減少甚至切除的需求；也能在線路有擾動以致負(fù)荷跳閘時，可以立即投入的需要。做到容量可調(diào)，且能快速反應(yīng)。

本抑制模塊PWM 控制電抗器，是新近幾年發(fā)展起來的一種基于脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的可控電抗器。使用兩個雙向開關(guān)和一個電抗器構(gòu)成整個可控電抗器。兩個雙向開關(guān)互補(bǔ)開關(guān)操作,達(dá)到調(diào)整電抗值的目的。PWM 控制電抗器是基于高頻斬波的PWM 控制，因此具有響應(yīng)速度快、諧波含量低、電抗量可平滑調(diào)節(jié)的優(yōu)點。

3.2 采用智能測控裝置建立低壓配電網(wǎng)全功率監(jiān)測機(jī)制

低壓配網(wǎng)智能感容性功率抑制模塊化系統(tǒng)選取32位高速處理器為核心，可實時監(jiān)測低壓配電網(wǎng)的電壓、電流、有功功率、無功功率等電氣參數(shù)，并監(jiān)測低壓配電網(wǎng)的功率超前、滯后裕度量及潮流方向等電能質(zhì)量指標(biāo)。

根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)，通過功率裕度量及潮流方向采用密度法、穩(wěn)態(tài)暫估建模等算法，形成合理的無功電容投退方案，并能自動執(zhí)行操作投入、切除智能感容性功率抑制模塊組單元，進(jìn)行控制感容性功率平衡模組調(diào)節(jié)，實現(xiàn)功率線性全象限平滑調(diào)整，實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)的感容性功率吸收和抑制調(diào)節(jié)，保證功率不超前運(yùn)行；減小電網(wǎng)電壓變化對配電網(wǎng)絡(luò)的沖擊，減小系統(tǒng)對地電容放電引起的電流過高問題，杜絕發(fā)生系統(tǒng)弧光接地現(xiàn)象；同時提高供電質(zhì)量，增加電網(wǎng)安全運(yùn)行的高可靠性。

最終實現(xiàn)電網(wǎng)的功率智能化、動態(tài)化跟蹤均衡。

同時裝置具有完善的測量、保護(hù)、控制、和通信功能。可將城區(qū)低壓配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全運(yùn)行管理工作提升一個顯著層次，切實有助于實現(xiàn)低壓電網(wǎng)值守?zé)o人化、智能化的管理要求，給低壓電網(wǎng)和電器設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供重要的保護(hù)。

4 結(jié)束語

建立低壓配網(wǎng)智能感容性功率抑制策略

本研究設(shè)計的感容性功率平衡模組滿足了GB/T 17626規(guī)定的所有電磁兼容最高等級的要求。系統(tǒng)可以根據(jù)低壓配電網(wǎng)全功率監(jiān)測儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)形成合理無功電容和線性、感性負(fù)載的投退方案，發(fā)出控制指令后，執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)策略。可安全、可靠、穩(wěn)定地進(jìn)行合、分閘并聯(lián)定制感性負(fù)載，以達(dá)到優(yōu)化抑制弗蘭梯效應(yīng)，提高配網(wǎng)用電效率，減少配變損耗，改善低壓配電網(wǎng)供電質(zhì)量目的。