10 kV線路補償裝置的設計與控制方法研究

方 釗

（國網湖北省電力有限公司，湖北武漢 430000）

0 引言

10 kV 配電網的電能質量與當地居民生活質量、生產質量息息相關，提高配電網電能質量一直以來都是重點的研究目標[1,2]。對于10 kV 配電網而言，電網質量中最為重要的指標為有功功率與無功功率[3]，其中無功功率將引起電網電壓波動，進而危害居民用電設備[4]。10 kV 配電網長時間無功功率較高將導致重大事故，如一些大范圍停電[5]。近來年，諸多通過電力電子器件組成的無功補償裝置得到了廣泛關注，電能質量得到了一定程度的改善[6]。然而，電力電子器件組成的設備將饋入諧波，進而導致電網電能諧波含量好[7]，因此通常都安裝在變壓器段或者10 kV 配電網線路末端，不適合于定點補償無功功率的場合[8]。使用電容器、電抗器進行無功功率補償也是目前配電網應用最為廣泛的方式[9]，有固定的投入電容器組補償的方式[10]，也有動態投入電容器組補償的方式[11-12]。

本研究提出了一種包含兩組并聯電容器的適用于10 kV 配電網的線路補償裝置。該補償裝置的電容器組投切靈活，容量大。由于該線路補償裝置具有2 組電容器組，可將電網運行區間劃分為17 個區域，而非單電容器組的9 個區域。根據電壓與無功功率兩組信息選擇電容器組的投切模式。為驗證該線路補償裝置與控制策略，在某10 kV 配電網中安裝了該裝置，結果表明：該線路補償裝置能夠提升電能質量。

1 10 kV線路補償裝置拓撲

圖1 所示為10 kV 線路補償裝置拓撲。圖1 中TV 為電壓互感器，TA、TA1 與TA2 為電流互感器。TV 為非接觸器傳感器，且需為控制器提供電源。TA、TA1、TA2 分別測量10 kV 線路、第一組并聯電容器與第二組并聯電容器中的電流。TV、TA、TA1與TA2 僅測量了單相線電壓、單相相電流。通過三相電壓、電流之間的相位關系獲取其他相的電壓電流信息。控制器可通過電壓、電流信息計算有功功率、功率因數等信息。FA 為跌落式熔斷器，可保護10 kV 線路補償裝置，實現故障隔離，并給運維人員提供了安全保障。圖中避雷器主要實現防雷保護。QA1 與QA2 均為高壓接觸器，通過QA1 與QA2 的閉合與斷開實現并聯電容器組C1 與C2 的投切，即圖中控制器的主要控制對象為QA1 與QA2。C1 與C2為并聯電容器組，均采用星型連接方式。接入電網后，可吸收大量無功，實現電網電能質量治理。

圖1 10 kV線路補償裝置拓撲

2 10 kV線路補償裝置控制策略

10 kV 線路補償裝置的投切控制方式較多，如按照功率因數進行投切，按照無功功率進行投切，按照電壓進行投切，按照電壓與無功功率進行投切，按照電壓與功率因數進行投切等。

采用按照功率因數進行投切的方式，當線路中有功功率與無功功率同時發生變化時，功率因數無法準確反映無功功率的波動，因此可導致并聯電容器投切時機錯誤。

采用按照無功功率進行投切與按照電壓進行投切的方式時，當線路中的無功功率、電壓處于臨界值附近時，并聯電容器組會投切頻繁，導致電容器損壞。因此，本研究選擇按照電壓無無功功率進行投切的控制方式，該方法能夠避免出現投切振蕩等問題，并能夠進行實時投切。

圖2 為按照電壓、無功功率進行投切的控制方式的電壓與功率范圍圖。

圖2 控制范圍

圖2 中根據電網運行的要求，將無功功率與電壓均分為三種狀態，分別為：合格狀態、越上限狀態與越下限狀態。因此可將工作區間分為9 個部分，當且僅當電壓與無功功率均處于合格狀態時，電網才處于系統正常運行狀態。

根據電容器組投切后的電壓預設影響定值與無功功率預設影響定值可確定兩組電容器切換方式。

2.1 電容器組C1切出，電容器組C2切出

當兩組電容器均退出電網時：電壓與無功功率處于區域0 時，此時兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域1 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域2 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域3 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域4 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域5 時，投入電容器組C1。電壓與無功功率處于區域5-1 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域6 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域7 時，投入電容器組C1。電壓與無功功率處于區域7-1 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域8 時，投入電容器組C1。

2.2 電容器組C1投入，電容器組C2切出

當電容器組C1投入，電容器組C2切出時：電壓與無功功率處于區域0 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域1 時，電容器組C1 切除。電壓與無功功率處于區域2 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域3 時，電容器組C1 切除。電壓與無功功率處于區域4 時，電容器組C1 切除。電壓與無功功率處于區域5 時，電容器組C1 切除，電容器組C2 投入。電壓與無功功率處于區域5-1時，此時兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域6 時，電容器組C1 切除。電壓與無功功率處于區域7 時，電容器組C2 投入。電壓與無功功率處于區域7-1 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域8 時，電容器組C1 切除。電壓與無功功率處于區域9 時，電容器組C2 投入。電壓與無功功率處于區域10 時，電容器組C2 投入。電壓與無功功率處于區域10-1 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域11時，電容器組C2投入。

2.3 電容器組C1切除，電容器組C2投入

當電容器組C1切出，電容器組C2投入時：電壓與無功功率處于區域0 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域1 時，電容器組C2 切除。電壓與無功功率處于區域2 時，電容器組C2 切除。電壓與無功功率處于區域3 時，電容器組C1 投入。電壓與無功功率處于區域4 時，電容器組C2 切除。電壓與無功功率處于區域5 時，電容器組C1 投入。電壓與無功功率處于區域5-1 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域6 時，電容器組C2 切除。電壓與無功功率處于區域7 時，電容器組C1 投入。電壓與無功功率處于區域7-1 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域8 時，電容器組C1投入。

2.4 電容器組C1投入，電容器組C2投入

當兩組電容器均投入電網時：電壓與無功功率處于區域0 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域1 時，電容器組C1 切除。電壓與無功功率處于區域2 時，電容器組C1 切除。電壓與無功功率處于區域4 時，電容器組C1 切除。電壓與無功功率處于區域5 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域5-1 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域6 時，電容器組C1 切除。電壓與無功功率處于區域7 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域7-1 時，兩組電容器不動作。電壓與無功功率處于區域8時，兩組電容器不動作。

3 結果分析

圖3為未安裝線路補償裝置時，在24 h內，配電網的功率因數。圖4為安裝了線路補償裝置后的功率因數在24 h 內的分布。補償前，10 kV 線路的功率因數總體較低，甚至跌落至0.72，將導致較大的線路損耗，降低系統的運行效率。而補償后，功率因數多在0.96～1 之間，功率因數得到了較大的提高，提高電網電能質量，降低線路損耗，提高電能傳輸效率。

圖3 原始功率因數

圖4 補償后的功率因數

4 結論

提出的按照電壓、無功功率進行并聯電容器組投切控制方法，在負荷波動較大時也能提高配電網功率因數，能夠改善10kV 線路中電能質量，提高線路電壓，提高電能運輸效率，經濟效益明顯。