小水电密集地区的配电网无功平衡策略

丁海华，王玉铭，顾克拉

（湖州电力局，浙江 湖州 313000）

随着国民经济的迅速发展和产业结构的调整，电网的电能质量和经济运行日益受到重视。特别是随着电力市场的推行，对电能质量及系统运行的经济性提出了更高的要求。电力系统无功功率优化和无功功率补偿是电力系统安全经济运行的一个重要组成部分。通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性，而且可以降低有功和无功损耗,使电力系统运行更安全、更经济。

电网中安装并联电容器等无功补偿设备后，为了提高电能质量、稳定电网运行，还要在局部地区安装部分感性电抗器等无功装置，以减少无功功率在电网中的流动，对电力系统的安全、可靠、稳定运行有着极为重要的意义。

1 小水电无功不足的原因分析

小水电站一般分布在边远山区，远离负荷中心，电气距离大，输电导线半径小，电阻值大，线路首端电压高，水轮发电机无功出力受电压封锁，无功出力很低。负荷中心无功电源不足，需从大电网长年引入无功，有功功率与无功功率逆向传输，用电负荷变化大，加之小型水电站上网电压等级较低，大多为10 kV电压，而后半夜电压则高达11 kV以上，按电力变压器的最低档电压反映到低压侧电压约为0.45 kV，电压变化幅度大，调节要求高，发电机组经常偏离额定工况运行，造成发电机组无法带足无功功率，无功电量欠发，导致小水电的无功上网电量不足。

根据有关政策，目前的上网电量是在计量计费点按功率因数月平均为某一定值（如0.8）进行电费结算，并按每欠发3 kvarh无功电量扣除1 kWh有功电量作惩罚。有些径流式小水电为了在丰水期尽量减少弃水，抢发有功电量、减发无功电量，宁可扣除部分电费，从而增加了对大电网的无功需求，也增加了因无功潮流带来的线损，明显影响了发电企业的经济效益。

小水电无功不足的原因主要有以下几方面。

1.1 电网电压过高

电力系统中电源所供给的无功功率在任何时刻都应与系统中无功负荷（包括输变电环节的损耗）相平衡。只有当系统向负荷提供足够的无功功率时，用电设备的端电压才能维持正常水平，从而保证电气设备在最佳状态运行。当系统中无功功率供不应求时，用电设备端电压下降以减少对无功功率的需求；当系统无功功率供大于求时，则用电设备端电压上升，通过建立更强的磁场吸收过剩的无功功率，从而求得平衡。对小水电而言，在丰水期且电网电压偏高时，并网小水电发电机转子电流与该处电压较低时相比，将以较多的电流来维持端电压，而用较少的电流来发无功，故呈现无功出力不足的情况。

1.2 变压器选择不合理

小水电站在配置升压主变压器时，由于种种原因，会选用配电变压器作为升压主变压器。多数小水电站是通过较长线路与大电网并联，依靠大电网转供电能。而大电网变电所为了确保供电区的各条线路末端电压水平合格，其10 kV供电线路常以10．5 kV电压运行。小水电站使用配电变压器作为升压主变压器时，变压器端电压既要与大电网潮流电压平衡，又必须克服线路阻抗产生的压降ΔU，因而并网小水电的升压变压器高压侧端电压常常要高于大电网的运行电压。即使将升压变压器的高压侧分接头调到最高档位，按变压器变比计算低压侧的端电压仍偏高，即发电机端电压处于超额定电压运行的极限状态，从而影响发电机的无功出力。

1.3 励磁装置本身的问题

有些小水电机组的励磁装置调整不恰当，发电机外特性的调差系数不合适，从而导致并联运行的机组间所负担的无功功率分配不合理。另外，励磁电流的可调范围太小是引起小水电无功出力不足的又一原因，这也是引起发电机无功振荡的根本内因所在[1]。

1.4 就地无功补偿容量严重不足

小水电发电企业为了减少基建设备投资，一般很少配备足量的无功补偿装置。小水电的发电受到季节和天气变化的限制，电压波动很大，无法及时保证电网的电能质量。在丰水期，受当地经济发展水平的限制，小水电所发电能往往不能就地平衡，便通过110 kV线路向系统倒送。在节假日特别是春节期间，这种情况尤为突出。

2 无功平衡策略

2．1 更换变压器以解决发电机出口电压过高的问题

为解决小水电无功欠发问题，最有效的方法是将水电站使用的普通降压变压器更换为符合要求的升压主变压器，必要时还可与变压器制造厂家联系，安排非标准生产加工，使变压器在某些档位运行时能较大幅度地降低低压侧电压。

2．2 调整发电机励磁策略

调节发电机励磁电流，增发无功功率。要使发电机能在额定有功出力下送出额定无功功率，就必须提高发电机的励磁电流。调节和改进发电机励磁系统的性能，使之在工况允许的情况下使发电机获得足够的励磁电流。并网发电机在有功功率一定时，如果电网电压不变，增加励磁电流后将使主磁通增加。但由于发电机的端电压因受并网电压限制而不能升高，在发电机主磁通增大后，电枢绕组中会出现一个滞后于电势的电流，并产生去磁的电枢反应，以抵消主磁通的增加，使合成磁通不变，此时的发电机即发出感性无功功率，从而多发无功功率。如果系统负荷电流增加或负荷功率因数降低，发电机端电压降低，此时亦可加大励磁电流，以补偿负荷电流的去磁作用，也能使运行中的发电机多带无功负荷。

2.3 安装无功补偿装置

在区域电网中，一般采用分级投切电容器组的方式来补偿系统无功、改善功率因数，这种方式只能向系统提供容性无功，并且不能随负载的变化而实现快速精确调节，在保证母线功率因数的同时，容易造成向系统倒送无功，抬高母线电压，危害用电设备及系统稳定。

传统的补偿系统均属于阻抗型补偿装置，对系统参数很敏感，当参数配置不合理，或者一段时间后系统参数发生变化，很容易引起系统谐振或谐波电流放大，这也是部份传统补偿设备经常运行不正常的重要原因之一。谐振或谐波电流放大不仅危害补偿系统自身的设备安全，对其他设备的安全也是隐患。

针对小水电的特点，为实现随负载变化而快速精确调节无功补偿容量，可采用MSVC（动态无功补偿装置）、SVC（静止无功补偿装置）、SVG（静止无功发生器）等无功补偿装置。

MSVC的主要组成部分是可调磁控电抗器装置。利用附加直流励磁磁化铁心，改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。磁控电抗器不需要外接电源，完全由电抗器的内部绕组来实现自动控制。通过控制可控硅晶闸管的导通角进行自动控制，可实现连续可调，并且从最小容量到最大容量的过渡时间很短，因此可以真正实现柔性补偿。

TCR（晶闸管控制电抗器）型SVC可通过调节晶闸管的触发角控制电抗器输出的感性无功，感性无功与滤波器的容性无功合成即可输出可控制的无功功率，实现对系统的精确补偿。通过改变晶闸管导通角的大小，可以使跟晶闸管支路串联的电感大小等效数值连续变化，从而根据系统运行状态动态吸收系统中的感性无功，因而可以保证不会向系统倒送无功。

SVG采用不同的控制策略分别实现无功补偿和谐波治理两种工作状态，在这两种不同的工作状态下其主电路结构完全相同，主要由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）逆变电路、直流侧储能元件（电容）和连接电抗器构成。SVG以三相大功率电压逆变器为核心，其输出电压通过连接电抗器接入系统，与系统侧电压保持同频、同相，通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质与容量，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于系统侧电压幅值时输出感性无功。SVG是电流可控型，对系统参数不敏感，不会与电网阻抗发生谐振和发生谐波放大的情况。

2.4 提高水工设施能效

低水头大流量的河床式、坝后式水电站，应减少进水口和拦污栅水头损失，进水口应力求顺畅，拦污栅应采用宽面布置，不要太密，尾水渠要尽量宽、深，调节水库应充分注意保持高水位运行。中高水头的引水式水电站，尽量采用有压引水，力求优化调节运行，压力管道截面要对节能降耗进行比较后确定，特别是较长的管道，以等径变管厚为宜。

对于有水库的电站，要充分利用和调节水库库容，利用水库水源的调节能力，调节水轮发电机组发电能力，控制有功出力，多发无功。在枯水季节，自然来水量小，利用库容调节发电能力，在不溢洪弃水的前提下，保持一定的发电能力，降低有功出力，使发电机转子保持在额定励磁电流下运行。这样，发电机就可以带满无功负荷运行，为电网多送无功。

3 无功补偿装置安装方式的选择

3.1 变电站集中补偿

在变电站低压侧母线上安装并联电容器组以补偿变压器无功损耗，并向负荷侧适当输送无功功率，根据无功负荷的大小投切电容器组。这种补偿方式能够减少变电站高压侧输电线路传输的无功功率，降低高压输电网的无功损耗。变电站无功损耗可实现就地补偿，但无法减少配电网的无功损耗，用户需要的无功功率仍要通过变电站低压侧向负荷端输送。

3.2 配电线路的分散补偿

农村电网的大部分无功功率都消耗在配电变压器和异步电动机上，还有小部分消耗在线路上。按照分级补偿的原则，在考虑了配电变压器的随器补偿之后，应选择剩余无功的最佳补偿位置和最佳补偿容量，在线路上安装电容器组，能兼顾电压质量和无功需求自动投切。当电压处于合格范围时，以提高功率因数、降低电能损耗为主要目的；当电压过高时，切除电容器，以保护电容器不受损害为目的。这种补偿方式具有投资少、见效快、投运时间长和降损效果显著等优点，安装简便、维护工作量小、事故率低，特别适合点多、线长、负荷重、电压质量差的农村配电网，是目前最有效且经济的无功补偿方式。但若电容器未安装自动投切装置，则这种补偿方式输出的无功功率是一定的，难免会出现线路轻载时过补偿和重载时欠补偿的现象。

上述方式各有补偿的侧重点，当采用任一种单一补偿方式都不能达到理想的效果时，只有采取多种补偿方式的结合，才能最大限度地限制无功功率在配电网的传输和交换，实现无功供需的就地平衡，获得良好的补偿效果和经济效益。

4 结语

（1）应合理选择小水电变压器的电压比，优化励磁控制方式，提高水轮发电机无功出力。

（2）采用无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少、收效快的节能措施。

（3）选择高质量的无功补偿装置和科学合理的补偿方式，是投资小、见效快，能较大幅度降低线损、提高设备利用率、改善电压质量、提高功率因数、降低用户力率电费的有效途径。

（4）通过无功功率就地平衡，不仅能使全网电压在额定值附近运行，而且能使水力发电厂取得可观的经济效益，有效兼顾电能质量和系统运行的安全性及经济性。

[1]蔡杉.小水电站欠发无功的原因与解决措施浅析[J].广西电业，2006（8）∶83-84.

[2]丘质彬.水电站利用无功补偿增发有功的可行性[J].中国农村水利水电，2003（3）∶66.