自贡电网无功补偿及其优化

刘代顺，常建磊

(自贡供电局，四川自贡 643000)

近年来，由于电网容量的增加，电网无功功率的要求也日益明显。无功功率如同有功功率电源一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保障系统安全运行的重要因素。系统中无功功率不平衡，轻则导致系统电压下降，重则会导致设备损坏、系统解列［1－2］。此外，系统的功率因数和电压降低，会使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，无功功率平衡对电力系统降损节能有着极其重要的意义。

电力系统中无功功率主要体现在两类电力系统元件上，即电力变压器和输电线路。变压器中的无功功率损耗可分为两个部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗损耗。对单级变压器的网络而言，满载时约为它额定容量的百分之几。但在多电压等级网络中，变压器的无功功率相当可观。某五级变压网络(10/220 kV升压，220/110，110/35，35/10，10/0.4 kV 降压)中变压器的损耗统计如表1。输电线路上无功功率也包含两个部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的无功呈容性，即是充电功率，与线路上的电压成正比。而串联电抗中这种损耗与复合电流的平方成正比，呈感性。

表1 某五级变压网络中变压器损耗统计［2］

线路作为电力系统的一个元件究竟是消耗容性或感性的无功是不能肯定的。若按自然功率的概念，当输电线路功率大于自然功率时，线路消耗的感性无功;当输电线路功率小于自然功率时，线路消耗的容性无功。

1 四川自贡电网的无功补偿情况

截至2010年年底，自贡电网现有变电容量1 906.5 MVA，主变压器52台。其中220 kV主变压器7台，主变压器总容量930 MVA;并联电容器容量为56.112 Mvar;110 kV主变压器26台，主变压器总容量968.5 MVA;110 kV电网容性装置配置容量76.6 Mvar;35 kV主变压器19台，主变压器总容量为108 MVA，35kV电网容性装置配置容量6.504 Mvar。

图1 自贡电网主变压器无功补偿统计

随着负荷快速增长，部分变电站高峰负荷时主变压器高压侧功率因数达不到0.95，变电站无功补偿容量不足。无功补偿容量不足同样也导致电网电压控制困难，负荷中心无功平衡脆弱，特别是荣县地区负荷增长较快，无功不足更突出。向家岭电网不能实现无功分层就地平衡，电压降明显增大。

2 无功功率补偿的措施

电力系统中的有功功率主要集中在各类发电厂中的发电机。无功功率电源除发电机外，还有电容器、调相机和静止补偿器等，分散在各变电站(所)。供应有功功率和电能必须消耗能源，但无功功率电源一旦设置后，就可随时使用而不再有其他经常性费用。此外，系统中的无功功率损耗远大于有功功率损耗，且无功补偿措施需要是多种方法相结合。

2.1 发电机

正常运行状态下的发电机总受一定条件，如定子绕组温升、励磁绕组温升、原动机功率等的约束。这些约束条件决定了发电机组发出的有功功率和无功功率有一定的限额。

定子绕组温升决定了定子绕组电流，也就决定了发电机的视在功率。在发电机额定电压UN下运行时，约束条件体现在其运行点不得超出以O点为圆心，以OC为半径的圆弧。励磁绕组温升决定了励磁绕组的电流，决定发电机的空载电动势，即空载电势不得大于EqN，约束条件体现在其运行点不得超出以O'点为圆心，以O'B为半径的圆弧。原动机和定子端部温升约束条件分别体现在线段BC和AB。发电机的运行范围即四边形ABCD内，产生的无功功率有限，大部分时间需要外部进行补偿。

2.2 电容器和调相机

图2 发电机运行极限图［2］

并联电容器是常用的无功补偿措施，它只能向系统提供感性无功功率，功率的大小与其端电压的平方成正比。调相机与发电机工作原理类似，但不同在于其相当于只能发无功功率的发电机。调相机发出的无功与励磁状态有关，过励磁运行时向系统供应感性无功功率;欠励磁时吸取感性无功功率。

2.3 静止补偿器和静止调相机

静止补偿器全称是静止无功功率补偿器(SVC)，主要有TCR型、TSC型和SR型。

TCR型补偿器由多个不可控的电容器构成，如图3(a)所示，图中与电容串联的电感则与其构成串联谐振电路，兼作高次谐波的滤波器。TSC型补偿器如图3(b)所示，其工作原理相对简单，仅以晶闸管开关取代了常规电容器的机械开关。图3(c)中SR型补偿器的滤波回路与TCR型相似，与饱和电抗器相串联的电容则用以校正饱和电抗器的伏安特性。

调相机、TCR型和SR型补偿器可以发出感性和容性无功功率，而电容器和TSC型补偿器只能发出容性而不能发出感性无功。从控制方式和灵活性而言，调相机和TCR型补偿器较优。从反应速度看，三类静止补偿器则较优，其他方面详见表2所示。因此，选择无功补偿装置应综合考虑各特性，做到既经济又有效。

2.4 并联电抗器

对电力网络中的感性无功功率，并联电抗器显然不是电源，而是负荷，但在一些电力系统中确实装有这种设施，用以吸收系统轻载或空载时线路上过剩的感性无功功率。

3 无功功率补偿的优化

由第一节对自贡电网无功补偿现状分析可知，无功补偿主要集中在各变电站(所)，对荣县某负荷增长较快的长线路，无功功率补偿显著不足。现定量分析其补偿方式［4－5］如下。

图3 静止补偿器原理图

表2 电容器、调相机和静止补偿器的特性比较

3.1 单点补偿方式

图4 长线路单点补偿示意图

假定线路全长L，单位长度的无功负荷密度Q0，若在距线路起点距离为Lab补偿容量为Qc的无功功率补偿点，由补偿点至线路末端，即Lab无功潮流为

由起始点至补偿点，即前段L无功潮流为

补偿后，电力网络中损耗减小的数值可表示为

对△P求极值，可令在偏导数∂△P/∂Qc=0，且∂△P/∂Lc=0，可得

由上式可解出，Qc=2LQ0/3=2QR/3，Lc=2L/3，QR为全网线路所需补偿无功功率，即当Qc和Lc满足上述条件时，补偿效果最好，线损下降最大。在此情况下

线损下降率:

3.2 多点补偿方式

为优化线路无功功率补偿，下面讨论多点补偿方式下的补偿情况。由图5(c)及单点补偿推导方法可得无功功率多点补偿的计算式。

第i组补偿器安装位置为

每一组补偿器的最佳补偿容量和总补偿容量分别为

其中，QR为线路所需无功补偿总容量。此补偿情况下，补偿度和线路损耗下降率分别为

单点补偿和多点补偿方式下，网络中线路无功功率潮流分布与无补偿的情况如图5所示。LQ0为长线路总的无功负荷。

图5 补偿前后无功潮流分布图

计算了单点、两点、三点和五点补偿的补偿位置、容量、补偿度和线损下降率。单点补偿时，补偿度和线损下降率可分别达66.67%和88.89%;而两点补偿时，补偿度和线损下降率仅改变13.33%和6.11%。补偿点超过两点，补偿的经济性显著下降，详见表3。

4 结论

通过四川自贡电网运行经验和对无功补偿现状的简要分析，指出系统运行的薄弱环节——无功功率补偿，尤其是长线路的无功功率补偿。在分析各类无功功率补偿装置工作原理的基础上，对比其各自的优缺点，有利于无功补偿装置的合理配置。在传统电容器组补偿基础上，应合理引入各类可连续控制的静止补偿器。针对线路补偿问题，详细讨论了单点补偿和多点补偿的补偿效果，对线路无功功率补偿提供了量化参考依据，一般线路单点补偿可到线损下降80%左右，随着补偿点的增多，线损下降率降低速度显著放缓。

表3 线路无功功率补偿方案分析

［1］刘振亚.特高压电网［M］.北京:中国经济出版社，2005.

［2］陈珩.电力系统稳态分析(第三版)［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［3］刘从洪，邓晓林.10 kV线路无功补偿技术在农网中的应用分析［J］.四川电力技术，2010，33(6):40 －42.

［4］靳龙章，丁毓山.电网无功补偿使用技术［M］.北京:中国水利电力出版社，1997.

［5］杜兵.智能配电网无功优化应用研究［J］.四川电力技术，2010，33(6):34 －36.