配电网串联补偿节能效果评估

余绍峰， 胡叶舟， 金涌涛， 尹忠东， 冯 寅， 张碧涵

1. 浙江省电力科学研究院 杭州 310014 2. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室 北京 102206

1 课题背景

根据电网损耗统计，输配电网系统不同组成部分的线损比例差异较大，其中，高压输电线路和高压变压器的电能损耗一般都低于10%，而中低压配电系统损耗占70%以上，是电网节能降损的重中之重。对于中低压配电网线损，除了管理线损(表计维护、防偷窃电等)以外，在技术方面线损也有较大的节能潜力，尤其是随着经济的发展，电力负荷快速增长及配电网建设相对落后，导致配电网线损高、电压质量恶化。配电网作为最后一个直接与用户相连接的关键供电环节，其运行直接关系到广大城乡用户的用电质量，因此，电网企业应将不该损耗的电量转化为效益，多供少损；应着重对中低压配电网技术方面的线损进行改善，探寻降低线损的技术方法；通过电网改造，探索交直流新型配网[2]；通过设备更新，大力加强节能技术改造，实现节能技术改造与基本建设、科技投入有机结合，提高生产效率，促进节能减排。电网企业应在国家节能减排过程中发挥中流砥柱的作用。

串联补偿技术作为20世纪发展起来的新兴技术，其主要应用范围是高压长距离输电线路和电气化铁路供电系统。目前国内已经广泛认可串联补偿技术是一种能够提高线路输送能力、改善线路运行状况的有效技术，已大规模应用于超高压远距离输电系统中[1]。近年来，串联补偿技术在配电线路上的应用也渐渐进入不少国内电力从业者的视野，配电网串联补偿技术能够改善辐射状配电线路沿线电压分布，减小供电线路末端的电压降，并具有负荷自适应电压调节和实时响应的特点，尤其适用于偏远山村的供电线路。

2 串联补偿节能基本原理[3-6]

图1 串联补偿线路等效电路

此时，线路首末端电压降表达式为：

(1)

(2)

式中：XL为未加固定串联补偿的线路电抗，Ω；XC为串联补偿装置容抗，Ω；k为串联补偿度，k=XC/XL；US(t) 为线路首端电压有效值，kV；P(t)为负载有功功率，MW；Q(t)为负载无功功率，MW。

3 串联补偿节能量化模型

串联补偿投运引起全网拓扑参数的变化，其精确的节能量应该用潮流方法进行计算。根据图1所示串联补偿等效电路，基期线路有功损耗和无功损耗表达式为：

(3)

(4)

统计报告期线路有功损耗和无功损耗表达式为：

(5)

(6)

3.1 串联补偿线路节约有功功率量化模型

根据《国际节能效果测量和验证规程》及国家标准GB/T 28750—2012《节能量测量和验证技术通则》的要求，串联补偿线路节约有功功率由基期能耗和统计报告期能耗差值计算，计算过程中负载参数相同。基期能耗计算时，串联补偿度k=0，可得到串联补偿线路节约有功功率表达式：

ΔP(t) =P1(t)-P2(t)

(7)

3.2 串联补偿线路节约无功功率量化模型

串联补偿线路节约无功功率表达式为：

ΔQ(t) =Q1(t)-Q2(t)

(8)

4 串联补偿节能指标[7-10]

4.1 供电半径和导线截面积

由电阻公式可知，配电线路的电能损耗与导线长度(即供电半径)、电阻率成正比，与导线的截面积成反比。加大导线截面积或使用电阻率低的导线会降低导线电阻，减小电能损耗和线路压降。在负荷不变的情况下，大截面、短距离导线相对于小截面、长距离导线，导线的电阻较小，可减小线路的损耗。为节约能耗，并考虑客观实际情况，应合理选择导线截面积、材质等。

4.2 母线电压

电压调整是指通过调整变压器分接头、在母线上投切电容器及调相机调压等手段，在保证供电电压质量的前提下对运行电压作小幅度调整。调整电网运行电压可以降低配电网的电能损耗，但并不是配电网的电压调得越高或越低，线损电量就越小，因为在一个配电网中往往有多台变压器，其铁芯损耗与电压的平方成正比，而绕组中的损耗、铜损和输电线路电阻小的损耗(统称为可变损耗)则与负荷电压的平方成反比。对同样大小的负荷而言，如果提高运行电压，则会导致铁损增大、可变损耗减小，因此必须合理地调整电网的运行电压，以达到降损节能的目的。

4.3 串联补偿安装位置

对于配电线路的串联补偿而言，补偿点距离需要补偿的负荷点越近，对其电压的补偿效果就越好，所以一般选择补偿点尽可能遵循就近补偿原则。另外，由于串联补偿装置的设置选择较为灵活，能够加装在沿线杆塔附近，因此也可以根据实际线路需要，决定是在一处集中安装，还是在几处分散安装。通常情况下，较短线路及中等线路可以选择在线路末端或线路中集中安装，线路较长且集中补偿所需要的装置规模过大时，可选择在线路几处分散安装。

若线路沿线有多条分支馈线，为使全线电压均满足电压调节要求，即在90%～110%线路额定电压范围内，需要在保证线路末端电压不低于正常范围的同时，控制补偿点电压不高出正常调压范围，再综合考虑串联补偿的经济性及其保护配置的难易程度来确定安装位置。

4.4 串联补偿度

串联补偿度k用于表征串联补偿电容器的容抗大小，定义为串联电容器的容抗值与电源母线和电容器安装点之间的线路等值电抗之比或其百分数。对于k的具体取值，应视线路具体情况和补偿点位置而定，并且要充分考虑线路5年后的负荷发展水平。若仅考虑配电线路调压问题，k取值多在0.8～4之间，国外应用于配电线路的电容器，k多为1～4，可以获得较高的电压补偿度。

一般情况下，存在电压问题的配电线路，其线路电阻较大，有时甚至可能高于线路电抗，为了补偿一部分线路电阻造成的压降，将k设置为大于1。k如果取得过高，容易发生铁磁谐振和自励现象，需要采取措施予以消除，会给串联补偿装置带来复杂的操作，且增加投资。因此，在工程上，特别是在解决乡镇和工矿企业线路调压问题上，比较经济的方法是降低k，尽可能从设计上避免发生铁磁谐振和自励磁。

4.5 负荷率

对于串联补偿电容器的前方线路，安装串联补偿电容器相当于在其线路后方增加一个容性负荷QC，此时忽略纵分量，线路压降变为：

(9)

式中：PL、QL分别为线路末端流出的有功功率和无功功率。

由于绝大多数情况下线路负荷为感性，而串联补偿电容器为纯容性，因此QC与QL异号。不论是架空裸线还是电缆线，其单位长度的感抗在数值上都略大于电阻值，因此随着负荷减小，一定会存在一个值使ΔU为0。高负荷率运行时，QL明显大于QC，则ΔU为正，即线路电压会有所下降。随着负荷率下降，PL、QC和QL都会减小，则ΔU也在逐渐减小，且减小的幅度慢慢下降，表现为线路电压压降小且电压沿线分布曲线越来越平缓。当QL数值减小至小于QC后，ΔU减小的幅度将更加缓慢，直至两者相加为0，将会出现线路电压压降为0的现象。随后，随着线路负荷进一步减小，ΔU将开始呈负值，沿线电压开始升高。同时，由于线路负荷过小，长距离线路的对地电容对线路压降造成的影响开始起主要作用，并且随着线路负荷越来越小，线路电压抬升幅度越来越大。

对于串联补偿电容器的后方线路，其线路及负荷参数不受串联补偿电容影响。当负荷减小到一定程度时，线路对地电容对沿线电压下降的影响开始起主要作用，轻载长线路整体表现为容性，沿线电压进而缓慢上升。

5 案例分析

华东某地区10kV线路供电半径16.5km，主线及最大线路分支上共计22个主要负荷分支点，负荷主要集中于主线末端，最大负荷功率4.47MW，线路始端功率因数0.91，线路配变总容量12625MVA。

由于实际负荷运行情况复杂，难以进行有效统计，各分支线路的负荷根据提供的各分支线路配变总容量带载率估算，功率因数近似取0.85。

线路主要运行信息及存在的问题见表1，在电力系统综合程序PSASP中建立10kV配电线路模型，按照各配电变压器满载运行设置各分支末端负荷。全部参数录入后，根据供电局提供的最大负荷运行数据计算平均负荷率，调整全体负荷。

表1 某10kV线路信息表

该线路可以考虑的安装点位置有3个备选： ① 全线路电压下降1/2处的主线32号杆附近；② 线路首个电压不合格负荷点主线54号杆附近；③ 线路电压不合格区域内电压下降较快的重负荷分支前方的主线73号杆至主线82号杆附近。

以全线路电压最低点补偿至最低调压要求为目的，就上述三处备选点进行串联补偿仿真，讨论不同补偿点的效果差异。

表2的数据对比显示，安装串联补偿电容器后，线路有功损耗明显降低了，并且在主线首个电压不合格点补偿时其降低损耗的效果最差，靠近线路末端负荷集中区域补偿时其降低损耗的效果最好。

因此，对于负荷集中于末端的配电线路，为获得较好的电压补偿效果，补偿点应尽量靠近末端负荷集中区域。

表2 不同补偿点补偿效果对比

表3的数据显示，随着串联补偿度的增大，线路有功损耗的减小程度在逐渐降低。结合两方面数据，可以推断出，串联补偿度在2.0～2.5时，改善电压和降低线路有功损耗的效果都比较理想，也就是说，在满足线路调压要求的前提下，串联补偿度取在这个范围内，经济性相对较好。

表3 不同串联补偿度补偿效果对比

因为辐射型线路分支点众多，实际运行时负荷的变化具有较高的复杂性，负荷改变时的参数难以准确计算，各分支线负荷等比例变化几乎是不可能的，所以通过简单分析主线负荷率的高低来判断何时应该将串联补偿电容器予以切除是不切实际的。赋定边界条件的分析仅能通过调整等值负荷率来接近其中一种情况下的临界值，即全线路负荷以同等幅度同时减小时需要切除串联补偿装置的临界值。表4列出了负荷率分别为100%、80%、30%和20%时参数的对比，以作验证。

表4 几种负荷率下的线路参数对比

对于本文所述线路而言，全线路负荷均以同等幅度下降至满载负荷的30%左右时，若不准备采取其它措施以控制电压，那么应将串联补偿装置切除。可以将此时流过串联补偿电容的电流作为参考临界，对流过串联补偿电容的电流进行监测，当其数值和相角都接近这个临界点时，为保证线路电压符合调压要求，将串联补偿装置切除。

容易推论，对于不同的实际线路，负荷特性不同，所采取的补偿度设置，以及串联补偿装置切除临界点的参数亦不相同，30%的负荷率指标不具有普适性。实际工作中，应根据具体线路实际进行仿真分析，科学设定串联补偿装置的投切规则。

6 结论

以华东某地区10kV配电线路固定串联补偿为分析对象，通过理论分析和数字仿真相结合的研究手段，就10kV配电线路固定串联补偿电容器的节能效益进行了评估分析，得到了结论。

(1) 对地区配电网做固定串联补偿优化时，由于配电线路和母线电压是不变的，因此影响节能效益的因素主要有串联补偿安装位置、串联补偿度和线路负荷率。

(2) 通过合理选择配电网固定串联补偿装置的安装位置及串联补偿电容大小，根据线路工程实际适当选择集中补偿或分散补偿，能够获得最佳的技术经济效益。

(3) 固定串联补偿具有负荷自适应性，在重载线路能够获得理想的补偿效果，但在负荷变动较大的轻载线路可能导致补偿点前方线路电压异常升高，需要设定合理的投切串联补偿电容器原则。

(4) 我国城乡配电网的负荷昼夜变化较大，部分线路夜间负荷非常小，配电网固定串联补偿装置的安装位置及串联补偿电容的容量可以通过理论估算方法获得。

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