利用配电网静止无功补偿器改善配电网电能质量的方法

赵晓芳 张旭敏

摘要：随着社会经济的快速发展，人们用电量的增加，接入电源和输配电线路越来越多，加大了电力系统的负荷，使电力运行中常有无功功率产生，电力系统的无功优化和无功补偿是提高系统运行，电压减小，网损提高，系统稳定水平的有效手段。为了作好降损节能的作用，改善电能的质量，提高输变电设备的有功出力，使电气设备在最佳经济状态下运行，使有限的电力更好的为社会主义建设事业服务，因此做好无功优化和无功补偿工作势在必行。

关键词：配电网;无功优化;无功补偿

引言

随着国民经济的迅速发展，用电量的增加，电网的经济运行日益受到重视。降低网损提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一。特别是随着电力市场的实行，输电公司通过有效的手段，降低网损，提高系统运行的经济性，可给输电公司带来更高的效益和利润。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研究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，而且可以降低有功网损和无功网损，使电力系统能够安全经济运行。

一、配电网无功优化的目的及意义

无功补偿是指在配电系统中安装并联电容器等容性设备。这些设备可供给感性负荷所消耗的部分无功功率，对电网中的无功功率进行补偿，从而降低线路的电能损耗并提高系统的功率因数，改善电网的运行条件。提高功率因数有着重要的意义，它可以提高设备出力，降低电网中输电线路上的有功损耗和电能损耗，同时还可以降低配电系统的线损电压，减少电压波动，改善供电质量。无功优化是指在电力系统运行期间，调度人员如何在有功功率分配这一条件下，利用无功控制手段来调整系统的无功潮流分布，使得电力系统既能满足各种约束条件，又能实现系统有功损耗最小等预定目标。电能的质量及其生产的经济性是供电部门高度重视的问题，开展无功优化工作将在工程实践中产生重要的作用和显著的经济效益。

二、配电网无功补偿的基本原理

无论是工业负荷还是民用负荷，大多數均为感性。所有电感负载均需要补偿大量的无功功率，提供这些无功功率有两条途径：一是输电系统提供;二是补偿电容器提供。如果由输电系统提供，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率。由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。而由补偿电容器就地提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。

三、配电网无功优化的方法

由于无功优化模型的处理不同以及优化目标函数的选择不同，所使用的优化方法也有差异。目前主要两大类优化方法：一类传统的优化算法，这类算法从某个初始点出发，按照一定的轨迹不断改进当前解，最终收敛于最优解。这类优化算法主要有线性规划法、非线性规划法、混合整数规划法、动态规划法;该类方法经历了三个阶段，第一是仅考虑等式约束的基于拉格朗日函数的等网损微增率准则，该准则概念清楚、简捷快速，在电力系统运行调度和方式制订上作用显著，尤其是凭经验进行的决策;第二是考虑不等式约束的各类优化算法，如梯度类算法、线性规划法、二次规划法及混合整数规划法等;第三是障碍函数类算法，如内点法，该类算法具有计算速度与求解问题规模不大相关等特殊优点，因而成为优化研究领域的一个热点。

另一类是智能优化算法，它们从一个初始解群体开始，按照概率转移原则，采集某种方式自适应地搜索最优解人工智能算法是一种以一定的直观基础而构造的算法。近年来，基于对自然界和人类本身的有效类比而获得启示的智能算法在电力系统无功优化中的应用受到了人们的关注，具有代表性的有人工神经网络、粒子群算法、模拟退火法、遗传算法等。智能方法是无须解析表达就能进行优化的方法，包括具有不同智能程度的一系列搜索优化算法。它们以一个初始解群开始，按照概率转移原则，采用某种方式搜索最优解。以遗传算法、模拟退火法等为代表的智能搜索算法，对于搜索空间基本上不需要什么限制性假设，因而具有全局寻优能力，弥补了传统数学规划方法的不足，在电力系统无功优化中得到了成功的应用。

四、配电网无功补偿及经济技术优化

（1）变电站集中补偿方式

针对输电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，这些补偿装置一般连接在变电站的10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点。为了实现变电站的电压控制，通常采用并联电容器组结合变压器有载调压共同调节。利用电压九区图控制法配合调节来进行电压无功控制，是一种变电站电压无功控制的有效方法。然而操作上较为麻烦，因为由于限值需要随不同运行方式进行相应的调整，会在某些区上产生振荡现象;而且由于实际操作中变压器有载分接头的调节和电容器组的投切次数是有限的，而电压九区图控制法没有相应的判断。因此，现行电压九区图控制法的调节效果还有待进一步改善。

（2）低压集中补偿方式

在配电网中，目前国内较普遍采用的无功补偿方式是在配电变压器380V侧进行集中补偿，通常采用微机控制的低压并联电容器柜，根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿，实现无功补偿的就地平衡，对配电网和配电变的降损有积极作用，同时也有助于保证该用户的电压水平。

（3）杆上补偿方式

采用10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上进行无功补偿，以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境和空间等客观条件限制等问题。因此，杆上无功优化补偿必须结合以下实际工程要求来进行：补偿点宜少、杆上补偿不设分组投切、补偿容量不宜过大、保护方式应简化。杆上无功补偿主要是针对10kV馈线上的公用变所需无功进行补偿，因其具有投资小，回收快，补偿效率较高，便于管理和维护等优点，适合于功率因数较低且负荷较重的长配电线路，但是因负荷经常波动而该补偿方式是长期固定补偿，故其适应能力较差，应积极开发应用电容器组能自动投切的杆上无功补偿技术。

（4）用户终端分散补偿方式

直接对用户末端进行无功补偿，将最恰当地降低配电网的损耗和维持配电网的电压水平的有效措施。对于企业和厂区中的电动机，应该进行就地无功补偿;针对小区用户终端，地点分散，应积极开发应用一种新型的低压终端无功补偿装置，并满足要求：智能型控制、易安装、功能完善、造价较低。与前面三种补偿方式相比，用户终端分散补偿方式更能体现以下优点：线损率可减少约20%;减小电压损失，改善电压质量，进而改善用电设备启动和运行条件;释放系统能量，提高线路供电能力。缺点是由于低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功需求来确定安装容量，而各配电变压器低压负荷波动的不同时性造成大量电容器在负荷较轻时出现闲置，设备利用率不高。

结束语

综上所述：无功优化已是配网系统安全经济运行的核心问题之一，它的目标是在满足约束条件的前提下，使系统的某个指标或多个指标达到最优，在现代化的能量管理系统中占有重要地位。配网系统电压，无功优化在保证满足运行约束的同时，用尽量少的无功投入，最大限度地改善电压质量、降低网损。随着电力科学技术的不断进步，配电网无功补偿技术必定会再上新台阶，满足新需求。

参考文献

[1] 靳龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术[M].北京：中国水利水电出版社，1997.

[2] 徐先勇，王正风.电力系统无功功率负荷的最佳补偿容量[J].华东电力，1999.

[3]王正风，洪梅，王凤霞.无人变电站中无功优化软件的设计和研究[J].电力建设，2001.