變電站無功補償配置方法的研究
2007-12-31 00:00:00莊敬清
現代商貿工業 2007年11期
摘要：主要論述如何通過電力系統分區的方法，確定無功補償點，以及利用無功優化計算功能確定補償點的最佳補償容量，可實現對電力系統無功補償配置情況的評估。
關鍵詞：無功優化配置；電力系統分區；靈敏度分析；無功優化
中圖分類號：TB2文獻標識碼：A文章編號：16723198（2007）10027502
1無功配置的原則
(1)電網的無功補償配置應能保證在系統有功負荷高峰和低谷運行方式下，分(電壓)層和分(供電)區無功平衡。分層無功平衡的重點是220kV及以上電壓等級層面的無功平衡，分區就地無功平衡主要是110KV及以下配電系統的無功平衡。
(2)應避免通過遠距離線路輸送無功電力，330KV及以上系統與下一級系統間不應有大量的無功電力交換。對330kV及以上超高壓線路充電功率應按照就地補償的原則采用高、低壓并聯電抗器基本予以補償。
(3)220kV及以上電網存在電壓穩定問題時，宜在系統樞紐變電站配置可提供電壓支撐的快速無功補償裝置。
(4)在大量采用10～220kV電纜線路的城市電網中新建110KV及以上電壓等級變電站時，應根據電纜出線情況配置適當容量的感性無功補償裝置。
(5)變電站應合理配置適當容量的無功補償裝置，并根據設計計算確定無功補償裝置的容量。35～220kV變電站在主變最大負荷時，其一次側功率因數應不低于0.95；在低谷負荷時功率因數應不高于0.95。
(6)并聯電容器組和并聯電抗器組宜采用自動投切的方式。
(7)35～220kV變電站主變壓器高壓側應裝設雙向有功功率表和無功功率表(或功率因數表)。對于無人值班變電站，應在其集控站自動監控系統實現上述功能。
(8)并入電網的發電機組應具備滿負荷時功率因數在0.85(滯相)-0.97(進相)運行的能力，以保證系統具有足夠的事故備用無功容量和調壓能力。
(9)電力用戶的無功補償。
電力用戶應根據其負荷的無功需求，設計和安裝無功補償裝置，并應具備防止向電網反送無功電力的措施。
①35kV及以上供電的電力用戶，可參照第5條規定執行。
②100KVA及以上10KV供電的電力用戶，其功率因數宜達到0.95以上。
③其他電力用戶，其功率因數宜達到0.90以上。
2技術關鍵
安裝地點和裝設容量，應遵循分散補償和降低網損的原則設置。必須通過電網計算才能合理的確定補償位置和補償容量，以達到節約投資降低網損的效果。
無功優化配置的核心算法是靈敏度分析和無功優化算法。
2.1補償點選擇
無功功率不能遠距離傳輸，電氣距離較小的各點間，無功功率供需的相互支援和調節幾乎是不可能的，電壓/無功控制通常為分級/分區控制。電力系統無功/電壓問題是 局部（區域性）問題，通常是某個薄弱區域由于缺少無功支持而發生電壓不穩定，如果不及時采取恰當的措施，局部電壓不穩定會很快發展為全局電壓崩潰事故，所以對電力系統進行合理分區，在每個分區內確定合適的無功補償節點將會提高電力系統的電壓穩定性。
(1)靈敏度分析。
在常規潮流方程中引入負荷增長水平λ，得到擴展潮流方程：
PGi(λ)-PLi(λ)=Vi∑j∈iVj(Gijcosθij-Bijsinθij)
PGi(λ)-PLi(λ)=Vi∑j∈iVj(Gijsinθij-Bijcosθij)（1）
其中：
PLi(λ)=(1+λ)PLi0
PGi(λ)=PGi0+λβi∑Nj=iPLi0
βi=PGi0∑Npqj=1PGj
式中：Vi為節點i的電壓幅值；θij為節點i與節點j之間的相角差；Gij、B ij分別為導納矩陣元素Yij的實、虛部；j∈i表示所有節點j與i直接相連；λ 為負荷增長水平；PLi0、QLi0、PGi0分別為λ=0時節點i的有功、無功 負荷、發電機的出力；λcr為電壓崩潰點的負荷水平；PGi(λ)、QGi分 別為節點i在負荷增長水平為λ時的發電機有功、無功出力；PLi(λ)、QLi(λ )分別為節點i在負荷水平為λ時的有功、無功負荷。
為了描述方便，簡化式（1）為
0=G(V，θ，λ)（2）
對式（2）求全導數：
0=Gθdθdλ+GVdVdλ+Gλ
即：
dθdλdVdλ=-Gθ，GV-1×Gλ（3）
式中：Gθ，GV為常規潮流方程的雅克比矩陣。
根據式（3）求出dVdλ，并從大到小排序，即得到電壓穩定的 靈敏度排序，dVdλ最大的節點即為電壓穩定最差的點。
(2)電力系統分區。
采用某一節點處電壓幅值變化ΔV對另一節點處注入無功功率變化ΔQ的靈敏度Svq來表示兩節點間的電氣距離。
一般情況下當i≠j時，(Svq)ij≠(Svq)ji，考慮到電氣距離空間 集合中兩節點間電氣距離的對稱性，采用Sij=Sji=［(Svq)ij+(S vq)ji］/2表示節點i與節點j的電氣距離的大小。矩陣S即為電氣距離矩陣，表 示節點間的耦合強度。
根據電氣距離的大小，將電力系統進行分區。
當式（1）中的λ=0時，即為常規潮流方程。 采用某一節點處電壓幅值變化ΔV對另一節點處注入無功功率變化Δ Q的靈敏度Svq來表示兩節點間的電氣距離。 在平衡點處將常規潮流方程線性化（包含PV節點），得到：
ΔPΔQ=JPθJpV
JqθJqVΔθΔV=JΔθΔV(4)
因為電壓和無功是強相關的，因此不考慮有功功率變化，即ΔP=0，則可以將上式簡化為：
ΔQ=［JqV-JQθJ-1pθJpV］ΔV=SqVΔV
ΔV=(SqV)-1ΔQ=SVqΔQ(5)
式中：ΔP、ΔQ分別為節點注入有功功率和無功功率的變化量；Δθ、ΔV分別為節點電壓相角和幅值的變化量；J為潮流方程的雅可比矩陣。
一般情況下當i≠j時，(Svq)ij≠(Svq)ji，考慮到電氣距離空間 集合中兩節點間電氣距離的對稱性，采用Sij=Sji=［(Svq)ij+(S vq)ji］/2表示節點i與節點j的電氣距離的大小。矩陣S即為電氣距離矩陣，表 示節點間的耦合強度。
Sij=Sji0，i=j
［(Svq)ij+(Svq)ji］/2，i≠j（6）
(1)分區原則。
如果電氣距離Sij大，則節點i與節點j耦合強度大，聯系緊密;如果Sij小，則節點i與節點j耦合強度小，聯系弱。電力系統分區的目標是使同一個區間內，節點間的電氣 距離較大；而不同區間的節點間的電氣距離較小，也就是區內耦合大，而區間的耦合小。
(2)電力系統分區的基本步驟。
①根據式（3）計算負荷節點的電壓穩定靈敏度，并按照從小到大進行排序。
②根據式（6）計算節點間的電氣距離。
③找出最大電氣距離max(S)、最小電氣距離min(S)，取r=(max(S)-min(S) /2)，步長step=r。
④以PV節點（含有無功儲備的節點）作為中心點i。
⑤從中心點i開始，進行分層搜索，如果與中心點相連的節點j之間的電氣距離Sij大 于常數r，則節點j與i合并為一個區，形成初始分區m。
⑥尋找與j相連的節點k，若節點k與中心節點i之間的電氣距離Sik大于常數r，節點k 合并到分區m中。
⑦重復步驟6），直到與中心節點的電氣距離小于常數r，則形成分區m。
⑧重復步驟4）、5）、6）、7），形成以PV節點為中心的Npv個分區。
⑨找出剩下的負荷節點中電壓穩定靈敏度最大的節點，作為中心節點，重復步驟5）、6）、7），得到以此負荷節點為中心的分區。
⑩重復步驟9），得到電力系統的分區。
B11設PV節點數與無功補償節點數之和為count，step=0.5*step，如果分區數大于cou nt+β(β為松弛變量，本文取為7)，調整常數r=r-step；如果分區數小于count時，調整常 數r=r+step。重復步驟4~10，直到分區數介于(count，count+β)之間，（在本文的兩個例子 中，對r進行四次調整得到最后的分區結果）。分區結果還須限制區域內最大、最小節點數。
(3)確定無功補償節點。
所有不包含PV節點的分區個數，即為無功補償的節點數。每個分區內電壓穩定靈敏度最 大的節點即為無功補償節點。
2.2補償容量確定
電力系統無功化配置屬于離線分析的范疇，但是必須以電網的實際數據作為基礎。所以系統設計為在線運行模式，每日保存典型時刻歷史數據斷面，以備歷史數據管理和分析之用。
(1)技術方法。
從系統歷史數據庫中獲取系統日大方式的數據斷面。假定所有并聯補償節點上具有足夠的無功補償容量，采用改進的二次規劃法，進行無功優化計算，得到各補償節點最優的無功補償量。將最優無功補償量與實際無功補償量進行對比，得出節點無功缺額。根據無功缺額，確定無功補償點及所需配電容器的類型及個數。
(2)無功優化算法。
無功優化算法以目標函數為網損最優，以并聯補償節點的無功補償作為控制變量， 以母線電壓的考核上下限作為約束進行優化計算。
通過優化計算，可得到各無功補償節點的最佳補償容量。與當前的無功配置情況作比較，就可以對系統無功配置的情況進行評估。確定無功補償的最優配置方案。
參考文獻
［1］武志剛．新技術條件下的電力系統電壓穩定研究［D］．天津：天津大學，2002．
［2］張堯．電力系統靜態電壓穩定與電壓控制的研究［D］．天津：天津大學，1993．
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
