電力系統電壓與無功功率優化

楊莉

摘 要：保證系統電壓的正常運行水平和無功功率優化配置是電網經濟調度的一個重要組成部分，根據系統目前運行現狀，找出系統電壓和無功功率運行存在的問題，并提出解決措施及建議，提高電網運行電壓和經濟運行水平。

關鍵詞：電壓；無功；無功補償

1 系統電壓及無功功率存在的問題

近幾年，電網建設投資規模加大，電網結構日趨完善，新建變電站均按規程規定要求配置了無功補償裝置，110kv及以上變電站主變均選用有載調壓變壓器，對穩定系統電壓，提高電壓運行水平起到了重要的作用，但在部分地方電網、農村配網，在滿足用戶電壓質量和無功功率就地平衡問題上還存在比較突出的問題：

1.1 在部分地方電網，由于與主網聯系薄弱，電網設備陳舊，部分變電壓無功補償裝置補償容量不足，需大量從系統吸收無功，在系統負荷高峰期無功出力不足，系統電壓偏低。

1.2 農村配電網由于輸電距離長、線徑小，農村用戶低電壓問題突出。

1.3 無功補償裝置基本都是在變電站進行集中補償，無功功率在10kv配網中傳輸較多，根據無功功率補償原則，最佳補償點應在用戶側和配變低壓側，以減少無功功率在系統中的傳輸和提高用戶電壓水平。

1.4 目前，小水電站大規模開發，規模較小的電站基本均以10kv電壓等就近接入電網運行，對小水電站缺乏監督管理手段，很少進行無功功率管理，小水電基本都是只發有功，不發無功。

2 電壓與無功功率特性

為了合理地進行無功功率補償，對電壓與無功功率的關系進行簡要分析。交流電力系統需要電源供給兩部分能量，一部分是用于能量轉換而被消耗掉，我們稱為“有功功率”，另一部分能量是用來建立磁場，由電能轉換為磁能，再由磁能轉換為電能，周而復始，并沒有消耗，對于外部電路它并沒有作功，這部分能量我們稱為“無功功率”，在電力系統中，除了負荷無功功率外，變壓器和線路電抗也需要消耗大量無功功率。但是，需要說明的是電壓與無功功率之間的關系要比頻率與有功功率之間的關系復雜得多，大體上表現在以下幾方面：

一是在一個并列運行的電力系統中，任何一點的頻率都是一樣的，在無功功率平衡時，整個電力系統的電壓從整體上看是正常的，是可以達到額定值的，但有些節點處的電壓并不一定合格，如果無功不是處于平衡狀態時，那么情況就更復雜了，當無功出力大于無功負荷時，電壓普遍會高一些，但也會有個別地方可能低一些，反之，也是如此。

二是系統需要的無功功率遠遠大于發電機所能提供的無功出力，這是由于現代高壓電網包括各級變壓器和架空線路在傳送電能時需要消耗大量的無功，即“無功損耗”，一般來說，這些無功損耗與整個電網中的無功負荷的大小是差不多。

三是無功功率不宜遠距離輸送，當輸送功率與傳送距離達到一定極限時，其無功損耗Q=I2X相應也很大，所輸送的無功功率均損耗在變壓器及線路上了。另外，傳送大量的無功功率時，線路電壓損失也相當大，同樣會造成無法傳送的結果。

所以，合理的就地無功補償對調整系統電壓、降低損耗有十分重要的作用。在進行無功功率補償時應該力求實現在額定電壓下的系統無功功率平衡，根據這個要求來裝設必要的無功功率補償裝置。

3 無功功率補償整改措施及建議

根據電力系統超無功電壓存在的問題，結合無功功率特性，建議從以下幾個方面對我司無功功率配置進行優化：

3.1 加強電網側無功補償裝置的配置

一是加強同并網大電網的協調，在枯水期、伏旱期提高大電網運行電壓運行水平，可直接改善系統運行電壓水平。

二是清理現有無功補償裝置，根據變電站負荷情況對無功補償裝置進行調整，同時對新建變電站配置充沛的無功補償裝置。

3.2 加強10kv配網側無功補償

一是建立小水電站的功率因數考核制度，目前已正在開展。根據運行數據分析并結合現有小水電分布情況，建議對小水電無功補償實施區別對待，對配電線路上T接小水電較多的電站建議按功率因數0.9進行考核，小水電較少的線路T接小水電按0.85進行考核，若功率因數考核均按0.85或0.80考核時，配網無功功率將向系統上網，反而增大線路損耗。

二是開展重負荷配變和重負荷用戶無功補償以及重負荷線路無功補償。由于35kv、10kv及一些低壓配電線路的阻抗相對較大，無功潮流在線路上流動時引起的功率損耗和電壓降落均較大，所以，在配網側進行無功補償可以有效地減少無功功率在電網中的輸送，降低網損和改善用戶電壓水平。根據計算，進行無功補償后，降損效果如下式：

即當功率因數從0.85提高至0.95時，通過上式，可求得有功損耗降低達20%左右，降損效果最明顯，線路無功補償的經典補償方式如下表：

三是按無功功率分層分區、就地平衡的原則開展電網無功經濟運行，合理投退無功補償裝置。

4 無功功率補償方式

目前，采用較多的幾種無功補償裝置分別為電容器、同步調相機、電抗器、靜止型動態無功補償器（即SVC）等。

電容器以其投資省、運行費用低、運行維護簡單和應用范圍廣而被廣泛使用；但電容器的缺點是輸出無功功率與運行電壓的平方成正比，電壓降低，輸出的無功將急劇下降，所以，事故情況下，電容器不能起到穩定系統電壓的作用。

同步調相機是一種不帶機械負載的同步電動機，它是最早采用的一種無功補償設備，其主要缺點是投資大，運行維護復雜、能耗高，在并聯電容器得到大量采用后，它退居次要地位；但也有其明顯的優點：調相機可以根據系統無功的需要，調節勵磁運行，過勵磁時可以做到發出其額定100%的無功功率，欠勵磁時還可以吸收其額定容量50%的無功功率，同時可以安裝強行勵磁裝置，當電網發生故障時，可以強行勵磁，保持電網電壓穩定，因而提高系統運行的穩定性。

電抗器是一種感性無功補償設備，它可以吸收系統中過剩的無功功率，避免電網運行電壓過高。一般就安裝于超高壓等級變電站和線路，為了防止超高壓線路空載或輕負荷運行時，線路的充電功率造成線路電壓升高，同時系統故障時產生的過電壓。

靜止型動態無功補償器是近年來發展起來的一種動態無功功率補償裝置，電容器、電抗器、調相機是對電力系統靜態無功電力的補償，而靜止型動態無功補償器主要是對電力系統中的動態沖擊負荷的補償和抑制諧波，如大型電爐煉鋼、大型軋機以及大型整流設備等，也可在電力系統的電壓樞紐點、支撐點靜止型動態無功補償器來提高系統的穩定性。其最大特點是調節快速，響應速度遠遠高于調相機，一般只有20ms，可以迅速改變所輸出無功功率的性質和保持母線電壓恒定。

5 結束語

電壓是電能質量的重要指標之一，電壓質量對電網穩定及電力設備安全運行、電網損耗、工農業安全生產、產品質量和人民生活用電都有直接影響。電力系統的無功優化和無功補償是提高系統運行電壓，減小電網耗損，提高系統穩定水平的有效手段。隨著調度自動化、配網自動化和無人變電站的實現，需要速度快，收斂性良好的算法，同時伴隨著電力市場化的推進，無功優化的理論也將相應改變并進一步完善，無功功率優化將得到進一步的改善。