電力系統無功補償點及其補償容量的確定

廖宗茂

（廣東立勝電力工程有限公司廣東佛山　528200）

電力系統無功補償點及其補償容量的確定

廖宗茂

（廣東立勝電力工程有限公司廣東佛山528200）

現階段，隨著我國經濟的發展，社會的進步，生產和生活對于電能的需求不斷增加，電網規模也不斷擴大。在電力系統中，無功補償是電網運行中必不可少的環節，對無功補償的優化，也是眾多電力工作者面臨的重要課題。關于電力系統無功補償的優化問題，可以看作非線性組合優化問題，極具復雜性。尤其是電力系統無功補償點以及補償容量的確定，更是大費周章。本文在研究簡單交流電路的電壓電流特性之后，通過對無功裕度的研究，對無功補償點進行明確，并在混合改進遺傳算法的基礎上，對無功補償的容量進行優化，確保電力資源的合理配置。

電力系統；無功裕度；無功補償點；補償容量；混合改進遺傳算法

在電力系統中，電網所能承受的負荷與容量是有一定限度的，對于任何的電力系統都是這樣。隨著電網負荷的增加，電網容量的增加，電網的安全問題和經濟性問題也會越來越突出。為了有效降低電網的無功損耗，提高電網的運行效率，提高供電質量，電力部門做出了大量的嘗試和努力。為此，無功優化問題也成為了電力工作者廣泛關注的問題，作為保證供電質量的不可或缺的手段，必然要不斷精確無功補償點和補償容量，確定正確的補償方法。

1　電力系統無功補償的內容和原則

在電力系統中，為了保證系統的安全運行，就必須對其中的無功功率進行優化和補償。為了保證無功補償的效果，必須確保無功補償點的合理性。通過合理選擇無功補償點，實現對電力系統電源的合理配置，維持電力系統的電力水平，是實現電力系統安全、穩定運行的重要條件。通過對無功補償點的合理選擇和優化，電力系統能夠有效避免無功功率的長距離傳輸，從而使得有功電網損耗和無功損耗得到有效控制，促進電力系統的安全運行，保證電網運行過程中的經濟效益。

提及電力系統的無功優化規劃，主要涉及兩大內容：①對無功補償點的確定；②對無功補償節點補償容量的確定[1]。無功補償節點的選擇，與電網的經濟性、安全性以及穩定性都有著密切聯系。

為了有效實現無功補償的優化，補償點確定的科學性是最基本的立足點。在傳統的做法中，無功補償點的確定必然遵守固定的原則：①需要根據電網自身的特點，總結電網網絡結構特點，選擇中樞點，以方便對其他節點的控制，將電網電壓控制在合理的范圍內。②無功補償點的選擇，應該采取就地平衡原則，同時選擇承受過大無功負荷的節點作為補償點。③在無功補償點的選擇中，應該遵守分層平衡的原則，在具有不同電壓等級的線路中，通過分層平衡，能夠有效避免不同電壓等級的無功功率流動，降低電網的無功損耗，提高電力系統運行的經濟效益。④在電力系統中，無功補償的標準應該維持在0.7以上[2]。

2　無功補償點的確定

2.1電力系統電壓穩定狀態下的約束條件

設潮流功率方向為S（送端）→R（受端），將電路簡化后，其交流支路圖1[3]所示。

圖1　簡單交流電路

以靜態電壓穩定為前提，兩個功率圓的標準形式為：

則，兩個圓的圓心坐標分別為：

則半徑可以表示為：

兩個圓心之間的距離，用D表示，則可以表示為：

其相交和相切情況則如圖2所示。

圖2　兩功率圓的位置關系示意圖

2.2無功裕度

根據電網的運行特點，當電網負荷達到臨界值時，電網電壓幾近崩潰，必須以電壓穩定為前提，并同時滿足rP≥0，rQ≥0，rP+ rQ≥D這三個條件。由此可得，無功裕度的定義可以概括為：在靜態電壓穩定的前提下，系統運行點與臨街崩潰電壓點之間的電氣距離，可以表示為QRPM=rP+rQ-D[4]。

電力系統的網絡拓撲如圖3所示，根據相關理論，節點i的等效無功裕度可以表示為：

式中：Ni表示與節點i相連接的支路數，j是與節點i相連的節點。

圖3　網絡拓撲示意圖

2.3節點無功裕度值計算方法

無功裕度值與無功補償容量之間存在必然的聯系，無功裕度值越高，無功補償容量就越小。如果無功裕度值較低，則正好相反，所需的無功補償容量就越大。通過對無功補償點的選擇，能夠精確地實現對無功裕度的計算，其計算方法主要可以劃分為以下幾個步驟：

（1）立足于電力系統本身，根據其結構特點和線路參數，對電網中的潮流進行計算，并準確得到不同節點的電壓和功率。

（2）根據第二章第一小節的計算公式，得出不同節點的rP、rQ以及D。

（3）借助網絡拓撲，根據無功裕度概念和公式，得出每個節點的無功裕度值，并按照一定的規律進行排列組合。

（4）一般而言，通過計算得到的無功裕度值會按照大小順序進行排列，從小到大，根據這個數據合理采取無功補償措施。

3　無功補償容量的確定方法

在電力系統中，無功補償規劃可以看做數學中的最優問題，但是具體到電力系統中，該規劃具有明顯的不連續性和不可微性，同時涉及到多個目標的優化，其復雜性可想而知。在確定無功補償容量的過程中，首先應該通過目標函數，將有功損耗降低，提高電壓水平，降低額外無功容量費用，降低整個系統運行過程中的費用消耗。

在通常情況下，混合改進遺傳算法是確定無功補償容量的重要手段。在這個算法下，又可以分為一階算法和二階算法[5]。

在充分考慮無功優化特點的前提下，將改進遺傳算法和二階傳統搜索技術相融合，改進后，這樣的計算過程可以簡化為以下幾點：

（1）編碼：基于預解決問題的特點，借助浮點數編碼的方式進行編碼，通過基因值變量取值范圍來表示，通過編碼長度使得變量數量得到控制。

（2）選擇：在建立合理的評價機制后，通過競爭，優勝劣汰。

（3）交叉和變異：在遺傳算法中，交叉率和變異率是影響性能的關鍵因素，與收斂性直接相關。如果這兩個指標適當增加，則可以表明種群趨于一致或局部優化。

（4）算法終止。通過最大遺傳代數和最優個體適應值相結合的原則，在最大遺傳代數N的范圍內，保留滿足條件的最優個體，輸出最優值。

在一階算法終止后，能夠運用二階算法對搜索領域逐漸縮小。為了有效提高結果的精確度，應該以一階算法終止后獲得的最優值為二階算法的初始值，進行直接的優化搜索。與一階算法相比，二階算法的優越性，明顯體現在局部搜索能力方面，二階算法具有更強的局部搜素能力，從而更容易獲取全局的最優值。

4　電力系統無功補償的方法和設備分析

在電力系統中，無功補償具對于維系電網安全穩定運行有重要的作用，需要對無功補償進行優化規劃。要想順利實施，就必須采取合適的方法，借助特定的設備，為電網運行提供可靠的技術支持。

按照補償位置和接線方法，無功補償可以分為三種不同的形式，分別是集中、分組和就地補償三種。在實際應用中，行之有效的補償設備主要包括同步調相機、并聯電容器和電抗器、靜止無功補償器等。

其中，所謂的同步調相機，其實質就是同步電動機的一種，只不過沒有了機械負載。作為最早使用的無功補償設備，隨著并聯電容器使用量的增加，它在無功補償界的地位也不斷下降。現階段，使用最為廣泛的當屬并聯電容器，占據電力系統無功補償設備的90%。在實際使用過程中，并聯電抗器能夠起到吸收剩余無功功率的作用，從而有效避免了電網的電壓過載危險[6]。

現階段，隨著經濟的發展，科技的進步，電網技術的完善，靜止補償器逐漸應用到電網無功補償的實際，從而實現了電力系統關鍵節點無功補償的理想狀態，對于提高電網的穩定性有著不可推卸的責任。隨著靜止補償器的應用，電力系統的經濟效益、社會效益和安全效益都得到了有效保證。

在這些設備的應用中過程中，不論是電容器、電抗器還是調相機，其對電網的無功補償均是靜態的，而靜止補償器則實現了無功功率的動態補償。這得益于其本身的內部結構，通過內部兩個反并聯的晶閘管，對電容器和電抗器的接通和斷開直接控制，實現了動態補償。

5　結語

現階段，隨著電網規模的不斷擴大，電網日趨復雜性，電網的無功補償問題也日漸復雜。但是，為了有效保證電網的安全、穩定運行，就必須不斷深入研究，找到合理的無功補償點，并科學確定補償容量，提高電路系統的穩定性，保證供電的穩定性，實現電網的經濟效益和社會效益。

[1]田芳.大型風電場無功補償容量研究[D].華北水利水電大學，2013.

[2]張志強，苗友忠，李笑蓉，等.電力系統無功補償點的確定及其容量優化[J].電力系統及其自動化學報，2015，27（3）：92～97.

[3]楊克難，吳浩，鄭寧浪，等.一種基于潮流追蹤的電力系統無功補償方法[J].電力系統自動化，2012，36（8）：45～51.

[4]胡羽川.含大規模風電電力系統的無功補償配置研究[D].華中科技大學，2014.

[5]王佺，白鑫博.無功補償在電力系統的應用[J].企業文化（中旬刊），2014（12）：243.

[6]王一杰，趙舫，丁穎，等.基于最優覆蓋法的變電站無功補償容量優化配置研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（15）：38～42.

TM714.3

A

1673-0038（2015）48-0236-02

2015-11-16

廖宗茂（1987-），男，本科，主要從事電力工程，節能工程工作。