配電網高壓無功調節裝置的設計及優化探究

羅瀟

摘? ?要：隨著國民經濟增長的需要，用電量也在快速的增長。搞好電網的無功配置，降低線損提高電力系統輸電線的效率，保障電壓質量是電力系統目前急需要解決的問題。通過配電網無功電源的合理配置，實現無功負荷，達到提高配電網穩定，降低有功網帶來的損耗。本文通過闡述高壓無功調節裝置現狀、優點和問題，結合國家對高壓無功管理的要求，探究在配電網應用高壓無功調節裝置方案優化設計。

關鍵詞：配電網? 高壓? 無功調節裝置? 優化策略

中圖分類號：TM72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0066-02

電壓作為配電網系統中衡量電能質量的重要一項指標，電壓的過高或者過低都會影響到電力設備的使用效率和壽命，甚至會嚴重的危及到配電網的安全穩定，造成電壓崩潰發生大面積的停電事故。無功功率的平衡保證了電壓穩定的重要措施。配電網中電壓的過高或者國定都會增加電力系統中設備的有功損耗，降低電力傳輸的效率。如果因為配電網中無功功率的不足造成了供電功率因數的下降，那么就會造成配電網中設備的發熱損耗增大，增加線損。另外，無功功率的過剩也會造成配電網中電壓上升，影響到電力設備的使用壽命。因此，在電力系統只有通過無功管理實現無功分層、分區，減少無功的輸送，才能降低線損保證電壓穩定。

1? 目前我國電力系統中對高壓無功裝置應用狀況

在電力系統中對無功的配置主要分成感性和容性兩種無功配置。在配電網輸電線路中存在電容，長距離的輸電極易在線路末端的電壓不斷升高，所以，必須通過并聯電感元件或者是串聯電容元件來實現無功平衡，保證電壓符合配電網的要求。目前在配電網中應用最多的是電機等感性的負載，造成感性無功過剩，降低了電壓的質量，增加了線損。目前在配電網中主要應用的無功方式有如下幾種。

1.1 同步調相機

該原理是通過在勵磁狀態下向配電網提供感性無功，在欠勵磁狀態下提供容性無功。同步調相機的設備是在不停的運動中，往往因為安裝投入大，運費高以及檢修費用大和時間長的原因隨著無功補償裝置SVC、SVG裝置的出現，同步調相機已逐步被淘汰。

1.2 固定電容器組

該設備的主要特點是投資低，但是它在應用的過程中無法及時的滿足配電網對無功的需要，常常出現過補、欠補等問題。目前因為它的成本和運輸費用低，在電力系統中應用占據主要地位。

1.3 分組投切電阻器組

分組投切電阻器組，即VQC，它是通過把固定的電容器組分割成多個小電容器組，按照配電網中對無功的實際需求進行增加或者切除。但是因為電容器在投切的過程中會產生很大的涌流和電壓，極大的影響到電容器組的正常使用。目前該技術在配電網應用相對較少。

1.4 靜止補償器

靜止補償器即SVC，他是通過把感性、容性兩種無功電器組融合在一起，通過控制電容或者電抗來改變無功的輸出滿足配電網的需求。它的特點是可以從感性到容性變化，使用范圍大。而它的造價過于昂貴，在實際的運行維護中費用過高且程序復雜;在使用中還會產生高次諧音波，對電網造成污染。

2? 高壓無功調節裝置的原理、構造以及優點

2.1 原理

根據電容器無功的出力大小與電壓、頻率、容量大小的關系可通過公式：Q=2∏fCU2計算而得。改變電容量C的大小實現電容器的自動投切控制改變Q值，國外有通過改變頻率f來改變無功的大小。在我國主要改變電容器電壓U來改變無功的輸出容量。原理接線如圖2所示。

2.2 構造

高壓無功裝置主要有3部分組成。

2.2.1 控制器

按照九區圖原理根據系統的電流、電壓等信號，設定電壓值以及cosφ值進行分析，如果電壓和cosφ不合格則通過調節變壓器改變電容器中無功的輸出，保證電壓和cosφ滿足設備的使用要求。同時控制器具備顯示和運動的接口，滿足了系統運動的需要。

2.2.2 電壓調節器

它是一個有載自耦的調壓器，通過優化計算調節器中輸出的電壓是母線電壓的1005～60%。以9檔的方式實現控制，每檔調節額定電壓的5%。電容器中的額定電壓從母線中電壓選取，無功輸出容量是100%～36額定容量。使用壽命不小于國標規定的50000次，完全足夠滿足20～25年使用時間。

2.2.3 電容器是無功電源

電容器（C）氛圍線路型和變電站兩種，在結構上兩者是一直的，只是在容量上有所差別。線路容量為300kvar～1000kvar，變電站的是750kvar～18000kvar。可分為6kv、10kv、35kv。在功能上變電站是通過調節主變分接頭控制母線的電壓，線路型無法實現這樣的功能;變電站可以控制型號實現主變電源側三相電流電壓，而線路型控制的是BC相線電壓A相電流實現電容器的無功輸出。

2.3 優點

高壓無功裝置在配電網中使用有如下優點。

首先，電容器在接入的過程中，不用分組、投切即可實現9檔的無功輸出，容量控制可從36%到額定容量;其次，電容器在調節的過程中不會出現無涌流、電壓等，保證電容器永遠在額定的電壓下運行，確保設備的安全使用和壽命;再次，通過采用低壓合閘的方式把無功裝置輸出的電壓控制在60%～70%額定電壓之下，大大減少了合閘過程中的涌流對電壓系統和電容器的沖擊。最后，在調節電壓過程中不會出現沖擊放電，設備可以實現頻繁調節，在使用中產生的附加損耗非常小。

3? 高壓無功裝置主要解決兩個關鍵問題

在電容運行的過程中，需要解決過電壓問題和諧振與諧波兩個問題。首先，在投切電容器時會因為開關的性能和合閘的角度問題產生過電壓影響電容的運行。而高壓無功裝置通過調節電容兩端的電壓，在合閘的過程中以最低電壓狀態下合閘，從根本上避免了有害過電壓和合閘過程中涌流的產生。其次，諧振的產生主要是因為諧振回路的諧振頻率和是否有諧波源。高壓無功裝置原理上也是一個諧振回路，主要通過有效降低調壓器的電抗值提高諧振的頻率，避免了有害諧振的產生。

4? 高壓無功裝置的設計方案

在配電網過于復雜，首先假設配電網中存在n個節點，以24h的電能損耗作為目標函數，將接頭裝置和無功變量作為可控變量，即得到如下數學模型：

在等式中計算無功調節裝置存在20多個變量，計算中數據的準確性無法把握，那么通過整點時刻計算得到如下公式：

通過本公式可知，當電壓在合理的范圍內時，將會減少對其他節點的限制。通過調節裝置來選擇VQC限值，為了讓無功裝置達到理想效果，需要從以下方式進行調整。

首先，提高潮流計算的效率。通過適當的降低計算精確度，對相同的適應度全面檢查，從而確保是否有相似的個體存在。其次，在優化的過程中，必須要保證可行解的存在，才能消除電壓本身的無功越限從而在公式中獲得最優解。因為無功功率無法長距離實現輸出工作，因此必須對節點的距離加以控制。最后，在實際的編碼過程中，將變壓器以變量的方式進行處理，用數據組之間容量關系，優化出高壓無功裝置之間變量關系，計算出配電網中高壓無功裝置最優設置。

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