利用配電網靜止無功補償器改善配電網電能質量的方法

趙曉芳 張旭敏

摘要：隨著社會經濟的快速發展，人們用電量的增加，接入電源和輸配電線路越來越多，加大了電力系統的負荷，使電力運行中常有無功功率產生，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，網損提高，系統穩定水平的有效手段。為了作好降損節能的作用，改善電能的質量，提高輸變電設備的有功出力，使電氣設備在最佳經濟狀態下運行，使有限的電力更好的為社會主義建設事業服務，因此做好無功優化和無功補償工作勢在必行。

關鍵詞：配電網;無功優化;無功補償

引言

隨著國民經濟的迅速發展，用電量的增加，電網的經濟運行日益受到重視。降低網損提高電力系統輸電效率和電力系統運行的經濟性是電力系統運行部門面臨的實際問題，也是電力系統研究的主要方向之一。特別是隨著電力市場的實行，輸電公司通過有效的手段，降低網損，提高系統運行的經濟性，可給輸電公司帶來更高的效益和利潤。電力系統無功功率優化和無功功率補償是電力系統安全經濟運行研究的一個重要組成部分。通過對電力系統無功電源的合理配置和對無功負荷的最佳補償，不僅可以維持電壓水平和提高電力系統運行的穩定性，而且可以降低有功網損和無功網損，使電力系統能夠安全經濟運行。

一、配電網無功優化的目的及意義

無功補償是指在配電系統中安裝并聯電容器等容性設備。這些設備可供給感性負荷所消耗的部分無功功率，對電網中的無功功率進行補償，從而降低線路的電能損耗并提高系統的功率因數，改善電網的運行條件。提高功率因數有著重要的意義，它可以提高設備出力，降低電網中輸電線路上的有功損耗和電能損耗，同時還可以降低配電系統的線損電壓，減少電壓波動，改善供電質量。無功優化是指在電力系統運行期間，調度人員如何在有功功率分配這一條件下，利用無功控制手段來調整系統的無功潮流分布，使得電力系統既能滿足各種約束條件，又能實現系統有功損耗最小等預定目標。電能的質量及其生產的經濟性是供電部門高度重視的問題，開展無功優化工作將在工程實踐中產生重要的作用和顯著的經濟效益。

二、配電網無功補償的基本原理

無論是工業負荷還是民用負荷，大多數均為感性。所有電感負載均需要補償大量的無功功率，提供這些無功功率有兩條途徑：一是輸電系統提供;二是補償電容器提供。如果由輸電系統提供，則設計輸電系統時，既要考慮有功功率，也要考慮無功功率。由輸電系統傳輸無功功率，將造成輸電線路及變壓器損耗的增加，降低系統的經濟效益。而由補償電容器就地提供無功功率，就可以避免由輸電系統傳輸無功功率，從而降低無功損耗，提高系統的傳輸功率。

三、配電網無功優化的方法

由于無功優化模型的處理不同以及優化目標函數的選擇不同，所使用的優化方法也有差異。目前主要兩大類優化方法：一類傳統的優化算法，這類算法從某個初始點出發，按照一定的軌跡不斷改進當前解，最終收斂于最優解。這類優化算法主要有線性規劃法、非線性規劃法、混合整數規劃法、動態規劃法;該類方法經歷了三個階段，第一是僅考慮等式約束的基于拉格朗日函數的等網損微增率準則，該準則概念清楚、簡捷快速，在電力系統運行調度和方式制訂上作用顯著，尤其是憑經驗進行的決策;第二是考慮不等式約束的各類優化算法，如梯度類算法、線性規劃法、二次規劃法及混合整數規劃法等;第三是障礙函數類算法，如內點法，該類算法具有計算速度與求解問題規模不大相關等特殊優點，因而成為優化研究領域的一個熱點。

另一類是智能優化算法，它們從一個初始解群體開始，按照概率轉移原則，采集某種方式自適應地搜索最優解人工智能算法是一種以一定的直觀基礎而構造的算法。近年來，基于對自然界和人類本身的有效類比而獲得啟示的智能算法在電力系統無功優化中的應用受到了人們的關注，具有代表性的有人工神經網絡、粒子群算法、模擬退火法、遺傳算法等。智能方法是無須解析表達就能進行優化的方法，包括具有不同智能程度的一系列搜索優化算法。它們以一個初始解群開始，按照概率轉移原則，采用某種方式搜索最優解。以遺傳算法、模擬退火法等為代表的智能搜索算法，對于搜索空間基本上不需要什么限制性假設，因而具有全局尋優能力，彌補了傳統數學規劃方法的不足，在電力系統無功優化中得到了成功的應用。

四、配電網無功補償及經濟技術優化

（1）變電站集中補償方式

針對輸電網的無功平衡，在變電站進行集中補償，補償裝置包括并聯電容器、同步調相機、靜止補償器等，這些補償裝置一般連接在變電站的10kV母線上，因此具有管理容易、維護方便等優點。為了實現變電站的電壓控制，通常采用并聯電容器組結合變壓器有載調壓共同調節。利用電壓九區圖控制法配合調節來進行電壓無功控制，是一種變電站電壓無功控制的有效方法。然而操作上較為麻煩，因為由于限值需要隨不同運行方式進行相應的調整，會在某些區上產生振蕩現象;而且由于實際操作中變壓器有載分接頭的調節和電容器組的投切次數是有限的，而電壓九區圖控制法沒有相應的判斷。因此，現行電壓九區圖控制法的調節效果還有待進一步改善。

（2）低壓集中補償方式

在配電網中，目前國內較普遍采用的無功補償方式是在配電變壓器380V側進行集中補償，通常采用微機控制的低壓并聯電容器柜，根據用戶負荷水平的波動投入相應數量的電容器進行跟蹤補償，實現無功補償的就地平衡，對配電網和配電變的降損有積極作用，同時也有助于保證該用戶的電壓水平。

（3）桿上補償方式

采用10kV戶外并聯電容器安裝在架空線路的桿塔上進行無功補償，以提高配電網功率因數，達到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯電容器遠離變電站，容易出現保護不易配置、控制成本高、維護工作量大、受安裝環境和空間等客觀條件限制等問題。因此，桿上無功優化補償必須結合以下實際工程要求來進行：補償點宜少、桿上補償不設分組投切、補償容量不宜過大、保護方式應簡化。桿上無功補償主要是針對10kV饋線上的公用變所需無功進行補償，因其具有投資小，回收快，補償效率較高，便于管理和維護等優點，適合于功率因數較低且負荷較重的長配電線路，但是因負荷經常波動而該補償方式是長期固定補償，故其適應能力較差，應積極開發應用電容器組能自動投切的桿上無功補償技術。

（4）用戶終端分散補償方式

直接對用戶末端進行無功補償，將最恰當地降低配電網的損耗和維持配電網的電壓水平的有效措施。對于企業和廠區中的電動機，應該進行就地無功補償;針對小區用戶終端，地點分散，應積極開發應用一種新型的低壓終端無功補償裝置，并滿足要求：智能型控制、易安裝、功能完善、造價較低。與前面三種補償方式相比，用戶終端分散補償方式更能體現以下優點：線損率可減少約20%;減小電壓損失，改善電壓質量，進而改善用電設備啟動和運行條件;釋放系統能量，提高線路供電能力。缺點是由于低壓無功補償通常按配電變壓器低壓側最大無功需求來確定安裝容量，而各配電變壓器低壓負荷波動的不同時性造成大量電容器在負荷較輕時出現閑置，設備利用率不高。

結束語

綜上所述：無功優化已是配網系統安全經濟運行的核心問題之一，它的目標是在滿足約束條件的前提下，使系統的某個指標或多個指標達到最優，在現代化的能量管理系統中占有重要地位。配網系統電壓，無功優化在保證滿足運行約束的同時，用盡量少的無功投入，最大限度地改善電壓質量、降低網損。隨著電力科學技術的不斷進步，配電網無功補償技術必定會再上新臺階，滿足新需求。

參考文獻

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