電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償論文

1、電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化、補(bǔ)償及無功補(bǔ)償技術(shù)對低壓電網(wǎng)功率因數(shù)的影響電氣與信息工程學(xué)院自動化13-2馬春野20131802電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化、補(bǔ)償及無功補(bǔ)償技術(shù)對低壓電網(wǎng)功率因數(shù)的影響一 前言隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用電量的增加，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行日益受到重視。降低網(wǎng)損，提高電力系統(tǒng)輸電效率和電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是電力系統(tǒng)運(yùn)行部門面臨的實際問題，也是電力系統(tǒng)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（電網(wǎng)公司）通過有效的手段，降低網(wǎng)損，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，可給輸電公司帶來更高的效益和利潤。電力系統(tǒng)無功功率優(yōu)化和無功功率補(bǔ)償是電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究的一個重要組成部分。通過對電力系統(tǒng)無功電源

2、的合理配置和對無功負(fù)荷的最佳補(bǔ)償,不僅可以維持電壓水平和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性, 而且可以降低有功網(wǎng)損和無功網(wǎng)損,使電力系統(tǒng)能夠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。無功補(bǔ)償，就其概念而言早為人所知，它就是借助于無功補(bǔ)償設(shè)備提供必要的無功功率，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。 二 無功優(yōu)化和補(bǔ)償?shù)脑瓌t和類型1、無功優(yōu)化和補(bǔ)償?shù)脑瓌t在無功優(yōu)化和無功補(bǔ)償中，首先要確定合適的補(bǔ)償點(diǎn)。無功負(fù)荷補(bǔ)償點(diǎn)一般按以下原則進(jìn)行確定：1)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇幾個中樞點(diǎn)以實現(xiàn)對其他節(jié)點(diǎn)電壓的控制；2)根據(jù)無功就地平衡原則，選擇無功負(fù)荷較大的節(jié)點(diǎn)。3)無功分層平衡，即避免不同電壓等級的無功相互流動，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)

3、濟(jì)性。4)網(wǎng)絡(luò)中無功補(bǔ)償度不應(yīng)低于部頒標(biāo)準(zhǔn)0.7的規(guī)定。2、無功優(yōu)化和補(bǔ)償?shù)念愋碗娏ο到y(tǒng)的無功補(bǔ)償不僅包括容性無功功率的補(bǔ)償而且包括感性無功功率的補(bǔ)償。在超高壓輸電線路中(500kV及以上)，由于線路的容性充電功率很大，據(jù)統(tǒng)計在500kV每公里的容性充電功率達(dá)1.2Mvarkm。這樣就必須對系統(tǒng)進(jìn)行感性無功功率補(bǔ)償以抵消線路的容性功率。如實際上，電網(wǎng)在500kV的變電所都進(jìn)行了感性無功補(bǔ)償，并聯(lián)了高壓電抗和低壓電抗，使無功在500kV電網(wǎng)平衡。三 輸配電網(wǎng)絡(luò)的無功優(yōu)化(閉式網(wǎng))電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償從優(yōu)化方面可從兩個方面說起，即輸配電網(wǎng)絡(luò)(閉式網(wǎng))和配電線路及用戶的無功優(yōu)化和補(bǔ)償(開式網(wǎng))。1、無

4、功優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)無功的補(bǔ)償點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在網(wǎng)損微增率較小的點(diǎn)(網(wǎng)損微增率通常為負(fù)值時進(jìn)行無功補(bǔ)償)，這樣通過與最優(yōu)網(wǎng)損微增率相結(jié)合進(jìn)行反復(fù)迭代求解得到優(yōu)化的最佳點(diǎn)。一方面，該方法沒有計及其它控制變量的調(diào)節(jié)作用，同時在實際運(yùn)行中也不可能通過反復(fù)迭代使全網(wǎng)網(wǎng)損微增率相等，這樣做的計算量太大且費(fèi)時。與此同時，國內(nèi)外學(xué)者對無功優(yōu)化進(jìn)行了大量研究，提出了大量的無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化算法。無功優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型主要有兩種，其一為不計無功補(bǔ)償設(shè)備的費(fèi)用，以系統(tǒng)網(wǎng)損最小為主要目的。即優(yōu)化狀態(tài)時無功優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可用下式表達(dá)：其二，以系統(tǒng)運(yùn)行最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，它計及了系統(tǒng)由于補(bǔ)償后減小的網(wǎng)損費(fèi)用和添加補(bǔ)償設(shè)備的費(fèi)用，可用

5、下式表達(dá)：式中，為每度電價，max為年最大負(fù)荷損耗小時數(shù)，、分別表示為無功補(bǔ)償設(shè)備年度折舊維護(hù)率和投資回收率，KC為單位無功補(bǔ)償設(shè)備的價格，QC為無功補(bǔ)償總?cè)萘?。模型二考慮了投資問題，可認(rèn)為是一種比較理想的模型。特別是隨著電力市場的實行，各部門都追求經(jīng)濟(jì)效益，顯然考慮了無功投資問題更合理一些。2、優(yōu)化算法由于電力系統(tǒng)的非線性、約束的多樣性、連續(xù)變量和離散變量混合性和計算規(guī)模較大使電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化存在著一定的難度。將非線性無功優(yōu)化模型線性化求解，是一些算法的出發(fā)點(diǎn)，如基于靈敏度分析的無功優(yōu)化潮流、無功綜合優(yōu)化的線性規(guī)劃內(nèi)點(diǎn)法、 帶懲罰項的無功優(yōu)化潮流和內(nèi)點(diǎn)法等等，以上均是通過將非線性規(guī)劃運(yùn)用泰

6、勒級數(shù)展開,忽略二階及以上的項,建立線性化模型求得優(yōu)化解。這些方法由于在線性化的過程中，忽略了二階及以上的項，其計算的收斂性得不到保證。為了提高優(yōu)化計算的收斂性，又提出了將罰函數(shù)的思想引入線性規(guī)劃,提出了帶懲罰項的無功優(yōu)化潮流模型與算法，使依從變量的越限消除或減小到最低限度。但它不能從根本上結(jié)局線性化后的不收斂問題。在無功優(yōu)化仍有以下一些問題需要解決：1)由于無功優(yōu)化是非線性問題，而非線性規(guī)劃常常收斂在局部最優(yōu)解，如何求出其全局最優(yōu)解仍需進(jìn)一步研究和探討。2)由于以網(wǎng)損為最小的目標(biāo)函數(shù)，它本身是電壓平方的函數(shù)，在求解無功優(yōu)化時，最終求得的解可能有不少母線電壓接近于電壓的上限，而在實際運(yùn)行部門又

7、不希望電壓接近于上限運(yùn)行。如果將電壓約束范圍變小，可能造成無功優(yōu)化的不收斂或者要經(jīng)過反復(fù)修正、迭代才能求出解(需人為的改變局部約束條件)。如何將電壓質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)相統(tǒng)一仍需進(jìn)一步研究。3)無功優(yōu)化的實時性問題。伴隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，對無功優(yōu)化的實時性提出了很高的要求，如何在很短的時間內(nèi)避免不收斂，求出最優(yōu)解仍需進(jìn)一步研究。四 配電線路上的無功補(bǔ)償及用戶的無功補(bǔ)償1、配電線路上的無功補(bǔ)償由于35kV、10kV及一些低壓配電線路的電阻相對較大，無功潮流在線路上流動時引起的功率損耗較大且電壓損耗較大，故其無功補(bǔ)償理論建立在其上。經(jīng)典的線路補(bǔ)償理論認(rèn)為電容器安裝的位置可見下表。 其原理可

8、簡述如下：當(dāng)線路輸送的無功功率Q，線路長度L，每組補(bǔ)償距離為x時，每組補(bǔ)償容量為QxQx=QxL當(dāng)認(rèn)為電容器安裝在補(bǔ)償區(qū)間中心時，降低的線損最大。無功潮流圖可見圖1所示： 當(dāng)?shù)趇組電容器安裝地點(diǎn)離末端的距離為： 對任一組電容器安裝位置離末端的位置為： xi=L(2i-1)/(2n+1) 其最佳補(bǔ)償容量為： nQx=2nQ(2n+1) 這樣即可求得表1的數(shù)據(jù)。 對于配電線路的無功補(bǔ)償可有效降低網(wǎng)損，但它的效果不如在低壓側(cè)補(bǔ)償。這個結(jié)論是假定無功潮流是均勻分布的，如果線路上的無功潮流為非均勻分布的，得出的結(jié)論將不同；同時在線路上安裝電容器組時，其維護(hù)、操作比較不便，且也沒有考慮補(bǔ)償設(shè)備的投資問題。

9、因此，建議采用下述方式。2、用戶的無功補(bǔ)償對于企業(yè)及大負(fù)荷用電單位，按照無功補(bǔ)償?shù)姆N類又分為高壓集中補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償和低壓就地補(bǔ)償。文獻(xiàn)8指出在補(bǔ)償容量相等的情況下，低壓就地補(bǔ)償減低的線損最大，因而經(jīng)濟(jì)效益最佳。這是可以理解的。由于低壓就地補(bǔ)償了負(fù)荷的感性部分，使流經(jīng)線路和變壓器上的無功電流大大減小，顯然此種方法所取得的經(jīng)濟(jì)效益最佳。但是上述并沒有指出最佳補(bǔ)償容量應(yīng)為多少?同時也沒有計及無功設(shè)備的投資。文獻(xiàn)6指出了對于開式網(wǎng)的最佳補(bǔ)償容量，三種常見的開式網(wǎng)可見圖2所示。（1）放射式開式網(wǎng)的最佳無功補(bǔ)償對于用戶或經(jīng)配變出線的開式網(wǎng)絡(luò)，針對開式網(wǎng)的接線的最佳無功補(bǔ)償容量，參考文獻(xiàn)6進(jìn)行了詳細(xì)的推

10、導(dǎo)。其目標(biāo)函數(shù)采用第二類目標(biāo)函數(shù)，為了分析，下面進(jìn)行了簡單的推導(dǎo)：對于網(wǎng)絡(luò)為放射式網(wǎng)絡(luò)，此時網(wǎng)絡(luò)年計算支出費(fèi)用與無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)系可表達(dá)為： 由于主要研究的是無功功率對有功網(wǎng)損的影響，因此有功功率對網(wǎng)損的影響可不考慮，(4)式可簡化為下式：在其余節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)償QCn,op均于上式相同。（2）干線式和鏈?zhǔn)介_式網(wǎng)的最佳無功補(bǔ)償對于干線式及鏈?zhǔn)浇泳€開式網(wǎng)，在第i=1點(diǎn)設(shè)置無功補(bǔ)償，其QC1,op同放射式開式網(wǎng)，若在i=1,2 設(shè)置無功補(bǔ)償，見圖2(b)、(c)所示。此時年計算支出費(fèi)用可用下式表達(dá)： 同理，可求得QC2,op的表達(dá)式為(為了簡化起見，節(jié)點(diǎn)2電壓可認(rèn)為與節(jié)點(diǎn)1電壓近似相等)： 式中R為干線式或鏈

11、式接線開式網(wǎng)線路電阻之和，此處R=R+R，推廣到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為i, 干線式或鏈線式開式網(wǎng)線路段數(shù)為m, 綜合可得開式網(wǎng)各處無功負(fù)荷最佳補(bǔ)償容量QCi,op的計算通式為：上述公式簡單明了，且將著名的等網(wǎng)損微增率和最優(yōu)網(wǎng)損微增率結(jié)合在一起，通過計算公式一次性能得出最佳補(bǔ)償容量，避免了計算的迭代過程，具體算例可見參考文獻(xiàn)3例6-2，在6-2例中，求解最佳補(bǔ)償容量是通過求解5組方程，6次迭代所得，而利用上述的推導(dǎo)公式可一次性計算出。五 低壓配電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣吖β室驍?shù)的主要方法是采用低壓無功補(bǔ)償技術(shù)，我們通常采用的方法主要有三種：隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。1、隨機(jī)補(bǔ)償隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與

12、電動機(jī)并接，通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)，同時投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償電動機(jī)的無功消耗，以補(bǔ)勵磁無功為主，此種方式可較好地限制用電單位無功負(fù)荷。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時，補(bǔ)償設(shè)備也退出，而且不需頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護(hù)簡單、事故率低等。2、隨器補(bǔ)償 隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無功的補(bǔ)償方式。配變在輕載或空載時的無功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵磁無功，配變空載無功是用電單位無功負(fù)荷的主要部分，對于輕負(fù)載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導(dǎo)致電費(fèi)單價的增加。隨器補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線簡單、維護(hù)管理方便、能有效地補(bǔ)償配變空載無功，限制農(nóng)網(wǎng)無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前補(bǔ)償無功最有效的手段之一。3、跟蹤補(bǔ)償跟蹤補(bǔ)償是指以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶0.4kv母線上的補(bǔ)償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機(jī)、隨器兩種補(bǔ)償方式，補(bǔ)償效果好。跟蹤補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方式靈活，運(yùn)行維護(hù)工作量小，比前兩種補(bǔ)償方式壽命相對延長、運(yùn)行更可靠。但缺點(diǎn)是控制保護(hù)裝置復(fù)雜、首期投資相對較大。但當(dāng)這三種補(bǔ)償方