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配电系统无功补偿技术方案比较
xiao_xiao1 发表于 2009/3/18 12:39:32 720 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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关键词：配电网；无功补偿；方案；优化
电压质量是衡量电力系统电能质量的重要指标之一，它的好坏主要取决于电力系统无功潮流分布是否合理。这不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣问题，而且还直接影响电网的安全、经济运行。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。随着电网容量的不断增加，对电网无功功率的要求也与日增加。因此，还需考虑网络的功率因数和电压，因为网络功率因数和电压的降低会使电气设备得不到充分利用，从而降低网络的传输能力，并引起损耗增加。因此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安全和降损节能有着重要的意义。
无功补偿点的合理选择以及补偿容量的确定，能够有效地维持系统的电压水平，提高系统的电压稳定性，避免大量无功功率的远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用。我国配电网长期以来无功匮乏，由其造成的网损严重，因此，进行无功功率补偿，能投资少回报高。通常采用的方法是在配电变压器低压侧进行补偿，既可降低线路损耗，也能降低配电变压器损耗，电压质量也有较大的改善。
1 配电系统无功补偿方案及其比较
1．1 变电站集中补偿方式
1．1．1 变电站集中补偿方式的形式和优缺点
要平衡输电网的无功功率，可在变电站进行集中补偿，见图1中的方式1。在这种方式下，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是改善输电网的功率因数，提高终端偿装置一般连接在变电站的10 kV母线上，优点是管理容易、维护方便，缺点是对配电网的降损起不到什么作用。
1．1．2 变电站集中补偿方式的技术应用
为了调整变电站的电压，通常利用无功补偿装置（一般是并联电容器组）结合有载调压抽头来调节。通过两者的协调来进行电压和无功功率的控制，且这一方面的技术在国内已经积累了丰富的经验，九区图便是一种变电站电压和无功功率控制的有效方法，然而操作上还是较为麻烦的，因为限值需要随不同的运行方式进行相应的调整，在某些区上会产生振荡现象，而且实际操作中，抽头调节和电容器组投切次数是有限的，但九区图没有相应的判断。现行九区图的调节效果也不是数学上证明的最好效果，因此九区图的应用还有待进一步改善。文献［1］利用模糊数学的概念建立了数学模型，得出了模糊边界的无功功率调节判据，它的特点是将九区图中固定的无功功率上下限边界改变成受电压影响的模糊边界，其边界的斜率可根据具体的投切边界条件进行调整，依据这种思路，设计出一种新型的变电站电压无功功率微机综合控制装置，它可以在保证电压合格和无功功率最佳补偿效果的情况下，有载变压器分接头的调节次数比同类装置或人工调节约减少1／3，提高了变电站电压合格率，线损降低约20％。
1．2 低压集中补偿方式
目前，国内较普遍采用的另外一种无功补偿方式，是在配电变压器380 V侧进行集中补偿，见图1中的方式2。在这种方式下，补偿装置通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百千乏不等，它是根据用户负荷水平的波动，投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高专用变压器用户的功率因数，实现无功功率的就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定作用，也保证该用户的电压水平。这种补偿方式的投资及维护均由专用变压器用户承担。目前国内各厂家生产的自动补偿装置通常是根据功率因数来进行电容器的自动投切，也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控制。这种补偿方式虽然利于保证用户的电能质量，但对电力系统并不可取。因为线路电压的波动主要由无功量变化引起，而线路的电压水平由系统情况决定。当线路电压基准偏高或偏低时，无功功率的投切量可能与实际需求相差甚远，可能出现无功功率补偿过多或补偿不足的情况。
对配电系统来说，除了专用变压器之外，还有许多公用变压器，而面向广大家庭用户及其他小型用户的公用变压器，其通常安装在户外的杆架上，进行低压无功功率集中补偿则是不现实的，难维护、控制和管理，容易成为生产安全隐患。这样，配电网的补偿度就受到了限制。
1．3 杆上无功补偿方式
文献［2，3］提出了在配电系统杆上进行无功补偿的必要性和方法。由于配电网中大量存在的公用变压器没有进行低压补偿，补偿度受到限制。由此造成很大的无功功率缺口需要由变电站或发电厂来填，大量的无功功率沿线传输，配电网网损居高难下。因此可以把10 kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上（或另行架杆）的方法来进行无功补偿（见图1中的方式3），以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置，控制成本高，维护工作量大，受安装环境和空间等客观条件限制等工程问题。因此，杆上无功功率优化补偿必须结合以下实际工程要求来进行：
a）补偿点宜少。一条配电线路上宜采用单点补偿，不宜采用多点补偿。
b）控制方式从简。杆上补偿不设分组投切。
c）补偿容量不宜过大。补偿容量太大，将会导致配电线路在轻载时过电压和过补偿现象。杆上空间有限，太多的电容器同杆架设，既不安全，也不利于电容器散热。建议按重载补偿后电源节点功率因数不超过0．95和轻载时功率因数达到1左右即可的方法去处理。
d）接线宜简单。最好是每相只配置一台电容器装置，以降低整套补偿设备的故障率。
e）保护方式也要简化。分别用熔丝和氧化锌避雷器分别作为过流保护和过电压保护。
f）防止电容器安装后产生谐振现象。
显然，杆上无功补偿主要是针对10 k V馈线上沿线的公用变压器所需无功功率进行补偿，文献［3］提出了这种补偿方式的最优地点和容量的算法。因这种补偿方式具有投资小、回收快、补偿效率较高、便于管理和维护等优点，适合于功率因数较低且负荷较重的长距离配电线路，但是因负荷经常波动，而该补偿方式又是长期固定补偿，适应能力较差，主要是补偿了无功基荷，在线路重载情况下，补偿度一般是不能达到0．95。
1．4 用户终端分散补偿方式
目前，在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功功率需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿，见图1中的方式4，将最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。GB50052—1995《供电系统设计规范》指出，容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备，无功负荷宜单独就地补偿。这样，对于企业和厂矿中的电动机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿；针对小区用户终端，由于用户负荷小，波动大，地点分散，无人管理，应该开发一种新型低压终端无功补偿装置，并能满足智能型控制、免维护、体积小、易安装、功能完善、造价较低等的要求。
与上述3种补偿方式相比，用户终端分散补偿方式更能体现以下优点［4］：
a）线损率可减少20％；
b）减小电压损失，改善电压质量，进而改善用电设备启动和运行条件；
c）释放系统能量，提高线路供电能力。
缺点是低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功功率需求来确定安装容量，而各配电变压器低压负荷波动的不同时性造成大量电容器在较轻载时闲置，设备利用率不高。
1．5 4种补偿方式的综合比较
通过以上分析可知，4种无功补偿方式各有各的优缺点，其综合比较见表1所示。
2 配网无功补偿遇到的问题
随着人们对配电网建设的重视及无功补偿技术的发展，低压侧无功补偿技术在配电系统中也开始普及。从静态补偿到动态补偿，从有触点补偿到无触点补偿，都取得了丰富的经验，但是在实践应用中也暴露出一些问题，必须引起重视。
2．1 优化的问题
目前，很多单位选择无功补偿的出发点还放在用户侧，只注意补偿用户的功率因数，而不是立足于降低电力网的损耗。例如，为提高某电力负荷的功率因数，增设1台补偿箱。这对降损有一定好处，但若要实现有效的降损，必须通过计算无功功率潮流，确定各点的最优补偿量和补偿方式，才能使有限的资金发挥最大的效益。这是从电力系统角度考虑问题的方法。
无功功率优化配置的目标是在保证配网电压水平的同时，尽可能降低网损。由于它要对补偿后的运行费用以及相应的安装成本同时达到最小化，计算过程相当复杂。为此，以前的文献中通常采取了许多不切实际的假设，比如固定负荷水平，统一线径，把树状配电网简化成梳状网，这样的结果并不理想。
2．2 量测的问题
目前10 kV配电网线路上的负荷点一般无表计，维护人员的技术水平和管理水平又参差不齐，表计记录的准确性和同时性无法保证。这对配电网的潮流计算和无功优化计算带来很大困难。要争取带专用变压器房用户的支持，使他们能按一定要求进行记录。380 V终端用户处通常只装有有功电能表，要实现功率因数的测量是不可能的，这也是低压无功补偿难于广泛开展的原因所在。
2．3 谐波的问题
电容器本身具备一定的抗谐波能力，但同时也有放大谐波的副作用。谐波含量过大时，会对电容器的寿命产生影响，甚至造成电容器的过早损坏，由于电容器对谐波的放大作用，将使系统的谐波干扰更严重；另外，动态无功补偿柜的控制环节容易受谐波干扰影响，造成控制失灵，因而做无功补偿时必须考虑谐波治理，在有较大谐波干扰，又需要补偿无功功率的地点，应考虑增加滤波装置。
2．4 无功功率倒送的问题
无功功率倒送是电力系统所不允许的现象，因为它会增加线路和变压器的损耗，加重线路的负担。虽然生产厂家都强调自己的设备不会造成无功功率的倒送，但是实际情况并非如此。因为对于接触器控制的补偿柜，补偿量是三相同调的；对于晶闸管控制的补偿柜，虽然三相补偿量可以分调，但是很多生产厂家为了节约成本，往往只选择一相做采样及无功功率分析。于是在三相负荷不平衡的时候，就有可能造成无功功率倒送。至于采用固定电容器补偿方式的用户，则可能在负荷低谷时造成无功功率倒送，这应引起充分考虑。
综上所述，10 kV配电网的无功补偿工作应更多地考虑系统的特点，不应因电压等级低、补偿容量小而忽视补偿设备对系统侧的影响（包括网损）。如果需降损的线路能基于一个完善的补偿方案进行改造，则电力系统的收益将比分散的纯用户行为的补偿方式要大得多。
3 结束语
对配电网进行无功补偿，提高功率因数和搞好无功功率平衡，是一项建设性的降损技术措施。文章分析了4种配网无功补偿方式的应用，但笔者认为应更多地按系统的特点来进行无功补偿。目前，配电网的无功补偿容量一般是根据供电部门要求达到的功率因数来确定的，而不是依据用户用电时实际的节能效益、最佳电能质量、最小支付电费的经济功率因数来确定。如何确定无功补偿设备的合理配置和分布，需寻找技术上和经济上的最优方案。