配电网无功补偿对电压和线损的影响

李津津

(云南电网公司昆明供电局，昆明 650011)

配电网无功补偿对电压和线损的影响

李津津

(云南电网公司昆明供电局，昆明 650011)

无功补偿设备是配电网系统的重要组成部分，通过投入电容器进行无功补偿是配电网改善电压质量的有效手段，但不同的补偿方式其经济性是不相同的。串、并联两种无功补偿方式在改善电压质量及降低线损率方面各有优缺点。通过对配电网并联补偿和串联补偿两种方式建立等值模型并进行理论计算和仿真分析，深入探讨其对电压和线损的影响并作综合比较。

无功补偿；串联；并联；电压质量；线损；仿真

0 前言

无功补偿设备是配电网不可或缺的的重要组成部分，它能保持网络无功平衡，提高电压水平，在日常运行中常通过投、切电容器的方法调整电压。在国内配电网中广泛采用并联无功补偿技术以提高配电网电能质量，而串联补偿方式较少得到应用。但经理论推导证明和部分欧美发达国家的实际运行经验表明[1]，串联补偿技术在电压稳定、潮流控制方面效果优于传统的并联补偿[2]。在国内配电网中广泛采用并联无功补偿技术以达到提高配电网电能质量，降低线损的目的。然而，并联补偿本身存在着对节点电压和潮流控制能力较弱，以及产生补偿效果后通常只使节点附近的区域收益的局限。因此，并联补偿并不是配电网解决电能质量问题的惟一选择。

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性电抗，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备以后，可以供给感性电抗消耗的部分无功功率，即抵消了部分感性电流，减少了无功功率在电网中的流动。因此并联补偿可以降低输电线路因输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行条件[3]。

在配电网中，大部分的电压降是由线路电感引起的，串联补偿可使负载波动引起的电压下降减少。电容器串联补偿将很大程度上抵消线路电感产生的压降，使得线路压降大大降低，负荷侧电压更加接近于系统侧电压。由于串联电容其实是一个无源的电路元件，其响应自发而迅速，因此，串联补偿有助于电压调节，可较好地解决电压闪变问题[4]。然而串联补偿的缺点也是显而易见的，比如可能发生次同步振荡以及损耗增加等。

本文将基于MATLAB 7.0/Simulink的电力系统仿真模块集 (Power Systems Blockset)建立仿真模型，就串联补偿和并联两种补偿方式进行仿真和定量计算，通过不同补偿容量下的电压、线损取值作曲线拟合，对两种方式在电压控制和节能降损两方面进行综合分析比较。

1 仿真模型

某110 kV变电站A为线路变压器组运行方式，主网供电线路导线型号为长20 km的LGJ-240/30钢芯铝绞线，主变型号为 SZ11-50000/ 110GY，其最高负荷达38 MW，功率因素0.977。由于该站没有无功补偿设备，在最高负荷时其10 kV母线电压越下限 (9.994 kV)。以下将通过模拟两种补偿方式，计算得出电压、线损与补偿容量/容抗的关系并寻求提高电压质量和降低损耗的方法。

Simulink仿真模块中基于电气原理图的输电线路模型有 “π”型等值模型和分布参数模型两种。分布参数等值电路虽能较好反应行波传播过程与电压变化，但由于导线、大地之间的肌肤效应，分布参数线路模块也不能准确地描述线路RLC参数的依频特性[5]，故仿真线路采用较为简化的 “π”型等值模型。

由于Simulink仿真系统中的变压器模块不能直接输入短路损耗、空载损耗、空载电流百分比、短路电压百分比等铭牌参数而需要输入一、二次侧的漏阻抗标幺值及励磁阻抗标幺值，故根据变压器铭牌参数进行换算，折算成高压侧阻抗值标么值与低压侧阻抗标么值相等的 “π”型等值电路[6]。

仿真计算中负荷采用静态模型，取变电站A主变最大负荷38 MW，无功8.3 MVar。

2 仿真分析

2.1 并联电容器补偿

并联补偿等值电路如图1所示：

图1 并联补偿等值电路

补偿前线损及线损率：22+2

补偿后线损及线损率：

由式 (4)可知，线损率与补偿容量关系近似为以x=Q为对称轴的抛物线。下面将通过仿真进行论证，仿真电路如图2所示：

图2 并联补偿仿真电路

仿真电压计算结果如图3所示 (单位 kV，Ω)：

由图3可知，电压随无功补偿容量增加而呈直线上升趋势，当补偿容量在0.1 MVar以上时10 kV母线电压不越下限，当补偿容量在10.4 Mvar以下时10 kV母线电压不越上限。投入电容器12 Mvar可使10 kV母线电压提升0.8 kV，表明并联电容器对提升负荷端电压有积极的作用。

仿真线损率计算结果如图4所示 (单位 %，Ω)：

图3 10kV母线电压与并联补偿容量关系曲线

图4 线损率与并联补偿容量关系曲线

由图4可知，并联补偿容量在7 MVar以下时线损率随补偿容量增加而降低，补偿7 MVar左右时线损率达到最低，补偿过量将导致线损率反升。曲线近似以Q=7 Mvar为对称轴，与理论推导结果Q≈8.3 Mvar存在一定偏差，其主要原因线路仿真模型为 “π”型，由于存在电容效应，部分感性电流被抵消。

以上表明，当补偿容量适当时，并联补偿既能起到调节电压的作用也能达到降低线损的效果。

2.2 串联电容器补偿

串联补偿等值电路如图5所示：

图5 串联补偿等值电路

由于串联电容器抵消输电线路大量感性无功使得线路压降大幅减小，所以串联补偿线损率不能用式 (4)来近似表达，故直接通过仿真数据来说明串联补偿对电压和线损的影响。仿真电路如图6所示：

图6 串联补偿仿真电路

仿真电压计算结果如图7所示 (单位 kV，Ω)：

图7 10kV母线电压与串补容抗关系曲线图

图8 线损率与串补容抗关系曲线图

由图7可知，串补容抗在1 000 Ω以下时，电压随补偿容量增大而升高 (因线路电流变化相对容抗变化可以忽略，所以近似有Q=-I2XC，但此时讨论串联补偿容量与并联补偿容量不具可比性)。在串补容抗约为1 000 Ω时，母线电压最高，达到11.27 kV，此时已越上限。容抗超过1 000 Ω时，母线电压反而降低，此时线路压降已由 “感性压降”变为 “容性压降”。投入串联电容器最多可使母线电压升高1.276 kV，调压效果优于并联补偿。

仿真线损率计算结果如图8所示 (单位%，Ω)：

由图8可知，串补容抗增大，线损率也随之增加。虽然容抗继续增大到一定程度线损会降低，但此时系统已呈容性，可能会出现次同步谐振以及发电机由于向容性系统供电而可能发生自励磁等现象，这些情况都是不符合系统稳定要求的，因此不予考虑。

以上表明，串联补偿通常只能起到调节电压的作用而不能达到降低线损的效果。

3 结束语

综合以上分析可知，并联补偿既能调节电压又能降低线损，但对于重负荷、长线路、多级串供的配电网来说效果均不明显且存在局限，性能比较中庸。串联补偿调压效果优异，潮流控制能力强，但是经济性较差，且存在特殊情况下的稳定性问题。串补通常应用在超高压输电系统中以提高极限输送功率，由于国内配电网系统大多为放射式、T接式等供电方式，并不适合串补的推广应用。考虑到综合线损率是各供电企业的重要考核指标，配电网宜优先采用稳定性与经济性兼顾的传统并联补偿方式而不推荐使用串联补偿。

[1] 王忠清，杨建宁.谈晶闸管投切电容器TSC的触发电路[J].电力电容器，2007，28(4)：30-36.

[2] 赵文忠，王东平.串联无功补偿技术在配电网中的应用分析 [J].低压电器，2010，5：37-44.

[3] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功功率补偿 [M].北京：机械工业出版社，2006.

[4] 艾述亮，丁辉.浅谈无功补偿 [J].科技风，2008，04：13-15.

[5] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社，2011，5.

[6] 王希平，李文才，李燕，等.基于Simulink配电变压器模型的建立及仿真 [J].自动化技术与应用，2009，28 (29)：124-132.

Analysis on Effect of Reactive Series，Parallel Power Compensation on Voltage and Line Loss in Power Distribution Network

LI Jinjin
(Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650011)

Reactive power compensation devices of distribution network are important components of the system and it is an effective way to improve voltage quality through bringing capacitances into service.However，the economical efficiencies of different ways of reactive compensation are not the same.The two kinds of reactive power compensation what are series and parallel both have advantages and disadvantages in improving the voltage quality and reduce the loss rate.This article shunt compensation and series compensation to build models and theoretical calculations and simulation analysis，the depth of its distribution network voltage and line loss based on the distribution network.

reactive compensation；series；parallel；voltage quality；line loss；simulation

TM75

B

1006-7345(2014)06-0097-03

2014-07-08

李津津 (1988)，男，助理工程师，云南电网公司昆明供电局，从事电网运行及继电保护管理工作 (e-mail)291114635＠qq.com。