变电站无功优化问题研究

郭刚

摘要：无功补偿技术在电力系统中被广泛应用。阐述当前变电站在无功优化方面存在的主要问题，介绍变电站无功优化补偿容量的确定原理，提出实现变电站无功补偿的最优控制方案和控制流程，以期为变电站无功优化提供参考。

关键词：无功优化；变电站；问题；研究

中图分类号： TM73 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）12-0024-02

变电站是电力系统中一个必不可少的环节，在电力输送、分配和使用过程中发挥着重要作用。无功补偿技术在改善终端电压水平、提高配电网功率因数、降低有功损耗及提升电力企业经济效益等方面都具有非常重要的现实意义，因此，无功补偿技术在电力系统中得到了广泛应用。

1 变电站在无功优化方面存在的问题

当前变电站在无功优化方面存在着一定的问题。以安装了主变压器（S9-10 000 kVA/35 kV）的变电站为例：在空载和满载的区间内，变压器的无功损耗为80～830 kVAR，按照《110 kV及以下县级配电网无功优化补偿技术规范和典型应用模式》的相关规定，补偿容量为变压器容量的10%～30%，据此补偿容量为1 000～3 000 kVAR。如果在变压器二次侧母线上安装功率因数控制器对电容进行投切，当功率因数达到0.98时，功率因数控制器就会通过自动装置将电容切除，此时只有负荷侧无功功率能够得到平衡，其他的无功功率不能得到平衡。在变电器二次侧母线上安装这么大的电容，只能解决变压器功率因数的问题，对于电压质量改善和电能损耗基本没有作用，这是一种十分不科学的做法。

2 变电站无功优化补偿容量的确定

配电网无功优化必须遵循的基本原则是：统一规划，合理布局，分级补偿，就地平衡。变电站进行无功补偿也要按照这个原则，不能单纯强调在某一个设备或某一个单元上进行无功补偿，而要兼顾总体效果。因此，变电站的无功优化要先在母线的功率因数达到相应指标要求（即在配电网的其他环节进行了随机、随器、配电线路等分级补偿）的情况下进行。为了使变电站主变压器的一次侧能够达到标准，要考虑差额部分和主变压器无功损耗部分的总和，按式（1）计算：

Qc=ΔQBk+ΔQBf+∑Qfi （1）

式中：Qc为变电站二次侧母线无功补偿容量，kVAR；ΔQBk为变压器空载无功损耗，kVAR；ΔQBf为变压器负载无功损耗，kVAR；∑Qfi为变压器一次侧达标所需无功不足部分，kVAR。

由式（1）可知：变电站主变压器负载无功损耗ΔQBf与负载率的平方成正比，考虑到无功优化容量应满足最终发展要求（负载率=1）；为供电区域内各馈出线路功率因数达标（cosφ1=0.90）与主变压器最大负荷时高压侧功率因数达标（cosφ2=0.95）时的二次侧无功需补偿部分的差值。由此得式（2）：

Qfi=1.05Pzd（tgφ1-tgφ2） （2）

式中：1.05为考虑主变压器允许过负载的系数；tgφ1为主变压器二次侧cosφ1=0.90时的正切值，故tgφ1=0.484；tgφ2为主变压器二次侧cosφ2=0.95时的正切值，故tgφ2=0.329； Pzd为主变压器满负载时的最大有功功率，kW。则：

Qfi=1.05 Se cosφ2 （tgφ1-tgφ2）=0.155 Se （3）

3 实现变电站无功补偿的最优控制方案

3.1 变电站无功补偿最优控制约束条件

变电站无功补偿容量的控制应当考虑以下3个不等式的约束条件：

Uimin

Qcimin

cosφimax≮cosφi≮cosφimin （6）

由式（4）—（6）可知：无功补偿控制容量在不大于最大负荷时无功需求的情况下，应当满足最低负荷的无功需求；母线电压正负偏差的绝对值之和不能够超过标称电压的规定值（若考虑系统原因，母线电压长期偏高时可适当提高正偏差）；主变压器的高压侧功率因数，在最大负荷的情况下不能够低于0.95，在最低负荷的情况下不能够高于0.95。

3.2 变电站主变压器一次侧采样的无功补偿控制方式

如果选择在主变压器一次侧母线上安装电压和电流互感器等设备进行数据采集，主变压器二次侧无功补偿方式的选择必须符合主变压器一次侧的电压和功率因数不等式的约束条件。其中一组采用固定补偿方式，即QCG=0.90ΔQBk，这样即使在变电站负荷很小或者空载状态的情况下，也不会出现过补现象（此补偿不受电压或功率因数不等式约束的控制），可以按照无功需求的大小，通过分组自动投切或平滑调节等方式控制其余补偿。

3.3 变电站主变压器二次侧采样的无功补偿控制方式

当变电站主变压器容量相对较小的时候，通常在主变压器一次侧不设计安装电压互感器和电流互感器，因此只能在主变压器二次侧设计安装电压互感器和电流互感器，采集电压、功率因数和无功负荷等数据。这时要充分考虑2个条件，即主变压器二次侧电压不等式约束条件和二次侧采集的数据折合到一次侧的功率因数和无功需求不等式约束条件，来选择无功补偿的最优控制方式。主变压器二次侧折合到一次侧的功率因数：

cosφ1=cos

arctan （7）

式中：ΔP0为变压器空载有功损耗，kW；ΔPK为变压器负载有功损耗，kW；QCD为变压器二次侧折合到一次侧的补偿容量，kVAR。

补偿容量按照式（8）来确定：

QCD=0.9ΔQBK+（）2ΔQBF+QDC

=0.9ΔQBK+ΔQBF+PD（tgφD1-tgφ2） （8）

式中：PD为主变压器二次侧在一定的时间内实际采集的有功功率平均值，kW；QD为主变压器二次侧在一定的时间内实际采集的无功功率平均值，kVAR；tgφD1为主变压器二次侧在一定的时间内实际采集功率因数平均值的正切值。

由以上分析计算可知，主变压器二次侧通过选择切实可行的无功补偿方式，功率因数可以提高到一个比较理想的水平。但问题是，即使这个功率因数达到了0.95，在主变压器二次侧不再通过其他方式来补偿主变压器本身消耗的部分无功，主变压器一次侧的功率因数仍不能按照标准达到一定的要求。

4 变电站无功优化自动化系统的实现

对于变压器负荷侧无功不足部分和变压器自身无功损耗所需要的无功，可根据不同的情况，在变压器一次侧和二次侧安装电流互感器和电压线感器采集数据，计算补偿容量，并通过自动控制装置切入电容，从而实现就地补偿。使主变压器二次侧功率因数超前运行，实现无功倒送，可以补偿主变压器的无功损耗。但经分析计算可知：当cosφ=0.95时，无功分量在变压器绕组电阻上产生的有功损耗比有功分量在变压器绕组电阻上产生的有功损耗小约9倍。因此，为了实现就地平衡，可以把电容和自动控制设备安装在主变压器二次侧，在功率因数为1.00的基础上，再补偿主变压器的无功损耗部分。但是从投入费用角度考虑，这显然不够科学、经济，因此各地要根据自身情况适当选用该方式。

变电站的无功优化自动化控制系统，首先要按照3个不等式约束条件要求，根据采集的数据计算出无功需求的大小，再通过自动控制装置进行投切电容。以往的看法是，在满足电压约束条件的情况下，按照功率因数的大小进行投切；但实际上，在变电站处于高峰负荷时，无论功率因数的值是多少，无功功率仍然是相当大的，再怎么补偿也达不到预想的效果。以常用的S9-10 000/35 kVA变压器为例，设计的无功功率在满载的情况下（cosφ=0.95）为3 122 kVAR，因此在功率因数较高的情况下，通常不会太重视无功功率，而实际上功率因数还有许多节能潜力可以挖掘。

5 结语

当前，我国配电网无功功率的考核方式主要是通过在配电网中安装多功能检测仪表，其转向都是正转的，无功功率吸收或倒送的越多，多功能检测仪表就转向的越多，功率因数显示的就越低。按照规程规定，主变压器二次侧补偿的无功功率或者随主变压器低压侧补偿配变无功功率与多功能检测仪表考核的方式是矛盾的。本文所研究的变电站无功优化自动化系统在固定补偿方面是按照“就地平衡”的原则完成的，但是不能用单一的办法解决所有问题，只能通过各处变电站的实际情况，选择较为恰当的方式，从主变压器二次侧进行补偿。主变压器在空载时段或者是二次侧功率因数为1.00的情况下，才能不断地向变压器倒送无功，其余情况都是补负荷侧的无功不足部分。无功补偿的有效、科学、“就地平衡”与无功计量考核方式的矛盾，有待于进一步研究与探讨。

参考文献

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[2] 王慧，白明亮.变电站无功优化智能系统的仿真研究[J].农业科技与装备，2013（3）：46-48.

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