无功补偿在电网上的作用及计算

马春岩

摘 要：电力系统的经济运转即在以最经济的方式分配各机组的发电量使其能满足系统负载的需求，并符合各个发电机组所能容许的输出最大与最小发电量限制及系统的运转限制条件。负载产生的无效电力造成系统许多不利的影响，除要求经济方面的竞争外还需兼顾电力系统安全性及稳定性的技术面要求。无功补偿对于电网的正常运营具有重要意义，该文旨在研究与分析无功补偿在电网上的作用及计算。

关键词：无功补偿 作用 计算 电网运营 电力系统

中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0229-02

The Effect and Computing of Reactive Power Compensation in Power Grid

Ma Chunyan

（Electric power dispatching center of North China Oilfield hydro electric plant，Renqiu，Hebei，062552，China）

Abstract：Economic operation of power system is in distribution of each unit of electricity in the most economical way to meet the needs of system load，and in accordance with the output of generating units can allow maximum and minimum power limits and system operation constraints.Invalid of electric power system many adverse effects，in addition to the required economic competition also aspires to power system security and stability of the technical requirements.Reactive power compensation is of great significance for the normal operation of power grid，the purpose of this paper is to research and analysis the role of reactive power compensation in power grid and calculation.

Key Words：Reactive Power Compensation；Role；Calculate；Power Grid Operation；Power System

过去20年来，随着社会经济快速成长，世界各国的用电量均有显著的增加，为了节约能源与减少发电成本，各电力公司均积极的研究电力系统的经济运转，而“竞争”和“效率”也已然成为世界各国电业发展的标杆。在电力自由化的潮流之下，对供电品质的要求也相对提升，电力事业者无不致力于追求在最小运转成本下，提供更高的供电服务品质来满足用户的需求，但除了找出最经济有效的供电品质之外也需要兼顾电力系统的安全性与稳定性方面的技术要求，来作为最佳的实无功率经济调度与运转规划的依据是相当的重要。

电力系统的经济运转即在以最经济的方式分配各机组的发电量使其能满足系统负载的需求，并符合各个发电机组所能容许的输出最大与最小发电量限制及系统的运转限制条件。另外，除要求经济方面的竞争外还需兼顾电力系统安全性及稳定性的技术面要求；因为电力系统运转时，负载产生的无效电力造成系统许多不利的影响，系统的汇流排电压可能超出容许的范围造成系统的不稳定；输电线可能超出其输电容量的极限而造成过载的状况，为了顾及输电网路的安全传输及供电电压的稳定，可借助于投入适当的无功率补偿而获得舒解。故单纯的实功率经济调度是不足的，因此，无功率的规划也是电力系统中一个相当重要的问题，而在一般电力系统中用来作为无功率源的设备种类包括电容器、发电机、同步调相机与静态无功补偿器等等。但是同步调相机与静态无功补偿器的成本过高，故长久以来除了发电机外，电容器一直是最常被使用而且是最经济的无功率源，因电容器具有成本低、体积小、装置容易且不需要复杂的监控设备等优点。无功率规划的主要目的为以最小的无功率投资成本来决定新增设无功率源的位置、型式与容量，以维持稳定的供电电压并降低电力传输损失。

1 文献综述

在求解经济调度的问题方面，已经有许多数学方法被提出来，如拉氏法（Lagrangian Method）、梯度法（Gradient Method）、基准点与参与因数法（Base Point and Participation Factors）、及动态规划法（Dynamic Programming），文献[8]使用拉氏解限法（Lagrangian Relaxation），文献[1]使用线性规划法（Linear Programming），但近期的研究则有利用人工智慧演算法（Artificial Intelligence，AI）来解经济调度的问题，如文献[2]所使用的类神经网 路（Artificial Neural Network， ANN）、文献[3]模拟退火法（Simulated Annealing，SA）、文献[3]基因演算法（Genetic Algorithms，GA）、文献[4]加强型基因演算法（Enhanced Genetic Algorithm）、文献[5]差分进化演算法（Differential Evolution Algorithm）。但这些研究多只限于解发电系统的经济调度，而非发输电系统。该文所探讨的系统则属发输电系统。

上述文献中的方法虽均能找出不错的解，但对上述方法而言，若其目标函数有连续或不可微分的特性，则其最佳化方法可能会求得局部最佳解，而不是整体最佳解。所以近年来，有些学者提出寻找整体最佳解的人工智慧演算法，如模拟退火法、遗传演算法、启发式演算法（Heuristic Algorithm）、进化规划法（Evolution Algorithm， EA）等等。但上述研究系偏向作电力系统的无功率规划，而不考虑实功的经济调度问题。

2 无功补偿在电网上的作用

在一个电力系统中，供电者以提供高稳定及高品质之电力为首要目的，这也是使用者对供电者最基本的要求。目前欲改善配电的品质和稳定性的研究甚多，诸如开关切换于配电系统损失研究、蜜蜂繁殖演算法于配电系统的电容器选择及容量决策研究、分散型电源并网将常闭环路升级为网目型配电系统的规划设计、多功能智慧型配电自动化紧急故障复电研究、利用类神经网路于复电研究、配电馈线及主变压器故障恢复策略研究、应用最佳化电力潮流于电力系统复电策略之研究、利用区域网路及编码无线遥控做智慧型区域动态电力调度、专家系统于复电及配电降低损失研究、开关重组于紧急复电研究、类神经方法应用于配电开关操作、利用三相负载潮流之电力品质提升及电容器安置、电力系统最佳无功匹配及负载平衡等等相关之研究方法都是为追求配电品质及稳定度之提升。

在电力系统中供电量是随时负载的变化而改变，而最具影响配电稳定性及电力品质莫过于配电系统相关负载的问题了，因此维持高功因的效能在配电系统中是很重要的课题也是最基本的要求。但要使整段馈线一直维持着稳定又高功因的状态，就可能需要在各个不同的区段投入不同容量之无功补偿，又因负载端的用电量随时都有变化的可能，也因此将要考虑更多的问题。

在电力系统中由于大部分的负载皆含落后的无效功率（电感性），因此往往形成滞后功因的现象。为改善此现象，发展出两种方式：（1）利用紧急发电机作为同步调相机的应用或称为同步电容器（Synchronous Condenser）使用；将同步机之激磁电流调整为过激磁以供应各负载的电抗性功率；（2）利用并联型电容器组改善系统的功因：为使装置成本达到经济化，大多采用集中补偿法或分组补偿法。同步调相机和电力电容器，此两种设备的功能均为提供无效电力（VAR，又称为无功率）给电力系统中的其他负载，因此，减少由发电机组所提供或输入系统的无效电力，也减轻了原动机的负担，并达到了改善电力系统功因的目标。

同步调相机对无效功率可作适当的补偿，且可作无段调整；因为其价格高昂、体积庞大、维修价格昂贵，且对系统的响应缓慢，遇到电力公司停电时无法即时供电给紧急负载，如果没有特殊需要，在一般配电系统中，都使用电力电容器来改善功因。而电力电容器体积小、价格低廉，并可以于任何电压额定、任何容量装设在系统中一适当地点，并且在装设时较为方便，比起同步调相机要轻松并且快速。

电感与电容常被使用在中程或长程的输电线路上，来增加线路负载能力及维持电压稳定，电抗器通常被安装在超高压输电系统中输电线的每相到中性线之位置上，此电抗器吸收电路轻载时之无功率以减少过电压情形产生，并减少由开关突波及电击突波所产生的短暂过电压之现象。除了电抗器外，电容器也常被应用在电路重载时之无功输出及增加输电电压，一般在轻载下可吸收无功率，在重载下调整输出无功率。近几年由于高科技发达电子电路、高功率半导体产业不断的创新研发，使得电力系统无功补偿、功因改善得到重视，使得在这方面有一种新的方法：静态无功补偿器。静态无功补偿器是一种类似并联的电容器而且他们可以吸收或提供由电力电子电路控制的一种反应器，以便无效功率可在一个特定范围[Qmin，Qmax]间作连续调整。并可经由系统的变化，作无效功率的补偿。

3 计算方法

组成SVC的主要元件有固定式电容器（Fixed-capacitor）、电抗器、闸流体（SCR）、变压器及控制线路，而因其组成元件之不同，我们可区分为以下6种类型：

（1）饱和电抗器（简称：SR）。

（2）闸流体切换控制电容器（简称：TSC）。

（3）闸流体切换控制电抗器（简称：TSR）。

（4）闸流体控制式电抗器（简称：TCR）。

（5）在闸流体切换电容器-闸流体控制电抗器（TSC-TCR）。

（6）闸流体控制电抗器-固定电容器（TCR-FC）。

至今在电力系统上装设SVC来改善电力系统上的问题都有不错的效果，经由装设SVC来改善并且解决问题，例如：

（1）增加电力线传输功率：电力线传输的功率跟电压有关，若使用电容器来增加系统电压以增加传输功率，则系统极有可能引发电压崩溃（Voltage collapse），若使用SVC则不会有这方面的困扰产生。

（2）电压控制：对于短路容量较小或有很长输电线的电力系统，在重载时往往导致电压快速的下降，当系统电压不足或者过低时，有可能会使得用户的负载跳脱，甚至造成电力系统崩溃；在轻载时会有电压偏高的情形产生，可能会使变压器饱和，产生谐波并引发电容器的损坏。而这些问题，可以使用电压控制式的SVC来改善。

（3）电压平衡：对于单相使用的大电流负载（如电车、熔炉等），会造成系统负载及电压的不平衡，SVC单相切换式SCR控制的电抗器可用来解决此问题。

（4）改善电压闪烁：对于使用电弧炉负载的炼钢厂，SVC可以改善因电弧炉所造成的电压闪烁问题。

（5）改善暂态稳定度及增强动态稳定度：电力系统产生轻微扰动，都可由装设SVC来改善稳定度问题。

当等效负荷阻抗模和等效支路阻抗模相等时，达到静态电压稳定临界点（最大传输功率）。令ZL表示等效负荷阻抗模，则用阻抗模表示的静态电压稳定裕度指标为：

当Vpsi为0时，达到静态电压稳定临界点，Vpsi越小表示静态稳定裕度越低。

Φlmin和Φsmax分别表示Ploss最小（Plmin）和Svsi最大（Svsim）对应的功率因数角Φ，ΦL和ΦU分别表示Φ的下限和上限值。同调区表示在一定有功模式下，改变负荷无功大小（相当于无功补偿）时Ploss和Svsi变化相协调的运行区域，即在该区域内，改变无功的大小在降低Ploss 的同时增加了Svsi。

矛盾区表示在一定有功模式下，改变负荷无功大小（相当于无功补偿）时Ploss 和Svsi变化相矛盾的运行区域，即在该区域内，如果要提高Svsi，就需要以增加Ploss为代价，同样如果降低Ploss，就要降低Svsi。所以，可根据具体的某一戴维南等效参数和负荷有功，容易求得Φlmin和Φsmax，根据稳定裕度情况合理选择最佳无功补偿目标方向，进而快速评估节点所需无功补偿水平。

节点的最佳无功补偿大小约为：

Qoc=PLitan（Φlmin）or PL tan（Φsmax）

对应无功需求量为：

Qac=QL—Qoc

可见，Qac>0pu时意味着需要容性补偿，Qac<0pu时意味着需要感性补偿。Qac是基于节点戴维南等效参数算出的，并没有考虑与其他节点的相互影响，只是该节点在当前戴维南等效参数和等效有功负荷下对应的一种虚拟理想无功补偿量。在复杂电网中，各无功补偿节点间的电气距离相对较大，且实际可调无功补偿量都在较小范围内，无功补偿对Ploss和Svsi的影响范围相对较小，所以Qac具有较高的可信度，能够用于电网各节点无功补偿水平快速预估。

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