电力系统无功补偿的综述

潘莞奴

【摘 要】随着电网用电负荷规模需求不断扩大，大量低消耗功率因数输电负荷陆续接入智能电网，无功优化与无功补偿之间的问题充分显现。为实现电网的安全运行，电网迫切需要无功补偿来平衡负荷无功。对此，本文通过对无功优化的概述分析，详细综述了无功补偿的发展应用。

【关键词】负荷无功;无功补偿;无功优化

中图分类号： TM714.3文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）33-0150-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.074

0 引言

电力系统运行时，一旦出现无功负荷或电源分布不均的问题，就会导致经济性和稳定性的欠缺，从而直接影响风电厂电能回收质量。所以，利用直流无限有功补偿电流在电网系统中产生消耗最大有功电流功率的主要特点，电网系统使用无功补偿控制装置来大大提高智能电网的运行质量，对应于减少电网系统因为电流无功分配不合理而可能产生额外的最大消耗电流功率。本文通过无功优化的数学模型，在合理的无功补偿容量及方式下，探讨了相关的无功补偿的发展应用。

1 无功优化目的

无功优化方法是泛指当一个电网运行系统中某些有功潮流负荷、电源以及其它潮流负荷分布己经达到给定的情况下，通过优化计算方法确定一个网络中某些控制变量的最优值，在能够满足所有性能约束控制条件的一定前提下，使某一个或多个网络性能指标的值达到最优时的一种运行优化方式。

电力系统在运行期间，风电厂的功率调度系统工作人员通常需要在有功功率潮流分布一定的条件状态下，利用各种无功控制技术来自动调整控制系统过程中的各种无功潮流功率分布，令风电网络的正常运行不但足够能有效满足各种无功约束控制条件，还同时能够有效实现控制系统最小有功功率损耗。其中，无功优化的主要目的可分为以下几点：

（1）不断改善城市电力系统的正常运行状况，提高其稳定运行性能和安全性能。

（2）要求合理分配无功功率，使其能够改善网络电压水平，保证良好稳定的电能质量。

（3）有效减少电能的消耗，尤其是有功方面的损耗，从而节约运行费用。

1.2 无功优化的数学模型

1.2.1 通用数学模型

從数学的角度来说，无功优化是一个多控制变量、多离散约束的混合型非线性系统规划性优化问题，其控制变量中不包含非连续变量且有很多离散约束变量，从而容易导致结果使得无功优化的完成过程十分繁琐。

模型处理是利用无功优化解决问题的理论基础，电力系统无功优化问题通常可以被表示为以下的几种通用数学处理模型，其通用数学模型描述为：

1.2.2 目标函数及约束

无功优化可以使全网的有功损耗达到最小，满足电网的运行约束条件和控制约束条件。其中一个模型约束包含一个目标变量函数、等式变量约束和一个不等式函数约束。

其一，根据无功优化的目的不同，有以下五种目标函数：

（1）给定系统负荷，调整无功设备电流输出，使给定系统负荷发出的有功损耗最小。故此目标函数为：

（2）当仅仅只把电压限制看成约束条件，会导致无功优化之后的电压幅值大小无限接近上限值，所以在运行过程中选择将运行电压值和指定的电压偏差值共同作为目标函数，表示为：

（3）电压稳定裕度可以作为判断电压稳定程度的指标，表示为：

（4）无功补偿设备（电抗器或者是电容器）的安装要选择在合适的位置，能够使无功容量达到最小限值，即优化选择无功补偿地点及容量，此目标函数为：

（5）利用系统总费用最小为无功优化的目标函数：

其二，约束控制条件主要包括一个等式控制约束和两个不等式控制约束，前者即满足变量潮流规律的方程，后者即分别管理控制变量约束和状态变量约束。针对式（1）的代数模型，可以通过考虑写成如下的等式和不等式约束条件：

1.3 无功优化算法

1968年前人所提出的简化梯度函数法计算是国外目前出现最早且较为具有国际影响力的无功优化算法，对后来多方面学者的理论研究成果有很大的帮助。无功优化算法大致来说可以划分为经典无功优化算法和人工智能优化算法两大类。

其中，传统数学优化方法比较依附于精准的数学模型，可这样的数学模型却又很难适应现在的控制要求且过程复杂，利用简略的模型又会存在很大误差。所以多年来，研究人员一直致力于发现一种智能的方法，其中以专家系统、神经网络等为代表。

2 无功优化下的无功补偿

无功优化补偿系统是关于无功优化的一个应用典型实例。其本质上就是一种利用无功功率补偿供电设备所能够发出的无功功率信号来作为抵消电力负载或使用潮流的有功补偿部分。无功电流补偿过程规划在传统数学上我们可以将其看作是一个最优化问题，但在各种系统中，它对于触及多个日期和标准的一次优化，会对其造成一种明显的不连续性和不可微性。

如果在具体操作中应用不当，就会给电力系统带来一些永久性的问题。所以随着无功补偿技术广泛应用发展在实践中，理应更需要特别着重于无功补偿方式、无功补偿节点的确定，补偿节点容量以及过补偿或欠补偿。

3 无功补偿的常用装置

从补偿的应用角度来说，无功补偿装置通常分成静止类无功补偿、机械旋转类无功补偿、复合类无功补偿三大类，此类划分的方式无疑是最为全面和精准的。

其中，机械旋转类是最传统的无功补偿装置，其技术优点主要是通过自动调节机械转子绕组的励磁器和电流频率来控制改变无功功率的输出或吸收。静止类无功补偿装置指补偿装置设备没有任何旋转部分，运用了灵活的交流稳态输电。细分下去主要是静止无功补偿器、静止同步补偿器、晶闸管投切电容、晶闸管控制电抗器和磁控电抗器。

基于MCR的动态无功补偿系统的性价比和系统可靠性都比较高，对于10kV及以上电压等级的无功控制装置也有很强的市场竞争力。而基于FC+MCR与FC+TCR的这两种装置其复合补偿方式相似，同样都在于能够直接实现无级调节。但对于FC+TCR则晶闸管需要同时承受与实际线路电压相同频率等级的电压，而对于FC+MCR中，晶闸管只需要承受的实际线路电压仅大约为1%-3%。在特高交流电压下的输电补偿系统中，都普遍采用了FC+MCR的补偿方式。

4 总结

在电力系统中，电网所能承受的负荷与容量是有一定限度的，随着电网负荷以及容量的增加，电网的安全性和经济稳定性问题更是越发突出，电力系统的无功优化补偿势必要改善。

当前很多种无功优化方案并没有站在全局的角度出发，所以这只能是系统当前运行方式下的一种安全经济的分析方法。如今若想仅依靠无功优化手段来实现电网的安全运行，则更多的是要利用合理的无功补偿方式来改善电力发展。无功补偿手段作为良好电能质量不可或缺的一环，必然要精确计算无功补偿点和补偿容量，在不同环境情况下，配置相应合理的补偿装置，确保电力系统的功率平衡。

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