高压电网无功补偿优化分析

2021-03-28邹佳鸥

电气技术与经济 2021年2期

邹佳鸥

（哈尔滨同为电气股份有限公司）

0 引言

无功补偿在高压电网中能够起到提高电网的功率因数的作用，同时可在电能的变压和传输过程中降低电力损耗功率并提高电网质量，因此无功补偿装置在供配电系统中不可或缺。本文提出了无功补偿配置方案的优化思路并确定了无功补偿优化配置方案，将无功补偿装置的无功配置率的范围进行了缩小。

高压电网的输出功率包括有功功率和无功功率两部分，前者被供电系统输送给用户的用电设备，这部分功率将电能转化为热能和机械能等，属于直接做功的功率，因此被称作有功功率；后者是电气设备中所有的容性和感性元件在工作时因建立电磁场而消耗的功率，目前工业生产和生活中大部分设备都是感性负载，如变压器、三相异步电动机和荧光灯等，这类设备在运行过程中需施以无功补偿技术。

无功补偿是电力行业对无功功率补偿的别称，无功补偿在电力系统中能够提高高压电网的功率因数，同时可在高压电网中电能的变压和传输过程中降低电力损耗功率，起着调节供电环境的作用，因此无功补偿装置在高压供电系统中不可或缺。为了尽可能地降低高压电网的损耗功率，改善电网质量，需要选择合适的无功补偿装置［1］。而如果不能合理选择并应用无功补偿装置，则可能使高压供电系统中的电压产生波动并增大其谐波。

1 高压电网无功补偿研究现状

（1）无功补偿的重要意义

无功功率补偿技术就是通过将容性和感性负载设备进行互相连接，使电能可以在这两类负载之间自动转换，避免因非线性负载增多而导致电流在电网输送线路中被来回输送，得以降低电网中无功功率的损耗。无功补偿技术的应用可减少发电设备的供电容量以减少投资，对新建或扩建电厂工程项目来说，有必要重点关注无功补偿技术在高压供配电电网中的应用，从而能提高发电机组的功率因数，实现降低发电机组设计容量，并通过减少线损而提高电厂经济效益的目的。

在高压电网中，经长距离输电线路被输送至负载位置处的发电机组产生的无功功率并不能满足电网末端感性负载无功功率的需要，因此应在电网中需要无功补偿的位置处接入容量合适的无功补偿装置，产生无功功率以被非线性负载吸收，达到降低电网向负载输出无功功率的目的，也即降低设备的损耗功率，以节省电能。

（2）无功补偿配置应遵循的原则

高压电网无功补偿包括集中补偿和分散补偿，应结合集中补偿和分散补偿，选择高压和低压电网无功补偿互补的方案，以分散补偿为主，同步实现稳定电网电压和降低损耗。

无功分层分区平衡原则。为提高电网电能质量和降低网损，应避免通过远距离输电线路将无功功率输送到负载位置。要根据电网负荷高低遵循无功的分层和分区平衡的原则，也要考虑设备在故障状态下的情况。因此要根据设备故障情况下无功预算值做好应对措施，以保证在设备故障时不会出现电网无功供应不足。

无功补偿设备配置原则。为便于检修补偿设备，应尽可能地集中配置无功补偿设备。相对来说并联电容器组可分散配置，但是为及时检修补偿设备，电容器组的配置不能过于分散。

变电站无功补偿原则。对变电站进行无功补偿是为了满足变压器对无功容量的需求，需要根据电网电压和网架强度来分类讨论分析。对于电压在35kV～110kV范围内的高压电网来说，一般情况下输电线路的负荷大于自然功率且电网呈感性，因此要将容性补偿设备分散配置在相关的变电站处，可按照补偿容量为主变容量15%～30%的原则配置。在220kV的高压电网中，若其网架不强则变压器呈感性，此时容性无功功率补偿装置主要补偿主变的无功损耗，一般将补偿容量配置为主变补偿容量的10%～25%；若其网架相对较强，电网在波峰时段时输送负荷和主变的无功功率比较大，电网内感性无功增加，因此为提高供电设备功率因数，则需要在电网中接入并联电容器组进行补偿。电网系统中有功功率因数越高则单位补偿容量降低损耗的效果也越差，一般情况下当有功功率因数被提高到0.95时电网系统就处于最佳补偿状态。

当电网处于波谷时段时，电网因输送负荷较小而呈容性，此时可断开配置于电压较高的主变两端的电容器组。对于电压超过330kV的电网来说，需要同时配置感性和容性补偿设备。前者的容量可适当确定，可通过配置并联电抗器对电网剩余充电功率进行感性补偿［2］。

（3）各类无功补偿设备的优缺点

同步调相机也被称作同步补偿器，其实际上为一台可发出无功功率且不带负载的同步电动机，能为电网提供无功功率以补偿负载设备所消耗的无功功率。可对同步调相机的电流进行调节以改变其所产生的无功功率，提高电网的稳定性。同步调相机早期应用较为广泛，由于其本质上为同步电动机，因此运行时的噪音很大，响应性能较差，不能对电网进行动态补偿。且由于容量和成本的问题，同步调相机随着电力技术的进步而慢慢地被淘汰了［3］。

并联电容器组因其成本低和便于维护的特点在早期应用广泛，系统通过机械开关来控制电容器组接入和断开，因此合闸电弧会导致触点过热和发出噪音，故不适合频繁接入和断开电容器组，这就使得并联电容器组只适合被应用在负载稳定的电网中。

并联电抗器能够吸收电网中过剩的无功功率以避免电网电压超限，可直接接入母线或电网线路中，在电力系统中仍被广泛应用。

静止无功补偿设备（SVC）在高压电网中性能优良，SVC既可输出容性电流也可输出感性电流，这使得其有多种结构形式。SVC调节速度快，可对电网快速进行动态补偿，且其可靠性很高，维护也很方便。但其损耗大，会向电网产生较多的谐波。

2 高压电网无功补偿配置方案的优化思路

（1）无功补偿优化的重要意义

无功补偿优化规划的算法复杂，建模困难，难以被应用于电网的设计过程中，所以在设计阶段中需要根据无功配置原则或补偿范围来确定相关变电站的补偿容量和补偿装置的组数。根据110kV变电站无功配置原则，容性无功补偿应按照主变容量的10%～30%进行配置，并基于输电线路进出线的情况配置合适容量的感性无功功率。根据这一原则进行配置无功补偿有适应性强和操作简单等可执行性优势，该原则可不依赖于复杂的无功优化计算，具有很强的指导意义。

由于电网特性不同，使得无功平衡需求也不相同，则该原则通用性太强常常导致很难设计出更优化的配置，会引发某些电站被过度补偿而对另一些的补偿又严重不足的问题，不利于电网的无功电压控制。尤其在尚未量化感性无功补偿配置的情况下，会出现在设计阶段忽略感性补偿配置的问题，这给电网的稳定运行带来了诸多干扰。

因此为提高无功电压调控能力，必须要对无功配置原则和手段进行细化和量化。根据不同特性电网确定出其容性和感性无功配置的几种差异化方案，对无功配置原则进行深入优化，这对提高电网运行的安全性和经济性有着重大意义。

（2）无功补偿配置方案的优化思路

为了对无功补偿配置原则进行优化，需要注意下面几个关键点。

负荷特性和无功电压特性对高压电网进行细分，考虑到其可执行性，细分的类别以5～6种为宜。应在任一类配电网中选择几个代表性强的案例进行无功优化分析，这些案例应具备较高的差异性，如所属地区不同和特征参数（线路输电距离、电网负荷以及变电站数量等）不一，这为配置原则更好地进行无功优化提供了依据。应重视量化指标以便执行设计阶段的规划操作，确定出的无功配置率范围不应太大，否则设计规划人员的主观性较大，不利于对配置进行优化［4］。

（3）无功补偿的优化分析

在高压电网中，无功补偿能使配电网和输电网对电压和无功功率进行分区和分层控制，可在相关变压器低压端的位置处接入合适容量的无功补偿装置，对配电网的无功功率进行平衡，防止与变压器高压端发生无功交换，这样能够降低电网损耗和提高电压质量。

无功功率补偿装置中电容器组分组越多，则配电网系统运行也越稳定，但分组太多会导致系统需要使用更多的开关设备，经济性较差。分组过少时，若电网负荷波动范围较大，会出现投入一组开关设备时过补偿但断开后欠补偿的情况。无功补偿装置的单组容量应取变压器容量的10%，原则上对110kV变电站母线无功补偿的分组不宜超过3组［5］。

为保证变电站所有的无功补偿装置被均衡配置，对于需要配置电抗器和电容器的变电站来说，要把新增的补偿容量平分后配置到每一台主变压器。一般来说，这一原则的配置结果相较于优化值会增加，能更好地满足未来的电网对无功补偿的高要求。

3 无功补偿优化配置方案

高压电网所需配置的最优补偿容量与变电站容量的数值关系被定义为无功配置率，用于为各类变电站无功补偿配置容量的选择提供指导。根据实际情况中无功补偿的分布间隔，经过分析得出以下的容性和感性的无功配置方案。传统的容性无功是按照主变压器容量的10%～30%进行配置，且根据传统原则只能得出一个不确定的容量，而经过优化分析后可缩小无功配置率的范围。

（1）容性无功补偿的优化配置方案

对于负荷较小地区的电网，在大方式时为了能保持足够电压水平并降低网损，220kV变电站容性无功配置率范围应为4%～5%，110kV变电站容性无功配置率范围应为10%～20%（分1～2组），且其平均值为14%，相对于20%的传统平均补偿率减小了6%的容性补偿设备的投资，节省了建设成本。

（2）感性无功补偿的优化配置方案

对于负荷较小地区的电网，在小方式时为了能将电压维持在正常水平并控制有功损耗的合理性，220kV变电站感性无功配置率范围应为16%～17%，110kV变电站感性无功配置率范围应为10%～23%（分1～2组），且其平均值为17%。