10 kV线路补偿装置的设计与控制方法研究

2023-12-25方钊

电工材料 2023年6期

方钊

（国网湖北省电力有限公司，湖北武汉 430000）

0 引言

10 kV 配电网的电能质量与当地居民生活质量、生产质量息息相关，提高配电网电能质量一直以来都是重点的研究目标[1,2]。对于10 kV 配电网而言，电网质量中最为重要的指标为有功功率与无功功率[3]，其中无功功率将引起电网电压波动，进而危害居民用电设备[4]。10 kV 配电网长时间无功功率较高将导致重大事故，如一些大范围停电[5]。近来年，诸多通过电力电子器件组成的无功补偿装置得到了广泛关注，电能质量得到了一定程度的改善[6]。然而，电力电子器件组成的设备将馈入谐波，进而导致电网电能谐波含量好[7]，因此通常都安装在变压器段或者10 kV 配电网线路末端，不适合于定点补偿无功功率的场合[8]。使用电容器、电抗器进行无功功率补偿也是目前配电网应用最为广泛的方式[9]，有固定的投入电容器组补偿的方式[10]，也有动态投入电容器组补偿的方式[11-12]。

本研究提出了一种包含两组并联电容器的适用于10 kV 配电网的线路补偿装置。该补偿装置的电容器组投切灵活，容量大。由于该线路补偿装置具有2 组电容器组，可将电网运行区间划分为17 个区域，而非单电容器组的9 个区域。根据电压与无功功率两组信息选择电容器组的投切模式。为验证该线路补偿装置与控制策略，在某10 kV 配电网中安装了该装置，结果表明：该线路补偿装置能够提升电能质量。

1 10 kV线路补偿装置拓扑

图1 所示为10 kV 线路补偿装置拓扑。图1 中TV 为电压互感器，TA、TA1 与TA2 为电流互感器。TV 为非接触器传感器，且需为控制器提供电源。TA、TA1、TA2 分别测量10 kV 线路、第一组并联电容器与第二组并联电容器中的电流。TV、TA、TA1与TA2 仅测量了单相线电压、单相相电流。通过三相电压、电流之间的相位关系获取其他相的电压电流信息。控制器可通过电压、电流信息计算有功功率、功率因数等信息。FA 为跌落式熔断器，可保护10 kV 线路补偿装置，实现故障隔离，并给运维人员提供了安全保障。图中避雷器主要实现防雷保护。QA1 与QA2 均为高压接触器，通过QA1 与QA2 的闭合与断开实现并联电容器组C1 与C2 的投切，即图中控制器的主要控制对象为QA1 与QA2。C1 与C2为并联电容器组，均采用星型连接方式。接入电网后，可吸收大量无功，实现电网电能质量治理。

图1 10 kV线路补偿装置拓扑

2 10 kV线路补偿装置控制策略

10 kV 线路补偿装置的投切控制方式较多，如按照功率因数进行投切，按照无功功率进行投切，按照电压进行投切，按照电压与无功功率进行投切，按照电压与功率因数进行投切等。

采用按照功率因数进行投切的方式，当线路中有功功率与无功功率同时发生变化时，功率因数无法准确反映无功功率的波动，因此可导致并联电容器投切时机错误。

采用按照无功功率进行投切与按照电压进行投切的方式时，当线路中的无功功率、电压处于临界值附近时，并联电容器组会投切频繁，导致电容器损坏。因此，本研究选择按照电压无无功功率进行投切的控制方式，该方法能够避免出现投切振荡等问题，并能够进行实时投切。

图2 为按照电压、无功功率进行投切的控制方式的电压与功率范围图。

图2 控制范围

图2 中根据电网运行的要求，将无功功率与电压均分为三种状态，分别为：合格状态、越上限状态与越下限状态。因此可将工作区间分为9 个部分，当且仅当电压与无功功率均处于合格状态时，电网才处于系统正常运行状态。

根据电容器组投切后的电压预设影响定值与无功功率预设影响定值可确定两组电容器切换方式。

2.1 电容器组C1切出，电容器组C2切出

当两组电容器均退出电网时：电压与无功功率处于区域0 时，此时两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域1 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域2 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域3 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域4 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域5 时，投入电容器组C1。电压与无功功率处于区域5-1 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域6 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域7 时，投入电容器组C1。电压与无功功率处于区域7-1 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域8 时，投入电容器组C1。

2.2 电容器组C1投入，电容器组C2切出

当电容器组C1投入，电容器组C2切出时：电压与无功功率处于区域0 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域1 时，电容器组C1 切除。电压与无功功率处于区域2 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域3 时，电容器组C1 切除。电压与无功功率处于区域4 时，电容器组C1 切除。电压与无功功率处于区域5 时，电容器组C1 切除，电容器组C2 投入。电压与无功功率处于区域5-1时，此时两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域6 时，电容器组C1 切除。电压与无功功率处于区域7 时，电容器组C2 投入。电压与无功功率处于区域7-1 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域8 时，电容器组C1 切除。电压与无功功率处于区域9 时，电容器组C2 投入。电压与无功功率处于区域10 时，电容器组C2 投入。电压与无功功率处于区域10-1 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域11时，电容器组C2投入。

2.3 电容器组C1切除，电容器组C2投入

当电容器组C1切出，电容器组C2投入时：电压与无功功率处于区域0 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域1 时，电容器组C2 切除。电压与无功功率处于区域2 时，电容器组C2 切除。电压与无功功率处于区域3 时，电容器组C1 投入。电压与无功功率处于区域4 时，电容器组C2 切除。电压与无功功率处于区域5 时，电容器组C1 投入。电压与无功功率处于区域5-1 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域6 时，电容器组C2 切除。电压与无功功率处于区域7 时，电容器组C1 投入。电压与无功功率处于区域7-1 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域8 时，电容器组C1投入。

2.4 电容器组C1投入，电容器组C2投入

当两组电容器均投入电网时：电压与无功功率处于区域0 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域1 时，电容器组C1 切除。电压与无功功率处于区域2 时，电容器组C1 切除。电压与无功功率处于区域4 时，电容器组C1 切除。电压与无功功率处于区域5 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域5-1 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域6 时，电容器组C1 切除。电压与无功功率处于区域7 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域7-1 时，两组电容器不动作。电压与无功功率处于区域8时，两组电容器不动作。

3 结果分析

图3为未安装线路补偿装置时，在24 h内，配电网的功率因数。图4为安装了线路补偿装置后的功率因数在24 h 内的分布。补偿前，10 kV 线路的功率因数总体较低，甚至跌落至0.72，将导致较大的线路损耗，降低系统的运行效率。而补偿后，功率因数多在0.96～1 之间，功率因数得到了较大的提高，提高电网电能质量，降低线路损耗，提高电能传输效率。