關(guān)于變電站無功補(bǔ)償控制與電壓調(diào)節(jié)的分析

【摘要】目前電網(wǎng)建設(shè)正處于快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，變電過程中應(yīng)該如何進(jìn)行電壓無功控制和電壓調(diào)節(jié)是一項(xiàng)重要的工作。因此，本文就變電站無功補(bǔ)償與電壓的綜合控制與調(diào)節(jié)進(jìn)行了分析，主要從調(diào)節(jié)與控制的方式、原理、實(shí)現(xiàn)方法，并且分析了常用控制裝置（VQC）的不足，進(jìn)而提出了改進(jìn)方案。

【關(guān)鍵詞】變電站；無功補(bǔ)償；電壓調(diào)節(jié)；電容器

1、引言

為保證電力系統(tǒng)的安全，并且實(shí)現(xiàn)它的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須確保電壓質(zhì)量。當(dāng)下我國逐漸開始推動電力系統(tǒng)市場化，進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)營，這對電壓質(zhì)量也有了更高的要求。人們開始密切關(guān)注變電站的電壓調(diào)節(jié)和無功控制。保持電壓質(zhì)量合格，降低網(wǎng)損需要對無功功率進(jìn)行分層、分區(qū)、就地平衡，對無功設(shè)備進(jìn)行科學(xué)調(diào)控，做好電網(wǎng)無功的優(yōu)化。目前無功優(yōu)化的途徑主要有兩種：一種是全網(wǎng)范圍內(nèi)的無功優(yōu)化，以開工時(shí)設(shè)備的網(wǎng)損值最小作為目標(biāo)函數(shù)；另一種是變電站的電壓無功綜合控制（VQC），通過使用并聯(lián)的補(bǔ)償電容器和有載調(diào)壓變壓器，使得局部的電壓和無功補(bǔ)償可以自行調(diào)控。通過這種自動調(diào)節(jié)，使進(jìn)線功率因數(shù)盡可能接近1，保證負(fù)荷側(cè)母線的電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。

從上世紀(jì)70年代，就開始了對VQC裝置的研究?，F(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)形成了一整套比較成熟的控制策略。近年來，高速通信技術(shù)、衛(wèi)星同步授時(shí)技術(shù)和電力系統(tǒng)信號采集和處理技術(shù)都得到了飛速的發(fā)展，變電站電壓的控制有了無功補(bǔ)償控制的裝置提供技術(shù)支持，使得VQC具有很高的可靠性。

2、變電站無功控制與電壓調(diào)節(jié)的主要方式

2.1補(bǔ)償容量不足時(shí)的無功功率平衡

要想平衡電壓系統(tǒng)的質(zhì)量和無功功率，必須以系統(tǒng)電壓維持在正常水平作為前提。正常情況下，電源的無功功率和有功功率都要從用電設(shè)備獲得。如果用電設(shè)備不能提供充足的無功效率，無法滿足用電設(shè)備的需求，那么正常的電磁場就無法建立起來。這樣就會導(dǎo)致端電壓降低，用電設(shè)備無法在額定電壓下正常工作，導(dǎo)致電力系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。無功功率平衡可以很好地解決這一問題，當(dāng)電力系統(tǒng)的電壓水平降低時(shí)，控制裝置會自動調(diào)節(jié)電壓，降低系統(tǒng)對無功功率的需求。這樣，在容量不足時(shí)，無功功率控制裝置會使無功功率達(dá)到一種平衡狀態(tài)[1] 。

2.2電源充足時(shí)的無功功率平衡

電力系統(tǒng)的電源與電壓水平密切相關(guān)。當(dāng)無功功率電源不足時(shí)，相應(yīng)的電壓水平也較低。相反，電源充足時(shí)，電壓水平就較高。因此，在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，要使用電設(shè)備可以在額定電壓下維持無功功率平衡。在這個(gè)基礎(chǔ)上，安裝一定的補(bǔ)償裝置進(jìn)行就地補(bǔ)償。如此一來，電壓的質(zhì)量可以得到提高，線損也可以有所減少。然而實(shí)踐表明，只單單使用無功補(bǔ)償控制來調(diào)節(jié)電壓，是無法很好地解決電壓質(zhì)量問題的。因?yàn)殡S著配變負(fù)荷的增大，電壓的波動也會變大。因此，大家普遍使用“九區(qū)圖”法?！熬艆^(qū)圖”是一種控制算法，電壓和無功是控制變量，通過投切電容器和切換變壓器分接開關(guān)檔位，使無功Q和電壓U達(dá)到我們所需的值。它把自動調(diào)壓和自動跟蹤補(bǔ)償很好地配合在一起，使電壓的質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高[2]。

3、變電站無功補(bǔ)償控制和調(diào)節(jié)電壓的原理及具體實(shí)現(xiàn)方法

3.1原理

從理論上來講，無功控制劃分可以根據(jù)電壓和無功劃分，也可以把電壓和無功的因素作為劃分依據(jù)。目前電力系統(tǒng)中普遍使用的是九區(qū)圖控制法。該方法通過對無功和電壓上下限的規(guī)定，將無功和電壓平面分成了九個(gè)區(qū)域，因此稱為九區(qū)圖控制法，如圖1所示。

九區(qū)圖控制法原理：電壓和無功上下限的確定是有一定依據(jù)的，前者是以電壓合格范圍作為確定依據(jù)的；后者的確定是根據(jù)每組電容器的容量和偏差進(jìn)行的，為了維持無功平衡及保持投切的穩(wěn)定。無功上限意味著無功過剩，無功下限則代表無功不足。最終無功控制的方法根據(jù)電壓和無功所處的狀態(tài)即位置來確定[3]。

3.2實(shí)現(xiàn)方法

如果電壓和無功未到達(dá)所需的值，那么可以利用投切電容器組，變換有載配電變壓器分接開關(guān)的檔位來調(diào)節(jié)U和Q。具體方法如下：

0區(qū)：電壓無功合格不需要調(diào)節(jié)；

1區(qū)：電壓超過了上限，需要進(jìn)行降壓調(diào)節(jié)。（1）電壓優(yōu)先：可以將分接頭向下調(diào)節(jié)。如果分接頭無法調(diào)節(jié)，可以嘗試退電容器，看看是否可以使電壓下降，大于電壓下限同時(shí)無功低于上限。（2）無功優(yōu)先：可以將分接頭向下調(diào)節(jié)，使無功回復(fù)正常。如果分接頭無法調(diào)節(jié)，可以嘗試退電容器，看看是否可以使無功低于上限同時(shí)電壓高于下限。

2區(qū)：無功高于下限，電壓高于上限，此時(shí)首先要把電壓降下來，若無功仍然高于下限，則可以投入電容器。（1）電壓優(yōu)先：首先嘗試退電容器，看看電壓是否高于下限同時(shí)無功低于上限。如果電容器無法退，可以將分接頭下調(diào)，看看是否可以使電壓和無功都高于下限。（2）無功優(yōu)先：首先嘗試退電容器，如果可以使無功低于上限。否則將分接頭上調(diào)，看看是否可以使電壓低于上限。

3區(qū)：電壓在合格范圍內(nèi)，但無功超過下限，可以通過投電容器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4區(qū)：電壓和無功均超過下限，可以首先通過投電容器進(jìn)行調(diào)節(jié)。（1）電壓優(yōu)先：首先嘗試把分接頭上調(diào)。如果不可調(diào)，可以投電容器，看看是否可以使電壓低于上限同時(shí)無功高于下限。（2）無功優(yōu)先：首先嘗試把分接頭上調(diào)。如果不可調(diào)，嘗試退電容器，看看是否可以使無功低于上限同時(shí)電壓高于下限。

5區(qū)：電壓高于下限，可以通過升壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

6區(qū)：電壓高于下限，無功高于上限，首先需要使電壓升高。（1）電壓優(yōu)先：嘗試投電容器，如果可以使無功高于下限同時(shí)電壓低于上限。如果投電容器不可行，嘗試將分接頭上調(diào)，看看是否可以使無功和電壓均低于上限。（2）無功優(yōu)先：首先嘗試投電容器，如果可以使無功高于下限同時(shí)電壓低于上限。如果此法不行，可以把分接頭向下調(diào)節(jié)，看看是否可以使電壓高于閉鎖上限同時(shí)無功高于上限。

7區(qū)：電壓在合格范圍內(nèi)，無功高于上限，需要通過切電容器來調(diào)節(jié)。

8區(qū)：電壓和無功均高于上限，可以首先嘗試切電容器，如果電壓還是高于上限則通過降壓來調(diào)節(jié)。

4、無功控制與調(diào)節(jié)效果分析

4.1通過無功補(bǔ)償控制裝置的使用，電力系統(tǒng)設(shè)備的使用年限可以延長，電壓的質(zhì)量也可以有所提高。

電壓損失 U簡化計(jì)算如下：

U=（PR+QX）/U （式1）

式中：U表示線路額定電壓，單位是kV；P表示輸送的有功功率，單位是kM；Q表示輸送的無功功率，單位是kVar；R表示線路電阻，單位是Ω；X表示線路電抗，單位為Ω。

補(bǔ)償裝置容量Qc安裝之后，線路電壓降為U1，計(jì)算如下：

ΔU1=[PR+（Q-Qc）X]/U （式2）

很顯然，ΔU1<ΔU，換言之就是安裝補(bǔ)償電容之后，減少了電壓的損失，提高了設(shè)備運(yùn)行時(shí)的安全性。根據(jù)式子（1）和（2）可以得到安裝補(bǔ)償電容后，電壓升高的計(jì)算方法為：

ΔU-ΔU1=QcX/U（式 3）

從該式子可以看出，越是接近線路末端，安裝無功補(bǔ)償裝置的效果就越好。因?yàn)榭拷€路末尾的電抗較大。

4.2無功補(bǔ)償可降低電能損耗

無功補(bǔ)償裝置的作用主要是可以降低電損，節(jié)約能源。線路的有功損耗的降低原理如下：輸送的有功P是一個(gè)固定值，安裝無功補(bǔ)償裝置后，功率因數(shù)有所提高，從原來的cosφ上升到cosφ1。由于P=IR，所以線路的有功損耗和電流的平方成正比。又因?yàn)镻=UIcosφ，電流與cos 成反比。所以，當(dāng)功率因數(shù)由cosφ提高到cosφ1時(shí)，電流也有所下降，線路的有功損失也隨之減少[4]。

5、無功補(bǔ)償控制裝置的不足及改進(jìn)方案

5.1不足

VQC裝置受到較多電力系統(tǒng)工作人員的青睞，主要是由于它作為一種無功補(bǔ)償設(shè)備，可以根據(jù)電壓和無功的區(qū)域進(jìn)行自動調(diào)解，加之成本適中并易于維護(hù)。但是由于受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，傳統(tǒng)的VQC也存在一些不足。

傳統(tǒng)的VQC不能實(shí)現(xiàn)精細(xì)化補(bǔ)償。因?yàn)榭紤]到成本，VQC裝置一般不會多于5級，大多設(shè)置在2-4級。這就導(dǎo)致電容器的級差較大，在投切電容器組的時(shí)候電力系統(tǒng)會受到較大的沖擊。

傳統(tǒng)的VQC裝置容易發(fā)生故障。因?yàn)閼敉庑偷牡脑O(shè)計(jì)是參照箱變結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，戶內(nèi)型設(shè)計(jì)是參照開關(guān)柜進(jìn)行的。設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到無功補(bǔ)償產(chǎn)品的特殊要求，將電容器和電抗器安裝在封閉的空間里，由于它們會產(chǎn)生大量的熱，使空間溫度升高，影響電容器和電抗器的壽命，使主要元件的使用年限降低，因此故障率較高。

5.2改進(jìn)方案

為了彌補(bǔ)VQC裝置的不足，可以把VQC和SVC（靜態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)）結(jié)合，形成新的組合方案，如此一來可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）使用可控硅控制電抗，可以連續(xù)地調(diào)節(jié)容量，不像傳統(tǒng)的VQC裝置那樣，投切電容器時(shí)會帶來階梯式無功補(bǔ)償。這種組合方案可以真正實(shí)現(xiàn)就地平衡，減損節(jié)能，使系統(tǒng)的傳輸能力得到較大的提高。

（2）變電站中由于無功變化，會引起電容頻繁投切，為避免這一問題，把電容器作為主要的無功元件，同時(shí)把電抗器作為調(diào)節(jié)元件，可以使投切開關(guān)和電容的使用年限有所延長。

（3）通過雙向的無功補(bǔ)償，使變電站可以調(diào)度的范圍得到了擴(kuò)大，可以更優(yōu)地調(diào)節(jié)無功，保證了電力系統(tǒng)無功控制的質(zhì)量。

（4）無功調(diào)節(jié)的容量得以擴(kuò)大，分接頭的切換次數(shù)可以大大減少，達(dá)到了較好的電壓調(diào)節(jié)效果。

6、小結(jié)

目前社會經(jīng)濟(jì)正在快速地發(fā)展和進(jìn)步，社會對用電量以及電能質(zhì)量都有了更高的要求，電壓是保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要指標(biāo)，電壓的質(zhì)量關(guān)系著電網(wǎng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行，因此，電力部門必須把電壓調(diào)節(jié)和無功補(bǔ)償控制作為電力工作的重要部分。

參考文獻(xiàn)

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[3]李中秋.變電站無功補(bǔ)償控制策略研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2008，12：95-97.

[4]陳淼.關(guān)于變電站無功補(bǔ)償控制與電壓調(diào)節(jié)的分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，20：126.

作者簡介

程愛莉（1973，1-），女，漢族，籍貫：河南焦作，學(xué)歷：大專，職稱：工程師。工作單位：國網(wǎng)焦作供電公司。研究方向：電氣工程.