無功補(bǔ)償裝置在提升功率因數(shù)和解決三相負(fù)荷不平衡方面的應(yīng)用研究

汪 麗，魏振宇，汪澤重，王 宇，張 琪

（1.國網(wǎng)隨州供電公司，湖北 隨州 441300；2.湖北理工學(xué)院，湖北 黃石 435000；3.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443000；4.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，因電感和電容元件的存在，有功功率和無功功率在電網(wǎng)中共存［1-5］。雖然無功本身不消耗能量，其能量僅在電源和負(fù)載之間傳輸和交換，但在能量交換過程中會(huì)造成電能的損失。

電網(wǎng)視在功率的增加，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生以下負(fù)面影響：1）電網(wǎng)的總電流增加。在傳輸相同功率的情況下，總電流增加將導(dǎo)致線損、線路和變壓器電壓損失的增加［6-7］。2）電網(wǎng)的無功容量不足會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷端供電電壓低；反之，無功容量過剩會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的運(yùn)行電壓過高、電壓波動(dòng)率過大，對(duì)正常生產(chǎn)和生活用電產(chǎn)生負(fù)面影響［8-10］。3）降低電網(wǎng)的功率因數(shù)會(huì)導(dǎo)致大量的功率損耗。當(dāng)功率因數(shù)從0.8 降低到0.6 時(shí)，功率損耗值將成倍增加［11-14］。

文獻(xiàn)［5］探討了配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方式，分析其主要原理，進(jìn)行了補(bǔ)償方式的對(duì)比。文獻(xiàn)［21］摸清配電線路首端至末端設(shè)備的整體損耗，進(jìn)一步掌握配電電網(wǎng)線路損耗情況，對(duì)就地補(bǔ)償和集中補(bǔ)償?shù)倪m宜范圍和模式進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，為配電網(wǎng)分批、分布實(shí)施優(yōu)化補(bǔ)償提供依據(jù)。文獻(xiàn)［22］從三相不平衡及無功補(bǔ)償原理入手，采用相間、分相以及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)幕旌涎a(bǔ)償策略，并結(jié)合混合差分進(jìn)化法對(duì)補(bǔ)償量進(jìn)行尋優(yōu)處理，有效降低配電系統(tǒng)的三相不平衡度。

近年來，隨州配電網(wǎng)發(fā)展迅速，隨著負(fù)荷水平不斷提升，配網(wǎng)運(yùn)行存在各方面的問題，截止目前，共有公變10 281臺(tái)，容量共計(jì)183.22萬kVA，三相電壓不平衡度大于60%的臺(tái)區(qū)有936臺(tái)，出口低電壓臺(tái)區(qū)131臺(tái)，末端低電壓臺(tái)區(qū)1 627臺(tái)，迎峰度夏期間無功功率因數(shù)低于0.9臺(tái)區(qū)41個(gè)，功率因數(shù)低于0.6臺(tái)區(qū)34個(gè)。

1 基本原理

1.1 常見無功補(bǔ)償裝置

常見的無功補(bǔ)償裝置如圖1 所示，包括電容補(bǔ)償器、靜止調(diào)相機(jī)、飽和電抗器、靜止無功補(bǔ)償器SVC 及靜止無功發(fā)生器STATCOM等。

圖1 常見無功補(bǔ)償裝置Fig.1 Common reactive power compensation devices

隨著電力電子技術(shù)，特別是大功率可關(guān)斷器件技術(shù)的發(fā)展和日益完善，國內(nèi)外還在研制、開發(fā)一種更為先進(jìn)的靜止無功補(bǔ)償裝置靜止無功功率發(fā)生裝置（SVG），憑借其優(yōu)越的性能特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將越來越廣泛［141］。

1.2 無功功率的影響

無功功率不僅影響配電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，而且還導(dǎo)致配電系統(tǒng)供電線損的增加，在配電網(wǎng)中線路的年電能損耗如式（1）所示。

式（1）中，ΔPmax表示一年內(nèi)線路輸送最大負(fù)荷時(shí)的有功功率（kW）；Imax表示線路中通過的最大負(fù)荷電流（A）；τ表示最大負(fù)荷損耗時(shí)間（h），其值由年負(fù)荷曲線決定。

若功率因數(shù)發(fā)生變化，則線路中功率損失變化率為

若功率因數(shù)由0.7 提升至0.9，線路損耗將降低39.5%［16］。

電網(wǎng)在進(jìn)行功率傳輸時(shí)，電流將在線路的阻抗上產(chǎn)生電壓損失ΔU，若起始電壓為U1，端電壓為U2，則電壓損失計(jì)算公式為

式（3）中，P為線路傳輸?shù)挠泄β剩╧W）；Q為線路傳輸?shù)臒o功功率（kvar）；UN為線路額定電壓（kV）；R、X為線路電阻、電抗（Ω）。

若有功功率保持恒定，R和X不變，無功功率Q越小，則電壓損失越小，電壓質(zhì)量越高。當(dāng)線路安裝具有QC容量的并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置時(shí)，線路的電壓損失變?yōu)椋?/p>

由式（4）可知，無功補(bǔ)償后，線路傳輸?shù)臒o功功率變小，降低了線路電壓損耗，提高了配電網(wǎng)電壓質(zhì)量［17］。

2 無功補(bǔ)償策略

針對(duì)配電臺(tái)區(qū)普遍存在無功不足和三相不平衡的問題，目前配網(wǎng)臺(tái)區(qū)解決無功補(bǔ)償問題采用的是分相補(bǔ)償電容和共補(bǔ)電容的補(bǔ)償策略，然而該策略對(duì)配網(wǎng)三相不平衡治理能力有限，基本不能治理三相不平衡問題［18-20］。為了達(dá)到無功功率和三相不平衡兼顧治理的目的，并且考慮設(shè)備損耗等方面，補(bǔ)償后系統(tǒng)不平衡度最小為優(yōu)化目標(biāo)，提出了智能低壓電容器進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償策略［23］。

2.1 無功補(bǔ)償規(guī)劃目標(biāo)

常見的不平衡度衡量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了變壓器的三相負(fù)荷應(yīng)力求平衡，不平衡度不應(yīng)大于15%，只帶少量單相負(fù)荷的三相變壓器，中性線電流不應(yīng)超過額定電流的25%。LaLbLc

圖2 三相四線制系統(tǒng)補(bǔ)償模型Fig.2 Compensation model of three-phase four wire system

治理三相不平衡的電容容量配置是一個(gè)整體優(yōu)化的過程，優(yōu)化后應(yīng)在不出現(xiàn)過補(bǔ)的情況下到達(dá)最佳的不平衡治理目標(biāo)，同時(shí)兼顧提高系統(tǒng)功率因數(shù)。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)要實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償后系統(tǒng)三相不平衡度最小，且滿足不平衡度小于15%。但系統(tǒng)功率因數(shù)較高且不平衡度較大的區(qū)域治理后的不平衡度將仍然大于15%的標(biāo)準(zhǔn)，尤其在純阻性負(fù)載情況下，電容器將不允許投入補(bǔ)償，此時(shí)電容器補(bǔ)償將達(dá)不到治理三相不平衡的要求。所以通過相間和分相電容調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率和三相不平衡具有一定的局限性。

由分析得出通過電容器兼顧無功功率和三相不平衡治理的適用范圍包括以下四種情況：1）不平衡度ε≤15%，功率因數(shù)cosΦ≤0.9；2）不平衡度ε≤45%，功率因數(shù)cosΦ≤0.8；3）不平衡度ε≤53%，功率因數(shù)cosΦ≤0.7；4）不平衡度ε≤63%，功率因數(shù)cosΦ≤0.6。

2.2 電容調(diào)節(jié)容量計(jì)算

以負(fù)載率為30%～70%，不平衡度為0～50%，功率因數(shù)0.7～0.9范圍內(nèi)配電臺(tái)區(qū)變壓器為分析模型，并計(jì)算出電容治理無功功率和三相不平衡時(shí)容量配置大小，通過分析補(bǔ)償電容器容量分圖，可得出兼顧無功功率和三相不平衡治理所需要的電容器配置容量如下：1）相間容量為（0.100～0.150 p.u.）×3（以變壓器容量為基準(zhǔn)）；2）分相容量為（0.0625～0.10 p.u.）×3（以變壓器容量為基準(zhǔn)）；3）每組電容容量變化梯度：（1～2）×3 kvar。

國家電網(wǎng)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了10 kV及以下電壓等級(jí)的無功補(bǔ)償原則，配電變壓器無功補(bǔ)償裝置容量可按變壓器最大負(fù)載率為75%～85%，負(fù)荷功率因數(shù)為0.75～0.85考慮，補(bǔ)償?shù)阶儔浩鞲邏簜?cè)功率因數(shù)不低于0.95，或按照變壓器容量的20%～40%進(jìn)行配置，容性無功補(bǔ)償容量應(yīng)按照主變壓器實(shí)際參數(shù)，結(jié)合線路及負(fù)荷側(cè)無功缺額預(yù)測(cè)綜合考慮。補(bǔ)償容量計(jì)算如式（5）所示

式（6）中，cosΦ1為補(bǔ)償前功率因數(shù)，cosΦ2為補(bǔ)償以后需要達(dá)到的功率因數(shù)。

3 實(shí)例分析

3.1 隨縣龐家?guī)r3號(hào)臺(tái)區(qū)

隨縣環(huán)潭龐家?guī)r3 號(hào)臺(tái)區(qū)電壓380 V、容量100 kVA，地處隨縣環(huán)潭鎮(zhèn)龐家?guī)r村，以農(nóng)村居民負(fù)荷為主，治理前，三相電流不平衡率8.53%，功率因數(shù)為0.837，不平衡度ε≤15%，功率因數(shù)cosΦ≤0.9，滿足通過電容器兼顧無功功率和三相不平衡治理的適用范圍。該臺(tái)區(qū)負(fù)載率為59.2%，治理前存在嚴(yán)重的不平衡，不平衡度最高可達(dá)到80%以上。

隨縣環(huán)潭龐家?guī)r3 號(hào)臺(tái)區(qū)2020 年10 月29 日安裝完成了一臺(tái)產(chǎn)品型號(hào)為HD-SPC-75 kVar 的無功電容補(bǔ)償裝置，其額定容量為75 kVar。投入設(shè)備補(bǔ)償后，三相電流不平衡度由8.53%下降至3.85%，而三相電壓不平衡度由1.50%下降至0.30%，系統(tǒng)三相電流及電壓得到較好的平衡，而整體三相不平衡度ε＜15%，滿足標(biāo)準(zhǔn)限值的要求，如圖3所示。無功功率改善效果顯著，功率因數(shù)由0.83提升至0.99，如圖4所示。

圖3 隨縣環(huán)潭龐家?guī)r3號(hào)臺(tái)區(qū)三相不平衡度對(duì)比圖Fig.3 Comparison of three-phase imbalance in pangjiayan No.3 platform area,Huantan,Suixian County

圖4 隨縣環(huán)潭龐家?guī)r3號(hào)臺(tái)區(qū)功率因數(shù)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of power factors in pangjiayan No.3 station area of Huantan,suixian County

3.2 廣水青龍2號(hào)臺(tái)區(qū)

廣水馬坪青龍2 號(hào)臺(tái)區(qū)電壓380 V、容量50 kVA，地處廣水市馬坪鎮(zhèn)東青村四組，以農(nóng)村居民負(fù)荷為主，治理前，三相電流不平衡率29.56%，功率因數(shù)為0.788，不平衡度ε≤45%，功率因數(shù)cosΦ≤0.8，滿足通過電容器兼顧無功功率和三相不平衡治理的適用范圍。該臺(tái)區(qū)負(fù)載率39.81%，治理前存在嚴(yán)重的不平衡，不平衡度最高可達(dá)到80%以上。

廣水馬坪青龍2 號(hào)臺(tái)區(qū)2020 年11 月27 日安裝完成了一臺(tái)產(chǎn)品型號(hào)為KN98M-30 的無功電容補(bǔ)償裝置，其額定容量為30 kVar，投入設(shè)備補(bǔ)償后，三相電流不平衡度由29.56%下降至17.63%，而三相電壓不平衡度由2.60%下降至0.46%，系統(tǒng)三相電流及電壓得到較好的平衡，三相不平衡度ε＜15%，滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求，如圖5 所示。無功功率改善效果顯著，功率因數(shù)由0.788上升至0.98，如圖6所示。

圖5 廣水馬坪青龍2號(hào)臺(tái)區(qū)三相不平衡度對(duì)比圖Fig.5 Comparison diagram of three-phase imbalance in Maping Qinglong No.2 platform area,Guangshui

圖6 廣水馬坪青龍2號(hào)臺(tái)區(qū)功率因數(shù)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of power factors in Maping Qinglong No.2 station area,Guangshui

4 結(jié)語

本文以補(bǔ)償后系統(tǒng)不平衡度最小為優(yōu)化目標(biāo)，提出了智能低壓電容器進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償策略，有效降低了配變?nèi)嗖黄胶舛?、提升了低壓臺(tái)區(qū)功率因數(shù)水平，降低了電網(wǎng)線路損耗。本文以湖北隨州電網(wǎng)為實(shí)例，對(duì)兩個(gè)低壓臺(tái)區(qū)進(jìn)行了智能低壓電容器動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，補(bǔ)償后效果如下：龐家?guī)r3號(hào)臺(tái)區(qū)在智能低壓電容器動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置投產(chǎn)后，三相電壓不平衡度由1.5%下降至0.3%，三相電流不平衡率由8.53%下降至3.85%，功率因數(shù)由改造前0.83 上升至0.99；青龍2號(hào)臺(tái)區(qū)在智能低壓電容器動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置投產(chǎn)后，三相電壓不平衡率由2.6%下降至0.46%，三相電流不平衡率由29.56%下降至17.63%，功率因數(shù)由改造前0.788 提升至0.98。湖北隨州兩個(gè)低壓臺(tái)區(qū)通過實(shí)施智能低壓電容器動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，三相不平衡度有了明顯的降低，功率因數(shù)得到顯著提升，驗(yàn)證了智能低壓電容器動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償策略的正確性、有效性，建議下一步針對(duì)功率因數(shù)較低、不平衡度較高的臺(tái)區(qū)推廣應(yīng)用。