配電網(wǎng)中無功補償節(jié)能技術(shù)研究

張文超（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

隨著國家工業(yè)的迅速發(fā)展以及電力需求種類的增多，在電力系統(tǒng)中，存在著有功功率和無功功率，伴隨著電動機等無功電氣設(shè)備的增多，電網(wǎng)中的無功功率也在逐漸增大，結(jié)合配電網(wǎng)覆蓋范圍更廣、負荷增長更快、電壓等級更高、負荷特性更復(fù)雜等特點，找到滿足配電網(wǎng)中節(jié)能降耗的技術(shù)尤為重要。國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者提出了多種補償技術(shù)并對其進行了驗證。高三策[1]建立了靜止無功發(fā)生器的模型，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對其進行控制，根據(jù)模型進行了模擬仿真分析，仿真結(jié)果證明了該裝置的有效性；蘇克[2]提出了動態(tài)分相無功補償方法，利用實驗平臺和仿真軟件對改方法進行了研究，結(jié)果表明該方法應(yīng)用在無功補償裝置的可靠性，降低了配電變壓器損耗；陳冰斌，趙健[3]建立了配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化的模型，提出了形狀系數(shù)的電量損耗折算法和等值電阻法對其進行優(yōu)化，驗證了該方法的合理性；殷培峰，馬莉[4]研究了在智能電網(wǎng)無功動態(tài)補償技術(shù)中晶閘管的應(yīng)用，降低了電磁干擾，提高了無功補償器的補償能力。將無功補償裝置合理的安裝在合適的位置同時設(shè)計合理的容量，這樣可以降低線路損耗同時也可以提高功率因數(shù)，在實際應(yīng)用中，常常以分散無功補償為主，需要根據(jù)具體的實際情況設(shè)計無功補償裝置來滿足不同地區(qū)的要求[5]。因此，研究配電網(wǎng)中無功補償技術(shù)對節(jié)約電能、降低損耗等具有重要的意義。

1 配電網(wǎng)無功補償技術(shù)

隨著配電網(wǎng)中無功補償技術(shù)逐漸被重視，各種無功補償裝置在實際應(yīng)用中多了起來[6]。在電網(wǎng)實際運行中，感性負載居多，在運行過程中需要消耗無功功率，因此在線路中增加一些無功電源，用無功電源給感性負載提供無功功率，可以降低線路損耗；同時也可以設(shè)置容性負荷，讓感性負荷和容性負荷在一條電路上，使兩種負荷隨意切換能夠滿足電力要求[7]。采用無功補償技術(shù)可以大范圍內(nèi)優(yōu)化電網(wǎng)電壓，降低無功功率的流動性，節(jié)約了電網(wǎng)運行的能量消耗，同時提高了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，同時它也是保證電網(wǎng)高質(zhì)量運行的重要手段，無功補償技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。

其中，變電站集中補償一般對變壓器進行電壓調(diào)節(jié)和無功補償，采用補償裝置來達到輸電網(wǎng)絡(luò)間的無功功率的平衡，其優(yōu)點是操作簡單且維護和管理方面更加容易；低壓集中補償通常是在低壓配電變壓器側(cè)并聯(lián)電容器柜來進行無功補償，可以通過智能技術(shù)來控制并聯(lián)電容器柜實現(xiàn)電容器的自動補償，進而滿足用戶負載大小，優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)自動補償無功功率，提高了用戶需要的功率，保障了電壓水平穩(wěn)定，缺點是可能會導(dǎo)致線路電壓的波動進而使得電力系統(tǒng)線路電壓不穩(wěn)定，同時會產(chǎn)生無功功率補償不足或者無功電容補償過多的問題；用戶終端分散補償優(yōu)點是能夠降低小路損耗，改善線路電壓質(zhì)量，其缺點是在安裝無功補償裝置時需要確定部分變壓器功率，且在變壓器低壓側(cè)進行負載波動時，限制電容器輕載運行而降低無功補償裝置的利用效率[8]。高壓配電線路無功補償由于其公共變壓器數(shù)量增多通常并聯(lián)電容器來改變功率因數(shù)，降低功率損耗，但是在補償過程中應(yīng)該減少補償點的數(shù)量，其控制方式應(yīng)該更加簡單而避免補償過量。而補償裝置也是多種多樣的大概有同步調(diào)相機、并聯(lián)電容器、靜止式無功補償裝置等等，目前采用較多的是靜止式無功補償裝置，其優(yōu)點是提高功率因數(shù)、節(jié)約電能、改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量、維護方便等等，能夠保證并實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定運行[9]。

配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化其核心是算法，其中有以簡化梯度法、牛頓法為代表的非線性規(guī)劃法，優(yōu)點是算法比較簡單，缺點是收斂性不好，計算時間比較長；線性規(guī)劃法泰勒公式將非線性規(guī)劃問題變?yōu)榫€性規(guī)劃問題；現(xiàn)代人工智能方法有遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集理論等等，隨著智能算法的發(fā)展逐漸替代了以前的無功補償優(yōu)化方法。分析無功補償優(yōu)化技術(shù)是個多約束的、多變量、非線性規(guī)劃等等特點，在對現(xiàn)有的配電網(wǎng)中的無功補償技術(shù)進行優(yōu)化時也需要考慮負荷預(yù)測等問題，但是隨著無功補償技術(shù)的發(fā)展，在對其進行優(yōu)化、智能化的過程中，同時也會存在一些諧波、電壓調(diào)節(jié)方式等等問題，所以在使用過程中要綜合考慮無功補償裝置的優(yōu)缺點，才能保證配電網(wǎng)中無功補償技術(shù)對節(jié)約電能、降低損耗的意義。

2 配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化模型

針對配電網(wǎng)中無功補償優(yōu)化模型，利用節(jié)點負荷電壓穩(wěn)定裕度確定最優(yōu)補償位置，利用遺傳算法來確定無功補償?shù)娜萘?。最后建?0 kV的配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化模型，對無功補償優(yōu)化前后的一些參數(shù)進行對比分析，結(jié)果表明配電網(wǎng)中無功補償技術(shù)可以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

對于無功補償優(yōu)化模型來說，其中潮流計算是基礎(chǔ)，其常用的方法是節(jié)點法、支路類法等等。節(jié)點法中的牛拉法的有點是快速收斂性，但是在大型復(fù)雜配網(wǎng)中，因迭代過程中計算時間長、效率低。支路法的典型是前推回代法，其方法不需要進行矩陣的運算而大大提高了效率，潮流計算的方法采用前推回代法，前推回代法潮流計算步驟具體如下：設(shè)定計算所需的線路元件參數(shù)，對系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的各個部分進行分析，形成節(jié)點分層，初始化節(jié)點并進行負荷等參數(shù)賦值，利用回代算法進行各支路功率以及功率損耗的計算，利用前推算法前推迭代出各節(jié)點電壓及壓降[10]。對節(jié)點電壓差值進行二次計算，判斷是否滿足收斂條件，滿足則輸出，否則繼續(xù)迭代。

以10 kV的配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化模型為例，由于配電網(wǎng)中節(jié)點數(shù)目比較多，所以需要確定配電網(wǎng)的無功補償點，采用節(jié)點負荷電壓穩(wěn)定裕度作為判斷方法，根據(jù)基爾霍夫定律建立一個節(jié)點電壓方程，用L指標來表示，需要對線路進行潮流計算得到其變量和參數(shù)，把L指標和1進行比較，L=1.0時，代表節(jié)點電壓臨界穩(wěn)定；當L＞1.0時，代表節(jié)點電壓失穩(wěn)；L＜1.0時，代表節(jié)點電壓穩(wěn)定。因此確定每一個負荷節(jié)點電壓的穩(wěn)定裕度Mj，節(jié)點電壓的穩(wěn)定裕度越大，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的可能性越小，所以根據(jù)節(jié)點電壓的穩(wěn)定裕度數(shù)值的大小判斷電壓穩(wěn)定弱節(jié)點。當電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，根據(jù)電網(wǎng)要求設(shè)置電壓穩(wěn)定裕度的數(shù)值，當實際運行的負荷節(jié)點電壓低于設(shè)定值時，將這些節(jié)點認為是電壓穩(wěn)定弱節(jié)點的集合，對這些的弱節(jié)點視為是無功補償點。所以在配電網(wǎng)中利用節(jié)點負荷電壓穩(wěn)定裕度來判斷需要無功補償點，確定補償位置。利用遺傳算法來確定無功補償裝置的容量，把系統(tǒng)中經(jīng)濟效益最好放到首位，采用凈現(xiàn)值法作為經(jīng)濟評價標準。

在建立無功補償優(yōu)化模型的工程中，采用罰函數(shù)作為狀態(tài)變量的約束條件建立目標函數(shù)，將配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)和遺傳算法參數(shù)輸入計算機軟件，利用前推回代法進行潮流計算，得到負荷節(jié)點電壓穩(wěn)定裕度，確定無功補償裝置的安裝點，進行編碼，生出初始種群，修正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，再次進行潮流計算，計算個體適應(yīng)度，選擇、交叉、變異操作，潮流計算，評價個體，判斷是否滿足進化，最后建立配電網(wǎng)無功補償優(yōu)化模型，算法流程見圖1。

圖1 算法流程Fig.1 Algorithm flow chart

10 kV配電線路拓撲結(jié)構(gòu)見圖2，將無功補償優(yōu)化模型應(yīng)用到實際中對線路進行分析和優(yōu)化。根據(jù)10 kV的配電網(wǎng)中的潮流數(shù)據(jù)和較大負荷情況下線路的潮流分布，電能損耗和負荷成正比例，負荷大，損耗也就大；在負荷較大或較小時，功率因數(shù)不好，具有提高的余地；另外，從饋線初始到節(jié)點7消耗了大部分的能量，其中一部分原因是線路較長，損耗較大。與此同時，在配電網(wǎng)中變壓器的損耗也很大，由于變壓器的型號、容量都不相同，而且配電線路中負載率低、負荷波動大使其無法經(jīng)濟運行，增大配電網(wǎng)的損耗。

圖2 線路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the urban line

在不考慮線路好變壓器損耗的條件下，利用潮流計算結(jié)果，找到負荷節(jié)點電壓穩(wěn)定裕度，評估各個負荷節(jié)點的電壓穩(wěn)定裕度，評估各個負荷節(jié)點的電壓穩(wěn)定裕度后，設(shè)置其值0.6，負荷節(jié)點的電壓穩(wěn)定裕度小于這個值的節(jié)點選為無功補償點，選出的無功補償?shù)墓?jié)點包括：34、55、57、62、65、70、72。為了方便實際操作和靈活動態(tài)補償選擇在配電網(wǎng)中低壓側(cè)進行動態(tài)補償。確定補償點后根據(jù)遺傳算法確定補償容量，進行無功補償優(yōu)化計算，遺傳算法經(jīng)過多次迭代后找到最大凈現(xiàn)值點，負荷節(jié)點的無功補償容量見表1。

表1 無功補償容量Tab.1 Reactive compensation capacity

確定了補償裝置的位置和補償容量之后，利用遺傳算法對無功補償技術(shù)進行優(yōu)化，將經(jīng)過優(yōu)化之后的補償裝置應(yīng)用到實際之中，無功補償優(yōu)化前后整體參數(shù)對比見表2，經(jīng)過分析可知，在無功補償優(yōu)化之后，配電網(wǎng)中有用功和無用功的損耗都有所降低，同時線路總有功損耗也降低了，功率因數(shù)得到了明顯的提高，無功補償優(yōu)化后的配電網(wǎng)整體數(shù)據(jù)都有轉(zhuǎn)好的趨勢。

表2 無功補償優(yōu)化前后整體參數(shù)對比Tab.2 Comparison of overall parameters before and after optimization of reactive compensation

3 結(jié)論

對于配電網(wǎng)來說，最有效節(jié)能降損的方法就是無功補償技術(shù)。通過對配電線路低壓側(cè)進行無功補償?shù)难芯浚鶕?jù)潮流計算結(jié)果，設(shè)置負荷節(jié)點的電壓穩(wěn)定裕度，找到需要進行無功補償?shù)墓?jié)點，采用遺傳算法將經(jīng)濟效益最好是目標函數(shù)，綜合考慮各方面因素，對無功補償技術(shù)進行優(yōu)化，確定需要補償節(jié)點的補償容量。最后以某城區(qū)10 kV配電網(wǎng)為例，根據(jù)優(yōu)化模型在配電網(wǎng)中設(shè)置無功補償裝置，從數(shù)據(jù)中分析可知，使用無功補償優(yōu)化模型后，提高了功率因數(shù)、降低了能量損耗，響應(yīng)了國家節(jié)能減排的號召，為我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展做出了一點貢獻。但是，目前的無功補償裝置還不夠完善，很多需要改進的地方，需要嘗試更多的智能算法，需要考慮更多實際生活中的因素，要為此做好備用方案。