高壓電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x原則及配置方案優(yōu)化分析

＊郭亞瓊

（山西省藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司 山西 048200）

引言

在高壓電網(wǎng)中，無(wú)功補(bǔ)償可以大大優(yōu)化電網(wǎng)的功率因數(shù)。與此同時(shí)，在電能變壓以及相應(yīng)的傳輸時(shí)，將有效降低電力損耗，進(jìn)而優(yōu)化電網(wǎng)質(zhì)量。由此可以看出，無(wú)功補(bǔ)償裝置在高壓供電過(guò)程中發(fā)揮著不可估量的作用。筆者以?xún)?yōu)化無(wú)功補(bǔ)償思路提出與之匹配的無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化方案。

高壓電網(wǎng)輸出功率包括如下兩種：第一，有功功率；第二，無(wú)功功率，前者將電量傳輸給用電設(shè)備，電能主要轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能以及熱能，因此是直接做功功率，從而將其成為有功功率。而后者在將電能消耗在容性以及感性元件的電磁轉(zhuǎn)化方面，因此將其稱(chēng)為無(wú)功補(bǔ)償功率。

無(wú)功補(bǔ)償也稱(chēng)作無(wú)功功率，提高了無(wú)功補(bǔ)償就可以?xún)?yōu)化高壓電網(wǎng)的功率因數(shù)，與此同時(shí)可以有效降低傳輸過(guò)程中的電能損失，從而可以起到節(jié)約電能的作用。為了能夠最大限度的優(yōu)化電網(wǎng)質(zhì)量，必須選擇合適的無(wú)功補(bǔ)償裝置。假如所選擇的無(wú)功補(bǔ)償裝置不理想，那么在高壓供電系統(tǒng)中就會(huì)出現(xiàn)諧波現(xiàn)象。

1.高壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償研究現(xiàn)狀

(1)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾饬x

無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)主要將容性設(shè)備以及相應(yīng)的感性設(shè)備進(jìn)行連接，保證電能在兩種負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)化，這樣能夠避免因非線性負(fù)載增加，從而引發(fā)電流在輸電線中來(lái)回被利用。由于在高壓電網(wǎng)輸送電能的過(guò)程中，有較長(zhǎng)線路的輸送過(guò)程，發(fā)電機(jī)組所能夠產(chǎn)生的無(wú)功功率并不能滿足電路末端感性負(fù)載的需要，那么往往需要在無(wú)功補(bǔ)償位置設(shè)置匹配的無(wú)功補(bǔ)償裝置。因此可以有效降低設(shè)備的能耗，起到節(jié)能的效果[1]。

(2)無(wú)功補(bǔ)償配置應(yīng)遵循的原則

高壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償有兩種形式：

第一，集中補(bǔ)償；

第二，分散補(bǔ)償。

因此在選擇補(bǔ)償方案的過(guò)程中必須充分集合集中補(bǔ)償以及分散補(bǔ)償，這樣可以以高低壓電網(wǎng)互補(bǔ)的形式，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓以及降低能耗的目的。

無(wú)功分層分區(qū)平衡原則。為了能夠更好地優(yōu)化電網(wǎng)質(zhì)量以及更好地降低能耗，必須充分結(jié)合電網(wǎng)負(fù)荷高低遵守?zé)o功分層以及分區(qū)的形式，還應(yīng)該充分考慮輸電設(shè)備的故障問(wèn)題，從而可以在設(shè)備故障情況下，做好無(wú)功預(yù)算值的優(yōu)化。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)無(wú)功供電能力不足的問(wèn)題。

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備配置原則。為了能夠更好地對(duì)補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行檢修，可以將無(wú)功功率設(shè)備集中設(shè)置。而相應(yīng)的并聯(lián)電容器組可以進(jìn)行合理的分配，為了能夠更好地維護(hù)補(bǔ)償設(shè)備，電容器組也應(yīng)該相對(duì)集中設(shè)置。

變電站無(wú)功補(bǔ)償原則。在對(duì)變電站實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，必須充分結(jié)合電網(wǎng)電壓以及相應(yīng)的網(wǎng)架強(qiáng)度。對(duì)于35～110kV之間的高壓電而言，往往輸電電路的負(fù)荷比自然狀態(tài)下的功率要大，由此可以看出必須把容性設(shè)備進(jìn)行分散設(shè)置。對(duì)于220kV的電網(wǎng)而言，假如設(shè)置的網(wǎng)架強(qiáng)度不夠，那么將呈現(xiàn)感性，這時(shí)容性無(wú)功功率補(bǔ)償裝置可以對(duì)主變的功率進(jìn)行補(bǔ)償。假如網(wǎng)架比較強(qiáng)，那么當(dāng)電網(wǎng)處于波峰狀態(tài)時(shí)，輸送的負(fù)荷相對(duì)較大，以及出現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)感性無(wú)功逐漸增加，為此需要提高設(shè)備的功率因數(shù)。而相應(yīng)的在電網(wǎng)系統(tǒng)中，有功高功率因數(shù)不斷增加，相應(yīng)的單位補(bǔ)償功率將會(huì)降低。

假如電網(wǎng)處于波谷狀態(tài)時(shí)，那么由于輸出負(fù)荷相對(duì)較小，而導(dǎo)致電網(wǎng)表現(xiàn)出容性，這時(shí)可以將主變兩端的電容器斷開(kāi)。對(duì)于電壓超過(guò)了330kV的電網(wǎng)而言，往往需要設(shè)置感性以及容性的設(shè)備。

(3)各類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)

同步調(diào)相機(jī)是能夠發(fā)出無(wú)功功率的同步電動(dòng)機(jī)，不帶負(fù)載。為了能夠有效提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，可以通過(guò)調(diào)整電流來(lái)改變無(wú)功功率。在早期，同步調(diào)相機(jī)得到廣泛的在用，可是其屬于同步電動(dòng)機(jī)，具有噪聲大、響應(yīng)性能較差、容量以及成本等問(wèn)題，所以同步調(diào)相機(jī)技術(shù)也逐漸失去了市場(chǎng)的青睞。

由于并聯(lián)電容器組具有成本低以及便于維護(hù)特點(diǎn)得到認(rèn)可，可是在使用的過(guò)程中，需要借助機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)控制電容器組的通斷，從而導(dǎo)致在合閘的過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)熱或者噪聲等缺點(diǎn)，導(dǎo)致電容器組不能更好地進(jìn)行切換，由此可以看出并聯(lián)電容器組僅僅能夠滿足負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定的電網(wǎng)。通常情況下并聯(lián)電網(wǎng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的過(guò)剩無(wú)功功率進(jìn)行吸收，這樣可以有效保證在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)超限的現(xiàn)象時(shí)，可以將其接入母線，因此可以更好地接入電力系統(tǒng)。

靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備（SVC）在實(shí)踐過(guò)程中，因其具有良好的性能，（SVC）不僅可以輸出容性電流，而且可以輸出感性電流。由于其調(diào)節(jié)速度相對(duì)較快，從而能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行快速的補(bǔ)償，尤其在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中表現(xiàn)效果較好。在使用的過(guò)程中性能穩(wěn)定，便于工作人員進(jìn)行維護(hù)[2]。

(4)無(wú)功補(bǔ)償不當(dāng)?shù)牟涣加绊懛治?/h3>

無(wú)功功率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)的功率因數(shù)顯著下降，降低電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，主要原因是：

首先是增加線路和變壓器的能量消耗，此外一旦功率因數(shù)下降較多，有功狀態(tài)下的能耗也顯著提升；

其次是增加供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓損失，造成電壓不足，難以滿足實(shí)際供電需求，有功狀態(tài)下的負(fù)荷需要達(dá)到既定值，必然造成無(wú)功功率大幅提升，整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓損失也隨之增加，供電效果顯著下降；

然后是電網(wǎng)系統(tǒng)配套的供電設(shè)備供電能力保持不變，無(wú)功功率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致有功功率顯著下降，供電設(shè)備的供電能力無(wú)法達(dá)到既定值。

根據(jù)上述結(jié)論不難發(fā)現(xiàn)，電感設(shè)備的無(wú)功功率和功率因數(shù)呈反比關(guān)系，過(guò)大的無(wú)功功率不僅會(huì)導(dǎo)致供電設(shè)備的供電能力下降、供電質(zhì)量難以滿足實(shí)際需求，還會(huì)增加電網(wǎng)的電能消耗。因此通過(guò)補(bǔ)償無(wú)功功率的方式，適當(dāng)提升功率因數(shù)，能夠提升電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，降低能量損耗。

2.高壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置方案的優(yōu)化思路

(1)無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化的重要意義

無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化規(guī)劃在算法方面比較復(fù)雜，建模形式也相對(duì)困難，因此在電網(wǎng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中不能更好地應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須依據(jù)無(wú)功配置原則進(jìn)行補(bǔ)償。以110kV變電站無(wú)功配置為基礎(chǔ)，容性無(wú)功補(bǔ)償必須依據(jù)主變?nèi)萘康?0%～30%，與此同時(shí)，以輸電線路出現(xiàn)情況進(jìn)行配置，滿足容量感性無(wú)功功率的需要。按照不同特性電網(wǎng)確定出其容性和感性無(wú)功配置的幾種差異化方案，進(jìn)一步深入改進(jìn)優(yōu)化無(wú)功配置原則，這對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大。

電網(wǎng)具有不同的特點(diǎn)，使得無(wú)功平衡需求存在一定的差異性，可是由于通用性相對(duì)較為復(fù)雜，因此不能更好地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，往往導(dǎo)致部分變電站存在過(guò)度補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象。對(duì)感性無(wú)功補(bǔ)償功率進(jìn)行量化，在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)償性配置問(wèn)題，嚴(yán)重的會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為了能夠更好地優(yōu)化無(wú)功電壓的調(diào)控能力，需要更好地量化無(wú)功配置原則。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員必須提出容性與感性無(wú)功配置的多種方案，更好地優(yōu)化務(wù)工配置原則，和提高電網(wǎng)的安全性以及經(jīng)濟(jì)意義。

(2)無(wú)功補(bǔ)償配置方案的優(yōu)化思路

為了能夠更好地優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償配置原則，需要注意如下幾點(diǎn)：第一，負(fù)荷特性；第二，無(wú)功電壓特性。并以此為原則對(duì)高壓電網(wǎng)進(jìn)行細(xì)分，通常細(xì)分類(lèi)型為5～6種。針對(duì)一類(lèi)配電網(wǎng)，需要選擇多種案例對(duì)其實(shí)施無(wú)功優(yōu)化分析，同時(shí)案例必須具有更鮮明的差異性，這樣可以為配置提供更好地?zé)o功優(yōu)化。工作人員必須高度重視量化指標(biāo)，從而可以更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，無(wú)功配置率的范圍應(yīng)該設(shè)定在相對(duì)較小的范圍內(nèi)，便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)配置進(jìn)行優(yōu)化。

(3)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化分析

由于無(wú)功補(bǔ)償?shù)拇嬖谀軌驅(qū)Ω邏弘娋W(wǎng)輸出以及輸入過(guò)程中的電壓與無(wú)功功率進(jìn)行分區(qū)與分層控制，這時(shí)通?？梢栽谧儔浩鞯蛪憾嗽O(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置，平衡無(wú)功功率，防止變壓器高壓端位置出現(xiàn)無(wú)功交換，最大限度的降低電網(wǎng)損失。

在無(wú)功功率補(bǔ)償裝置中，如果設(shè)置多組電容器，那么配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行就越穩(wěn)定?？墒羌偃绶纸M過(guò)多，也會(huì)導(dǎo)致需要設(shè)置更多的開(kāi)關(guān)設(shè)備，因此不利于經(jīng)濟(jì)性。反之分組過(guò)少，將導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷出現(xiàn)過(guò)大的波動(dòng)，往往設(shè)置一組開(kāi)關(guān)后，進(jìn)行補(bǔ)償，可是一旦開(kāi)關(guān)斷開(kāi)將會(huì)出現(xiàn)欠補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象。一般情況下，無(wú)功補(bǔ)償裝置單組容量設(shè)定為變壓器容量的10%。為了能夠均衡配置變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置，通?？梢詫⑿略黾拥难a(bǔ)償容器平分到主變壓器上。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)執(zhí)行該原則，可以更好地優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償功率，從而可以更好地滿足電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?/p>

3.無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化配置方案

無(wú)功配置率主要是指高壓電網(wǎng)配置的最優(yōu)補(bǔ)償容量以及相應(yīng)的變電站容量數(shù)值。可以作為變電站設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償配置容量的重要依據(jù)。通?？梢罁?jù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆植奸g隔，這樣可以得到相應(yīng)的容性與感性無(wú)功配置的方案。對(duì)于傳統(tǒng)的容性無(wú)功功率而言，在進(jìn)行配置時(shí)需要依據(jù)主變壓器容量的10%～30%進(jìn)行配置。與此同時(shí)傳統(tǒng)的原則僅僅可以得到一個(gè)不確定的容量，經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理后，無(wú)功配置率的范圍將會(huì)大大減少。

(1)容性無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化配置方案

假如某電網(wǎng)所承擔(dān)的負(fù)荷相對(duì)較小，為了能夠更好地保持電壓的水平，220kV變電站容性無(wú)功配置率通常設(shè)定在4%～5%的范圍內(nèi)。對(duì)于110kV變電站而言，其容性無(wú)功配置率應(yīng)該保持在10%～20%范圍內(nèi)。這樣可以大大降低容性補(bǔ)償設(shè)備的投資，降低企業(yè)成本。

(2)感性無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化配置方案

假如某電網(wǎng)所承擔(dān)的負(fù)荷相對(duì)較小，為了可以合理控制電壓以及能耗，對(duì)于220kV的變電站感性無(wú)功配置率，其范圍可以控制在16%～17%的范圍內(nèi)。對(duì)于110kV的變電站感性無(wú)功配置率，其范圍可以設(shè)定在10%～23%的范圍[3]。

4.常用的無(wú)功補(bǔ)償方式

（1）就地?zé)o功補(bǔ)償。將無(wú)功補(bǔ)償所需的電容器放置在用電設(shè)備周?chē)?，與電動(dòng)機(jī)的供電回路進(jìn)行并聯(lián)，該方式主要作用于低壓電網(wǎng)。電容器通過(guò)電壓傳感器進(jìn)行控制，電壓傳感器應(yīng)當(dāng)布置在電容器周?chē)?，通過(guò)晶閘管控制電容器的工作狀態(tài)。電機(jī)在工作過(guò)程中所需的無(wú)功均由電容器進(jìn)行就地供給，避免路徑過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致能量損失。此外該方式還能夠降低線路中電流的大小，電能的損耗和電流大小呈正比關(guān)系，進(jìn)一步降低了能量的損耗，經(jīng)濟(jì)成本得到了很好的控制。該方式的不足之處在于，用電設(shè)備的工作環(huán)境通常較為惡劣，粉塵含量較高，因此需要定期進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)，避免污染導(dǎo)致設(shè)備使用壽命下降。

（2）分散無(wú)功補(bǔ)償。使用多個(gè)高壓電容器安裝在供電線路的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)綜合作用提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，安放區(qū)域包括：電網(wǎng)的10kV/6kV配電線路的桿架上、公用配電變壓器的低壓側(cè)以及用戶(hù)各車(chē)問(wèn)的配電母線上，降低電能損耗，提升供電質(zhì)量。

（3）集中無(wú)功補(bǔ)償。通過(guò)變電站以及高壓供電電力用戶(hù)降壓變電站母線上安裝高壓電容器組進(jìn)行補(bǔ)償。該方式的優(yōu)勢(shì)在于裝置整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、維護(hù)修理較為方便、能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)控制以及降低專(zhuān)用線路的電能損耗。該方式的不足之處在于安裝位置導(dǎo)致用戶(hù)內(nèi)部的電能損耗難以得到控制。

上述補(bǔ)償方式各有優(yōu)勢(shì)，選取何種方式需要根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行判定。對(duì)于工作載荷較大且工作循環(huán)較為頻繁的線路，通常使用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞?，提升電能消耗的控制效果。工作載荷較小的電路采用靜態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞?，?dòng)態(tài)補(bǔ)償效果提升較小且設(shè)置較為復(fù)雜因此不予考慮。通常情況下電焊工作時(shí)常超過(guò)5s且電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程也超過(guò)5s，動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)間為幾十毫秒并且響應(yīng)結(jié)束后補(bǔ)償較為穩(wěn)定，因此動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞侥軌驖M足實(shí)際工作需求。

通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?，能夠提升用電設(shè)備的功率因數(shù)以及降低電壓損耗，對(duì)于能耗的控制有著重要意義。通過(guò)對(duì)變壓器二次側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償降低變壓器二次側(cè)的電壓損失。通常情況下根據(jù)線路和載荷的不同，工廠的電力損耗范圍在2%～3%之間，通過(guò)增加電容的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償提升功率因數(shù)后，線路電流顯著下降，電路中的電能損耗顯著降低。電路中的電流減小使得變壓器、開(kāi)關(guān)等設(shè)備工作過(guò)程中的載荷下降，設(shè)備的使用壽命有所提升。

無(wú)功補(bǔ)償能夠提升設(shè)備的供電質(zhì)量、降低線路的電能損耗、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命以及節(jié)約用戶(hù)的經(jīng)濟(jì)成本，操作較為簡(jiǎn)單，使用效果較好。

5.結(jié)束語(yǔ)

為了能夠更好的優(yōu)化高壓電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題，以高壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償配置方案為研究方向，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行優(yōu)化，與此同時(shí)結(jié)合電網(wǎng)處于容性與感性情況下的不同無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化配置方案。依據(jù)本文的優(yōu)化方案可以大大優(yōu)化電網(wǎng)的質(zhì)量以及降低能耗。