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北极星电力网技术频道 作者:刘建强1， 陈刚2 2009/5/14 17:03:36
摘 要： 配电网合理的无功补偿方式，能够有效地维持系统的电压水平，降低有功网损，提高网络输送容量，减少发电费用。本文对配电系统4种无功补偿方案进行了技术比较，并对配电网进行无功补偿时遇到的一些问题提出一些建议。根据配电网的实际，将4种无功补偿方案结合起来使用，可以获得最好的技术和经济效益。
关键词：配电网；无功补偿；优化
1概述
随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于负荷的不断增加，以及电源的大幅增加，不但改变了电力系统的网络结构，也改变了系统的电源分布，造成系统的无功分布不尽合理，甚至可能造成局部地区无功严重不足、电压水平普遍较低的情况。随着系统结构日趋复杂，当系统受到较大干扰时，就可能在电压稳定薄弱环节导致电压崩溃。
电力系统无功潮流分布是否合理，不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣，而且还直接影响电网自身运行的安全性和经济性。这在与用户直接相关的配电网中显得同样的重要。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日增加，此外，网络的功率因数和电压的降低将使电气设备得不到充分利用，降低了网络传输能力，并引起损耗增加。因此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安全性和降损节能有着重要的意义。
合理的无功补偿点的选择以及补偿容量的确定，能够有效地维持系统的电压水平，提高系统的电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用。而且由于我国配电网长期以来无功缺乏，尤其造成的网损相当大，因此无功功率补偿是降损措施中投资少回报高的方案。一般配电网无功补偿方式有：变电站集中补偿方式、低压集中补偿方式、杆上无功补偿方式和用户终端分散补偿方式。
2配电系统无功补偿方案
2.1变电站集中补偿方式
针对输电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿（如图1的方式1），补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是改善输电网的功率因数、提高终端变电所的电压和补偿主变的无功损耗。这些补偿装置一般连接在变电站的10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，但是这种方案对配电网的降损起不到什么作用。
为了实现变电站的电压控制，通常无功补偿装置（一般是并联电容器组）结合有载调压抽头来调节。通过两者的协调来进行电压/无功控制在国内已经积累了丰富的经验，九区图便是一种变电站电压/无功控制的有效方法。然而操作上还是较为麻烦的，因为由于限值需要随不同运行方式进行相应的调整；在某些区上会产生振荡现象；而且由于实际操作中抽头调节和电容器组投切次数是有限的，但九区图没有相应的判断。而现行九区图的调节效果也不是数学上证明的最好效果，因此九区图的应用还有待进一步改善。
文献［1］利用模糊数学的概念建立了数学模型，得出了模糊边界的无功调节判据，它的特点是将九区图中固定的无功上下限边界改变成受电压影响的模糊边界，其边界的斜率可根据具体的投切边界条件进行调整。所设计的一种新型的变电站电压无功微机综合控制装置，在保证电压合格和无功最佳补偿效果的情况下，有载变压器分接头的调节次数比同类装置或人工调节约减少1/3，提高了变电站电压合格率，线损降低20%左右。
2.2低压集中补偿方式
目前国内较普遍采用的另外一种无功补偿方式是在配电变压器380V侧进行集中补偿（如图1的方式2），通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百千乏不等，根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高专用变用户的功率因数，实现无功的就地平衡，对配电网和配电变的降损有一定作用，也有助于保证该用户的电压水平。这种补偿方式的投资及维护均由专用变用户承担。目前国内各厂家生产的自动补偿装置通常是根据功率因数来进行电容器的自动投切的，也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控制的。这种方案虽然有助于保证用户的电能质量，但对电力系统并不可取。因为虽然线路电压的波动主要由无功量变化引起，但线路的电压水平是由系统情况决定的。当线路电压基准偏高或偏低时，无功的投切量可能与实际需求相去甚远，出现无功过补偿或欠补偿。
对配电系统来说，除了专用变之外，还有许多公用变。而面向广大家庭用户及其他小型用户的公用变压器，由于其通常安装在户外的杆架上，进行低压无功集中补偿则是不现实的：难于维护、控制和管理，且容易成为生产安全隐患。这样，配电网的补偿度就受到了限制。
2.3杆上补偿方式
文献［2，3］提出了进行配电系统杆上无功补偿的必要性和方法。由于配电网中大量存在的公用变压器没有进行低压补偿，使得补偿度受到限制。由此造成很大的无功缺口需要由变电站或发电厂来填，大量的无功沿线传输使得配电网网损仍然居高难下。因此可以采用10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上（或另行架杆）进行无功补偿（如图1的方式3），以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境和空间等客观条件限制等工程问题。因此，杆上无功优化补偿必须结合以下实际工程要求来进行：
（1）补偿点宜少，一条配电线路上宜采用单点补偿，不宜采用多点补偿；
（2）控制方式从简。杆上补偿不设分组投切；
（3）补偿容量不宜过大。补偿容量太大将会导致配电线路在轻载时的过电压和过补偿现象；另外杆上空间有限，太多的电容器同杆架设，既不安全，也不利于电容器散热；
（4）接线宜简单。最好是每相只采用一台电容器装置，以降低整套补偿设备的故障率；
（5）保护方式也要简化。主要采用熔断器和氧化锌避雷器分别作为过流和过电压保护。
显然，杆上无功补偿主要是针对10kV馈线上沿线的公用变所需无功进行补偿，文献［3］提出了这种补偿方式的最优地点和容量的算法。因其具有投资小，回收快，补偿效率较高，便于管理和维护等优点，适合于功率因数较低且负荷较重的长配电线路，但是因负荷经常波动而该补偿方式是长期固定补偿，故其适应能力较差，主要是补偿了无功基本负荷，在线路重载情况下补偿度一般是不能达到0.95。应该开发电容器组能自动投切的杆上自动无功补偿技术。
2.4用户终端分散补偿方式
目前在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿（如图1的方式4）将最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。
《供电系统设计规范》（GB50052-1995）指出，容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备无功负荷宜单独就地补偿。故对于企业和厂矿中的电动机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿；针对小区用户终端，由于用户负荷小，波动大，地点分散，无人管理，因此应该开发一种新型低压终端无功补偿装置，并满足以下要求：①智能型控制，免维护；②体积小，易安装；③功能完善，造价较低。
与前面三种补偿方式相比，本补偿方式将更能体现以下优点［4］：①线损率可减少20%；②减小电压损失，改善电压质量，进而改善用电设备启动和运行条件；③释放系统能量，提高线路供电能力。缺点是由于低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功需求来确定安装容量，而各配电变压器低压负荷波动的不同时性造成大量电容器在较轻载时的闲置，设备利用率不高。
综合以上四种无功补偿方式，性能比较如表1所示。
3 配电网无功补偿遇到的问题
随着人们对配电网建设的重视和无功补偿技术的发展，低压侧无功补偿技术在配电系统中也开始普及。从静态补偿到动态补偿，从有触点补偿到无触点补偿，都取得了丰富的经验［5］。但是在实践中也暴露出一些问题，必须引起重视。
(1)优化的问题。目前无功补偿的出发点往往放在用户侧，只注意补偿用户的功率因数。然而要实现有效的降损，必须从电力系统角度出发，通过计算全网的无功潮流，确定配电网的补偿方式、最优补偿容量和补偿地点，才能使有限的资金发挥最大的效益。无功优化配置的目标是在保证配电网电压水平的同时尽可能降低网损。由于它要对补偿后的运行费用以及相应的安装成本同时达到最小化，计算过程相当复杂。
(2)量测的问题。目前10kV配电网的线路上的负荷点一般无表计，且人员的技术水平和管理水平参差不齐，表计记录的准确性和同时性无法保证。这对配电网的潮流计算和无功优化计算带来很大困难。要争取带专变房的用户的支持，使他们能按一定要求进行记录。380V终端用户处通常只装有有功电度表，要实现功率因数的测量是不可能的。这也是低压无功补偿难于广泛开展的原因所在。
(3)谐波的问题。电容器本身具备一定的抗谐波能力，但同时也有放大谐波的副作用。谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响，甚至造成电容器的过早损坏；并且由于电容器对谐波的放大作用，将使系统的谐波干扰更严重。因而做无功补偿时必须考虑谐波治理，在有较大谐波干扰，又需要补偿无功的地点，应考虑增加滤波装置。
(4)无功倒送的问题。无功倒送会增加配电网的损耗，加重配电线路的负担，是电力系统所不允许的。尤其是采用固定电容器补偿方式的用户，则可能在负荷低谷时造成无功倒送，这引起充分考虑。
综上所述，10kV配电网的无功补偿工作应更多地考虑系统的特点，不应因电压等级低、补偿容量小而忽视补偿设备对系统侧的影响（包括网损）。如果需降损的线路能基于一个完善的补偿方案进行改造，则电力系统的收益将比分散的纯用户行为的补偿方式要大得多。
4算例
以某条城市配电线路为例，原先该线路长
可见在该线路上进行的几种无功补偿能够起到显著的技术和经济效果。
5结语
在配电网进行无功补偿、提高功率因数和搞好无功平衡，是一项建设性的降损技术措施。本文分析了四种配电网无功补偿方式，认为应更多地考虑系统的特点将它们结合起来进行无功补偿。目前，配电网的无功补偿容量一般是根据供电部门给定的要求达到的功率因数来确定的，而不是依据用户用电时实际的节能效益和电能质量最佳、支付电费最小的经济功率因数。如何确定无功补偿设备的合理配置和分布，需寻找技术上和经济上的最优方案。
参考文献
［1］厉吉文, 孔庆军, 张连宏. MCVQ-1变电站电压无功微机综合控制系统［J］. 山东电力技术1999(5): 60-63
［2］ 张勇军, 任 震, 廖美英等. 10kV长线路杆上无功优化补偿［J］. 中国电力, 2000, 33(9): 50-52
［3］ 张勇军, 任 震, 李本河等. 基于配网潮流计算的杆上无功补偿优化算法研究［J］. 华南理工大学学报, 2001, 29(4): 22-25.
［4］ 曹光祖. 应系统地重视分散和终端无功补偿［J］. 低压电器, 1999(5): 27-30.
［5］ 戴晓亮. 无功补偿技术在配电网中的应用［J］. 电网技术, 1999,23(6): 11-14
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