配电网无功优化研究

配电网无功优化研究

董冠男1李龙妹1王薇2

1.国网朝阳供电公司辽宁朝阳122000；2.锦州供电公司辽宁锦州121000

摘要：在电力系统运行中，无功功率补偿一直是配电网安全、经济运行的重要因素。在确保安全可靠的同时又要科学利用和优化配置系统资源，来降低运行损耗，提高供电电能质量。本文介绍了配电网无功功率补偿原理、方法，以及无功功率特性，并针对一个10kV配电系统，通过采用电力电容器对系统进行并联无功功率补偿。

关键词：无功优化；配电网；无功补偿

1引言

电力系统的无功优化是电力系统科学管理的重要手段和内容，是利用科学的方法计算出发电机、调相机、无功补偿装置（包括补偿电容和电抗器等）、可调变压器等无功电压的可利用资源的有效组合配置，寻求在其设备性能约束条件下的最佳运行点和最佳效益点，以实现最合理投资和运行状态，满足电网电压合格率最高，系统运行损耗最小的运行要求。无功优化及规划也是提高电网运行水平和规划管理水平、指导管理人员工作的科学依据和不可缺少的工具之一。

2配电网无功功率优化补偿原理

2.1无功补偿的原理

无功功率在电网中的流动，对电网的安全、经济运行了有着重要的影响。要保证电网的安全、经济运行，降低电网损耗，总是希望电网的无功最好不流动，即所谓的理想状态，或者尽量少流动，特别要避免无功功率通过输电线路远距离流动，实现系统的无功平衡。

所谓无功平衡，就是指在电网运行的每一时刻，系统中各无功电源所发出的总无功功率要与系统所有的无功负荷及无功功率损耗相平衡。具体用公式表示为

无功补偿就是根据交流电路中，无功功率是由电压和电流间的相位差异产生的这一特点，利用电容和电感相反的相位特性进行补偿。无功补偿分为感性补偿和容性补偿，感性补偿是利用并联电抗器等无功补偿装置，对容性负荷发出的无功功率加以吸收，一般在高电压或超高压输电网中采用，用以吸收输电线路产生的充电功率；容性补偿是利用并联电容器等无功补偿装置，提供感性负荷需要的无功功率，使由电源输送的无功功率减少.从而避免了无功补偿装置所发出的无功功率通过输电线路远距离输送。并联电容器的补偿原理可以由图3-1说明。

2.2无功补偿装置

从目前国内外无功补偿装置的应用情况看，无功补偿装置主要有同步调相机、并联电容器和静止补偿器等三种。

1）同步调相机

同步调相机是特殊运行状态下的同步电机，可视为不带有功负荷的同步发电机或是一种不带机械负载的同步发电机。它可以过励磁运行，也可以欠励磁运行，运行状态根据系统的需要来调节。

2）并联电容器

并联电容器的结构比较简单，主要由芯子、油箱和出线三部分织成。它的作用就在于重负荷时发出感性无功，补偿负荷所需，以减少输送感性无功而在线路上产生的电压降落，提高负荷端电压。

3）静止补偿器

静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置。通常由电容器、饱和电抗器或线性电抗器、滤波器、晶闸管和专用调节器等静止设备组成，利用可控硅开关来分别控制电容器组与电抗器的投切，这样它的性能完全和同步调相机一样。

2.3无功补偿方式

电网无功补偿主要有三种方式：集中补偿、分散补偿、就地补偿。最有效的方法是就地补偿。

就地补偿：将电容器直接安装于电动机等用电设备附近，与用电设备的供电回路相并联，对系统最末端的电动机等用电设备所消耗的无功功率进行就地补偿，以提高配电系统的功率因数，此方式最有效。

3无功功率特性与其他参数关系

各种用电设备中，除了相对很小的白炽灯，照明负荷只消耗有功功率，为数不多的同步电机可发出一部分无功功率外，其余大多数用电设备都要消耗无功功率。因此，无论是工业或农业用户都以滞后的功率因数运行，其值约为0．6～0．9。下图3.1为某地区无功功率变化规律示意图，从图中可看出，无功负荷在一天中变化是较大的。

式中表示线路消耗的无功功率(Kvar)；表示线路流过的电流；户表示输送的有功功率；表示输送的无功功率；表示线路的额定电压；表示线路的电抗(Ω)。由式（3-1）或（3-2）可见，线路无功损耗与线路电压的平方成反比，当线路运行电压偏低时，线路的无功功率损耗就大；线路无功损耗与输送的无功功率的平方成正比，输送的无功功率越大，线路的无功损耗就越大；线路无功损耗与功率因数的平方成反比，线路的功率因数越高，无功功率损耗越小。

因此，在配电网运行中，无论是无功负荷还是无功损耗都需要消耗无功功率。这些无功功率必须从系统中某个地方获得，如果无功功率不能很容易传输的话，则需在消耗无功的地方产生。所以，无功功率的不足，配电网中必会有无功缺额，将会造成电压水平下降和有功损耗增大。

3.1负荷补偿的目的

配电网负荷补偿是对配电网无功功率进行控制，以改善配电网供电质量。负荷补偿的目的主要有三个：

1）功率因数的校正

在能量转换的过程中，有功功率才是真正有用的，多余的负荷电流对于用户来说只是一种浪费，因为用户不仅要为多余的输电容量付钱，也要为线路中多余的能量损耗付费。电力部门同样也不希望从发电机向负荷输送不必要的无功功率。否则，一方面发电机和配电网得不到充分有效的利用，另一方面电网的电压控制也变得更为困难。

2）改善节点电压调节

在负荷对无功功率需求不断变化的情况下，电压调节会成为关键。负荷对无功需求的变化会引起电压的波动，为防止由此而带来的与该点连接的用户运行效率，导致不同用户负荷间的相互干扰，对电压的变化必须保持在一定的限度内。

3）负荷平衡

大多数电力系统是三相的，不平衡运行会引起负序和零序电流分量。这些分量可能引起人们不希望产生的效应：如电动机的附加损耗，交流电机中的振动力矩，增加整流墨中的纹波等。某些设备依靠三相平衡来消除三次谐波，在不平衡条件下，三次谐波便会出现在电力系统中。

4结论

本文建立无功优化目标函数数学模型；并将配电网络无功进行了优化补偿，选择了优化补偿地点和最佳补偿容量。说明在确保安全可靠的同时利用科学方法优化配置系统资源，降低运行损耗，提高供电电能质量，节省运行费用是可行的，而且通过进一步深入的研究无功功率优化方法，必将使得无功功率分配更加合理，系统运行更加安全可靠，实现起来更加方便、快捷。

参考文献

[1]朱春明,刘明波,裴爱华.变电站电压无功控制范围的整定计算方法.电力系统自动化,2003.4

[2]王守相,王成山.配电系统节点优化编号方案比较.电力系统自动化,2003.4