辐射状配电线路串联和并联补偿的兼容性

辐射状配电线路串联和并联补偿的兼容性

刘宇 安阳

内蒙古电力（集团）有限责任公司呼和浩特供电局 内蒙古自治区呼和浩特市 010020

摘要：现阶段我国大多数配电网仍然具有无功容量不足的问题，不仅会造成较大的能量损耗，更会造成系统的不稳定运行。因此，对无功补偿方法的研究既具有理论意义又具有工程实际应用价值。串联电容补偿具有“自适应”电压调节特性和响应速度快等优点，可以补偿线路电抗上的压降，减少电压降落，能够有效解决辐射状配电线路电压质量的问题。在实际的应用中，串联电容补偿对系统电压的提高具有明显效果，但我国运行单位发现两者同时对系统进行补偿有时反而会出现补偿效果降低的现象，因此有必要对二者的兼容性进行分析。

关键词：辐射配电线路；串联补偿；并联补偿；兼容性

我国经济的发展使得居民和企业对电压质量的要求日益提高，而电能质量的好坏决定电网能否安全经济运行。合理的无功配置不仅能够降低网损、提高供电能力从而保证电压质量，而且还能提高电网的稳定性特别是电压稳定性。随着配电系统的负荷日益増长，无功需求也日益增大，当无功功率不平衡时，会出现系统功率因数和电压降低、电能质量下降、线损增加等问题，因此配电网的无功补偿是降低网损、提高电压质量的重要措施，保证配电系统安全经济运行的一项有效手段。在传统计算方法的基础上利用禁忌搜索算法对配电线路的串联和并联电容的补偿位置和容量同时进行搜索，从而得到使配电网损耗降低最大所对应的最优节点解，找出配电网系统最优的串并联补偿位置和补偿容量。

一、串联补偿技术的原理和在配电网中的作用

1、提高线路输送容量。串联补偿能够在电力系统中得到广泛应用，是因为串联补偿设备能够提高电力系统线路的传输功率。在配电网中通过串补设备也可以提升线路的输送功率，此方法能降低成本开支，适用性强经济性高，能减少经济发展所需的新线路数量，减少占地面积。所以具有很强的经济性和适用性。在没有任何补偿设备存在的情况下，电路传送功率的表达式如下：

2、串联电容器在配电网中安装位置和容量。电压问题一般出现在长配电电路中，固定式串联补偿设备不同位置的补偿效果有很大差异，并决定其容量大小，因此选择适当的安装位置可以得到最优解，不仅能完美处理线路电压问题，还可以使设备安装次数和补偿容量最小化。如果在末端辐射状配电线路只有一个负荷，例如较远的井矿或偏远的村落，此时电压调节效果和串联补偿设备的安装位置无关，最合适的位置就是紧挨着线路末端并且靠近负荷的电源处。若线路沿线存在有几条支线，要想使得全线路电压都能满足要求，就确定在最大负荷时的电压差近似等于 0.5 倍全线路电压差附近的位置。

如果线路电压问题存在较严重的情况，线路逾越额定电压的五分之一，那么加装一个串补设备肯定不能满足全线电压的调节需求，此时可采用增添串补个数的方法解决，但无疑会增加相对应的投资及线路维护的成本。以辐射型配电网为研究对象，一般都存在“一线多负荷”的问题，那么此时就必须把所有的负荷节点的电压质量同时进行考量。经装设串联补偿设备以后可使得所有节点的电压质量一起得到明显改善，确保各节点的电压能够达到系统正常运行的条件。模型如图所示。

辐射型网络结构的简单模型，假定模型中存在多个负荷节点，每段线路的参数各异，则当无安装串联补偿设备时，依据方程式便可得到各段线路的电压降落表达式为：

二、并联补偿技术的原理和在配电网中的作用

1、并联补偿原理。有功功率和无功功率两个部分构成了电力系统的负荷，电力系统元件传输会引起功率的损耗，损耗分为有功损耗以及无功损耗两种。电力系统中有功功率只能由发电机产出，发电机发出的有功功率的主要作用是可以平衡系统中的有功功率损耗，以及对所有有功功率负荷起到平衡作用。除了可以通过发电机产生无功功率之外，无功补偿装置也可以提供无功功率，发电机和无功功率单元产生的无功功率将平衡所有无功功率负载和无功功率损耗[1]。并联电容补偿如图。

并联电容器是一种无功补偿装置，它是通过平衡无功功率来减少网络损耗的主要功能。当然，通过利用电容器的分组投切也可以对电压进行适当的调整，然而这只能作为并联电容器补偿的辅助要求，因为通过并联电容器对电压水平幅度的提高是有限的，一般介于 3%5%之间。因此，我们普遍认为，并联电容器的补偿作用应当通过“降损为主，调压为辅”来衡量。

并联补偿可以通过增加负荷的功率因数来提高末端电压，经线路的无功电流引起的电压降也可随之减少。如果 ，叫做欠补偿； 时，叫做过补偿[2]。通常看到过补偿不是理想的情况，不仅变压器次级侧电压会增加，而且在电力线传输中，电容无功功率也降低了功率损耗的增加，从而温升提高，对电容寿命产生影响。并联补偿电容的容量根据负载进行补偿，同时进行变压器无功损耗补偿计算和输电线路功率损耗。根据电力质量和技术监督管理规定，电力需求在高压电源中超过 100 千瓦的用户，电源侧的峰值负载功率因数大于 0.95；对于普通用户，功率因数通常高于 0.9。电容器的补偿能力与采用的补偿方法和无补偿时的负载情况密切相关。在计算集中补偿和分散补偿的容量时，总的补偿容量可以通过下式计算：

三、串联电容与并联电容补偿的兼容

1、末端电压与串补度关系曲线。在末端电压与串补度关系曲线时，采用线路中只存在末端负荷的串、并联补偿兼容性的方式。其配电线路图如图。

2、串并联补偿兼容性的验证。在实际中配电线路往往结构复杂，沿线具有多条分支馈线，仅仅对末端带有负荷的线路进行分析是意义不大的。对提供的实际系统进行简化等值，66k V系统运行现状：联络导线供电半径长，电压损失高，导致线路的带负荷能力下降，满足不了系统满载运行要求。仿真工具采用 PSASP 7.0 版，计算原系统潮流，得到各节点母线电压如表所示。

由表可知，离电源较远的母线电压均在 0.8 pu 以下，电压损失情况较为严重，超过系统±5%的允许范围，需要安装串联或并联补偿装置解决问题。

串联电容和并联补偿容性无功功率的增大降低了无功功率，所以，两者均可提高电压；反之，串联电抗或并联电抗的增加会加大流出无功功率，导致电压下降，需要根据线路及负荷点情况进行确定：

（1）串联等效完全补偿。某一负荷点之后的负荷及线损都可等效为其所带的负荷，因此，串联等效完全补2.16 0.72se偿出现在串补容抗等于该负荷点到电源点的线路电抗时。如图所示，当k时66k V 母线的各曲线相交，此时串联补偿为等效完全补偿。

（2）并联等效完全补偿。如果忽略线损，并联等效完全补偿需要以串补装置之后的总无功负荷为基准，确定串、并联等效完全补偿后，欠补偿及过补偿的定义范围也要相应进行变化。同时表明，串联电容过补偿加上并联电抗、串联电抗加上并联电容过补偿可对负荷点电压有明显提升作用，甚至可以超过串联补偿提升电压的最大值。该算例系统具有一定代表性，仿真表明由仅末端带有负荷的线路得到的串、并联补偿兼容性规律对带有多个负荷的线路同样适用。但实际配电网情况复杂，串、并联补偿装置的安装位置不唯一，工程应用时也需要具体分析。

通过串联补偿的基本原理以及在配电网中加装串补装置起到的作用，并说明串联补偿电容器安装位置和容量的选择方式。然后对并联补偿原理进行简要介绍，说明其在配电网中的补偿作用与如何在系统中选取合理的补偿方式。最后在仅末端带负荷的配电线路中研究串并联兼容性，用末端电压与串补度关系曲线分析其效果，并在多负荷系统中进行验证。

参考文献：

[1] 赵文忠，王东平．串联无功补偿技术在配电网中的应用分析[J]．低压电器，2019(5)：44．

[2] 任强，杨涛，谢伟峥．串联补偿装置与并联补偿装置兼容运行[J]．电力电容器与无功补偿，2018，32(1)15．

[3] 王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿[J]．机械工业出版社，2018．