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关于实时无功补偿问题的探讨及其解决方案
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| 发布时间：2005-12-9 14:05:11
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中国文档网http://www.86wd.com
A Discussion on Real-time Reactive Power Compensation
Abstract：According to the principles of reactive power balance and compensation, the principle and procedure of reactive power compensation and voltage optimization are explained. Their application results are illustrated in real cases.
Keywords：reactive power；voltage；analysis；real-time compensation
0 引言
随着我国电力工业的迅猛壮大，电网逐步扩张，电力负荷增长很快，电压等级越来越高，电网、发电厂以及单机容量也越来越大，电网覆盖的地理面积在不断扩大。但是，由于地理环境、燃料运输、水资源及经济发展规模等诸多因素的影响，致使电源(发电厂)分布不均衡，要保证系统的稳定和优良的电能质量，就必须解决远距离输电、电压调节及无功补偿等问题。
电压是电能质量的重要指标之一，电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接影响。无功电力是影响电压质量的一个重要因素，电压质量与无功是密不可分的，可以说，电压问题本质上就是无功问题。解决好无功补偿问题，具有十分重要的意义。
目前，许多地方电力系统的无功补偿和电压调节依然采用传统的调节方式，有载调压变压器、静电电容器等只能手动调节和投切,不能实现实时电压调节或无功补偿。因此，实现实时无功补偿以保证电力系统电压的连续稳定性，是本文研究和探讨的主要方向。
1 相关理论
1.1 无功功率平衡
欲维持电力系统电压的稳定性，应使电力系统中的无功功率保持平衡，即系统中的无功电源可发出的无功功率应大于或等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。系统中无功功率的平衡关系式如下：
Qgc-Qld-Ql =Qr
式中 Qgc——电源发出的无功功率之和;
Qld——无功负荷之和;
Ql——网络中的无功损耗之和;
Qr——系统可提供的备用无功功率。
Qr > 0，表示系统中无功功率可以平衡而且有适当的备用；Qr <0，表示系统中无功功率不足，此时，为保证系统的运行电压水平，就应考虑加设无功补偿装置。
Qgc包括全部发电机发出的无功功率Qg和各种无功补偿装置提供的无功功率Qc，即
Qgc=Qg＋Qc
1.1.1 补偿容量不足时的无功功率平衡
进行系统无功功率平衡的前提是保持系统的电压水平正常，否则，系统的电压质量就得不到保证。在图1所示的系统无功功率负荷的静态电压特性曲线中，在正常情况下，系统无功功率电源所提供的无功功率Qgcn，由无功功率平衡的条件Qgcn-Qld-Ql=0决定的电压为Un，设此电压对应于系统正常的电压水平。但假如系统无功功率电源提供的无功功率仅为Qgc(Qgc<Qgcn)，此时虽然系统中的无功功率也能平衡，但平衡条件所决定的电压水平为U，而U显然低于Un。在这种情况下，虽然可以采取某些措施，如改变某台变压器的变比来提高局部地区的电压水平，但整个系统的无功功率仍然不足，系统的电压质量得不到全面改善。这种平衡是系统无功功率不足时达到的平衡，是由于系统的电压水平下降，无功功率负荷本身具有的电压调节效应，使全系统的无功功率需求有所下降而达到的。
1.1.2 系统无功功率电源充足时的无功功率平衡
在正常情况下(系统电压为额定电压)，如图2所示，系统无功电源Q同电压U的关系为曲线1，负荷的无功电压特性为曲线2，两者的交点a确定了负荷节点的电压Ua。
当负荷增加时，如曲线2所示，如果系统的无功电源没有相应增加，电源的无功特性仍然是曲线1，这时曲线1和曲线2的交点a＇就代表了新的无功功率平衡点，并由此决定了负荷点的电压为Ua′，显然Ua′<Ua,说明负荷增加后，系统的无功功率电源已不能满足在电压Ua下的无功平衡，只能降低电压运行，以取得较低电压下的无功功率平衡；但如果系统无功电源比较充足，通过补偿，电源的无功特性将上移到曲线1′的位置，从而使曲线1′与2′的交点c所确定的负荷节点电压达到或接近原来的数值Ua。由此可见，若系统的无功功率电源比较充足，系统就能具有较高的运行电压水平;反之，系统的无功功率电源不足，则反映为系统运行电压水平偏低。因此，应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡，根据这个要求来装设必要的无功功率补偿装置。
1.2 无功补偿原则
国家《电力系统电压和无功电力技术导则》规定，无功补偿与电压调节应以下列原则进行。
a.总体平衡与局部平衡相结合；
b.电力补偿与用户补偿相结合；
c.分散补偿与集中补偿相结合；
d.降损与调压相结合，以降损为主。
无功补偿应尽量分层(按电压等级)和分区(按地区)补偿，就地平衡，避免无功电力长途输送与越级传输。
2 实行实时无功补偿和电压调节
为了实行实时无功补偿，优化无功潮流分布，提出一种全网无功补偿和电压优化实时控制方法，以实现从离线处理转化为实时处理，提高全网各节点电压合格率，减少网损，取得较好的经济性。
2.1 控制无功补偿和电压优化的规则
以全网网损尽量小、各节点电压合格为目标，以调度中心为控制中心，以各变电站的有载调压变压器分接头调节与电容器投切为控制手段。
2.2 控制流程
首先从调度自动化系统采集数据，送入电压分析模块和无功分析模块进行综合分析，形成变电所主变分接头调节指令、变电所电容器投切指令，由调度中心、集控中心、配调中心控制系统执行，循环往复。无功电压实时控制流程见图3。
2.3 无功补偿与电压优化的控制原理
电力系统电压无功限值区间的划分(动态9区图)见图4。根据该图在各区内，以最优的控制顺序和电压无功设备组合使运行点进入无功、电压均满足要求的第9区。
电压控制按照逆调压原则，当电压变化超出电压曲线的允许偏差范围(U上—U下)或超出无功功率允许偏差范围(Q上—Q下)时，根据整定的偏移量发出电容器投切指令或变压器分接头调整指令，从而达到调整电压和无功潮流的目的。
其中，U上、U下分别为电压约束上、下限，Q上、Q下分别为无功约束上、下限，各区动作方案如下。
1区：电压超下限，无功超上限。设定电容器投入容量，并发出电容器投入指令，当电容器全部投入后，电压仍低于U下时，发出变压器分接头升压调节指令。
2区：电压合格，无功超上限。发出电容器投入指令，当电容器全部投入后运行点仍在该区，则维持运行点。
3区：电压超上限，无功超上限。发出变压器分接头降压调节指令；当有载调压已处于下限时，再发出上一级变压器分接头调节指令。
4区：电压超上限，无功合格。动作方案同3区。
5区：电压超上限，无功超下限。发出电容器切除指令，当电容器全部切除后，电压仍高于U上时，再发出变压器分接头降压调节指令。
6区：电压合格，无功超下限。发出电容器切除指令，当电容器全部切除后，运行点仍在该区，则维持该运行点。
7区：电压超下限，无功超下限。发出变压器分接头升压调节指令，当有载调压已处于上限时，再发出电容器投入指令。
8区：电压超下限，无功合格。动作方案同7区。
9区：电压、无功均合格。维持该运行点，不发调整指令。
3 应用分析
某区域电网接线示意图见图5。
以#6变电站为例，假设其运行于1区，即10kV母线电压低于其电压曲线下限，同时变压器高压侧所受无功功率潮流高于其整定上限，那么，控制系统会根据采集到的实时数据，先进入电容器调节程序，计算确定应投入的电容器容量，条件是电容器投入后，10kV侧不得向35kV侧反送无功或不得超出无功受电的整定下限。如果电容器全部投入后，仍然不能满足要求，系统会进入变压器分接头计算程序，并根据计算结果，发出变压器分接头调节指令，强行提高低压侧母线电压，使其达到或高于电压曲线下限，但此时变电站无功负荷潮流不一定满足整定要求，可以根据对负荷的预测，增加电容器的装设容量。
若运行于2区，即10kV母线电压达到或高于其电压曲线下限，同时变压器高压侧所受无功功率潮流高于其整定上限，则控制系统只进入电容器调节程序，发出电容器投入指令，补偿无功，减小变电站无功受电。若电容器全部投入后，仍不能使无功潮流满足要求，由于电压在合格范围内，控制程序不再进入变压器分接头调节程序，使其维持在该运行状态下。对于电容器装设容量不足的问题，也可以通过增加电容器的装设容量来满足需要。
在3区运行时，由于电压超过上限，但无功受电也较多，超过上限，这主要由变压器变比不合适引起，控制系统会以此条件做出判断。首先发出变压器分接头调节指令进行降压，若分接档位调至下限时，电压仍超过上限，此时应调节上一级变压器(4)分接头降低电压。不切除电容器是因为切除后，无功受电会进一步加大，不符合网损尽量小的原则。此外，可采取调整负荷结构，平衡无功负荷的措施，不使其过于集中。
在4区运行时，第一步与3区调整原则一致，第二步控制系统在保证无功合格的条件下，切除部分电容器，减少其对电压的抬升作用。
5～8区与1～4区相对应，控制系统会发出相反的调节指令，不再叙述。
4 运行效果
4.1 降低线损
应用前后3个月的网损统计数据比较如表1所示。应用实时无功补偿与电压控制系统后，1～3月的节电量分别为300、349、420MW·h，降损节电效果明显。
4.2 提高了电压合格率
系统应用前后的电压合格率比较见表2。可以看出，各点电压合格率均得到了提高。
4.3 改善了设备运行状态
由于实施全网实时无功补偿和电压调节，变电所电容器平均每天投切次数由以前的3次增加到9次，主变分接头开关调节次数由以前的10次 /(台·d)，降低到现在的5次/(台·d)；同时，高压侧功率因数由0.89提高到0.96。
5 结论
按照上述方案实施无功补偿和电压调节，使无功功率得到了自动实时补偿，实现从离线处理到实时处理,从就地平衡到全网平衡,从单独控制到集中控制，避免了人工监视、手动投切的各种弊端，如响应慢、误操作、工作量大等，电压水平的合格性和稳定性得到了显著提高，整个电网的网损降到了尽量低的程度。运行实例表明，该系统方案在电力系统具有良好的应用前景。
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