1 配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方案及其比較
1．1 變電站集中補(bǔ)償方式
1．1．1 變電站集中補(bǔ)償方式的形式和優(yōu)缺點
要平衡輸電網(wǎng)的無功功率，可在變電站進(jìn)行集中補(bǔ)償，見圖1中的方式1。在這種方式下，補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，主要目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高終端償裝置一般連接在變電站的10 kV母線上，優(yōu)點是管理容易、維護(hù)方便，缺點是對配電網(wǎng)的降損起不到什么作用。
1．1．2 變電站集中補(bǔ)償方式的技術(shù)應(yīng)用
為了調(diào)整變電站的電壓，通常利用無功補(bǔ)償裝置（一般是并聯(lián)電容器組）結(jié)合有載調(diào)壓抽頭來調(diào)節(jié)。通過兩者的協(xié)調(diào)來進(jìn)行電壓和無功功率的控制，且這一方面的技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，九區(qū)圖便是一種變電站電壓和無功功率控制的有效方法，然而操作上還是較為麻煩的，因為限值需要隨不同的運(yùn)行方式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，在某些區(qū)上會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，而且實際操作中，抽頭調(diào)節(jié)和電容器組投切次數(shù)是有限的，但九區(qū)圖沒有相應(yīng)的判斷。現(xiàn)行九區(qū)圖的調(diào)節(jié)效果也不是數(shù)學(xué)上證明的最好效果，因此九區(qū)圖的應(yīng)用還有待進(jìn)一步改善。文獻(xiàn)［1］利用模糊數(shù)學(xué)的概念建立了數(shù)學(xué)模型，得出了模糊邊界的無功功率調(diào)節(jié)判據(jù)，它的特點是將九區(qū)圖中固定的無功功率上下限邊界改變成受電壓影響的模糊邊界，其邊界的斜率可根據(jù)具體的投切邊界條件進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)這種思路，設(shè)計出一種新型的變電站電壓無功功率微機(jī)綜合控制裝置，它可以在保證電壓合格和無功功率最佳補(bǔ)償效果的情況下，有載變壓器分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)比同類裝置或人工調(diào)節(jié)約減少1／3，提高了變電站電壓合格率，線損降低約20％。
1．2 低壓集中補(bǔ)償方式
目前，國內(nèi)較普遍采用的另外一種無功補(bǔ)償方式，是在配電變壓器380 V側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償，見圖1中的方式2。在這種方式下，補(bǔ)償裝置通常采用微機(jī)控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百千乏不等，它是根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動，投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。主要目的是提高專用變壓器用戶的功率因數(shù)，實現(xiàn)無功功率的就地平衡，對配電網(wǎng)和配電變壓器的降損有一定作用，也保證該用戶的電壓水平。這種補(bǔ)償方式的投資及維護(hù)均由專用變壓器用戶承擔(dān)。目前國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的自動補(bǔ)償裝置通常是根據(jù)功率因數(shù)來進(jìn)行電容器的自動投切，也有為了保證用戶電壓水平而以電壓為判據(jù)進(jìn)行控制。這種補(bǔ)償方式雖然利于保證用戶的電能質(zhì)量，但對電力系統(tǒng)并不可取。因為線路電壓的波動主要由無功量變化引起，而線路的電壓水平由系統(tǒng)情況決定。當(dāng)線路電壓基準(zhǔn)偏高或偏低時，無功功率的投切量可能與實際需求相差甚遠(yuǎn)，可能出現(xiàn)無功功率補(bǔ)償過多或補(bǔ)償不足的情況。
對配電系統(tǒng)來說，除了專用變壓器之外，還有許多公用變壓器，而面向廣大家庭用戶及其他小型用戶的公用變壓器，其通常安裝在戶外的桿架上，進(jìn)行低壓無功功率集中補(bǔ)償則是不現(xiàn)實的，難維護(hù)、控制和管理，容易成為生產(chǎn)安全隱患。這樣，配電網(wǎng)的補(bǔ)償度就受到了限制。
1．3 桿上無功補(bǔ)償方式
文獻(xiàn)［2，3］提出了在配電系統(tǒng)桿上進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)谋匾院头椒āＳ捎谂潆娋W(wǎng)中大量存在的公用變壓器沒有進(jìn)行低壓補(bǔ)償，補(bǔ)償度受到限制。由此造成很大的無功功率缺口需要由變電站或發(fā)電廠來填，大量的無功功率沿線傳輸，配電網(wǎng)網(wǎng)損居高難下。因此可以把10 kV戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上（或另行架桿）的方法來進(jìn)行無功補(bǔ)償（見圖1中的方式3），以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達(dá)到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠(yuǎn)離變電站，容易出現(xiàn)保護(hù)不易配置，控制成本高，維護(hù)工作量大，受安裝環(huán)境和空間等客觀條件限制等工程問題。因此，桿上無功功率優(yōu)化補(bǔ)償必須結(jié)合以下實際工程要求來進(jìn)行：
a）補(bǔ)償點宜少。一條配電線路上宜采用單點補(bǔ)償，不宜采用多點補(bǔ)償。
b）控制方式從簡。桿上補(bǔ)償不設(shè)分組投切。
c）補(bǔ)償容量不宜過大。補(bǔ)償容量太大，將會導(dǎo)致配電線路在輕載時過電壓和過補(bǔ)償現(xiàn)象。桿上空間有限，太多的電容器同桿架設(shè)，既不安全，也不利于電容器散熱。建議按重載補(bǔ)償后電源節(jié)點功率因數(shù)不超過0．95和輕載時功率因數(shù)達(dá)到1左右即可的方法去處理。
d）接線宜簡單。最好是每相只配置一臺電容器裝置，以降低整套補(bǔ)償設(shè)備的故障率。
e）保護(hù)方式也要簡化。分別用熔絲和氧化鋅避雷器分別作為過流保護(hù)和過電壓保護(hù)。
f）防止電容器安裝后產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。
顯然，桿上無功補(bǔ)償主要是針對10 k V饋線上沿線的公用變壓器所需無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，文獻(xiàn)［3］提出了這種補(bǔ)償方式的最優(yōu)地點和容量的算法。因這種補(bǔ)償方式具有投資小、回收快、補(bǔ)償效率較高、便于管理和維護(hù)等優(yōu)點，適合于功率因數(shù)較低且負(fù)荷較重的長距離配電線路，但是因負(fù)荷經(jīng)常波動，而該補(bǔ)償方式又是長期固定補(bǔ)償，適應(yīng)能力較差，主要是補(bǔ)償了無功基荷，在線路重載情況下，補(bǔ)償度一般是不能達(dá)到0．95。
1．4 用戶終端分散補(bǔ)償方式
目前，在我國城鎮(zhèn)，低壓用戶的用電量大幅增長，企業(yè)、廠礦和小區(qū)等對無功功率需求都很大，直接對用戶末端進(jìn)行無功補(bǔ)償，見圖1中的方式4，將最恰當(dāng)?shù)亟档碗娋W(wǎng)的損耗和維持網(wǎng)絡(luò)的電壓水平。GB50052—1995《供電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》指出，容量較大、負(fù)荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備，無功負(fù)荷宜單獨就地補(bǔ)償。這樣，對于企業(yè)和廠礦中的電動機(jī)，應(yīng)該進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償，即隨機(jī)補(bǔ)償；針對小區(qū)用戶終端，由于用戶負(fù)荷小，波動大，地點分散，無人管理，應(yīng)該開發(fā)一種新型低壓終端無功補(bǔ)償裝置，并能滿足智能型控制、免維護(hù)、體積小、易安裝、功能完善、造價較低等的要求。
與上述3種補(bǔ)償方式相比，用戶終端分散補(bǔ)償方式更能體現(xiàn)以下優(yōu)點［4］：
a）線損率可減少20％；
b）減小電壓損失，改善電壓質(zhì)量，進(jìn)而改善用電設(shè)備啟動和運(yùn)行條件；
c）釋放系統(tǒng)能量，提高線路供電能力。
缺點是低壓無功補(bǔ)償通常按配電變壓器低壓側(cè)最大無功功率需求來確定安裝容量，而各配電變壓器低壓負(fù)荷波動的不同時性造成大量電容器在較輕載時閑置，設(shè)備利用率不高。
1．5 4種補(bǔ)償方式的綜合比較
通過以上分析可知，4種無功補(bǔ)償方式各有各的優(yōu)缺點，其綜合比較見表1所示。
2 配網(wǎng)無功補(bǔ)償遇到的問題
隨著人們對配電網(wǎng)建設(shè)的重視及無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，低壓側(cè)無功補(bǔ)償技術(shù)在配電系統(tǒng)中也開始普及。從靜態(tài)補(bǔ)償?shù)絼討B(tài)補(bǔ)償，從有觸點補(bǔ)償?shù)綗o觸點補(bǔ)償，都取得了豐富的經(jīng)驗，但是在實踐應(yīng)用中也暴露出一些問題，必須引起重視。
2．1 優(yōu)化的問題
目前，很多單位選擇無功補(bǔ)償?shù)某霭l(fā)點還放在用戶側(cè)，只注意補(bǔ)償用戶的功率因數(shù)，而不是立足于降低電力網(wǎng)的損耗。例如，為提高某電力負(fù)荷的功率因數(shù)，增設(shè)1臺補(bǔ)償箱。這對降損有一定好處，但若要實現(xiàn)有效的降損，必須通過計算無功功率潮流，確定各點的最優(yōu)補(bǔ)償量和補(bǔ)償方式，才能使有限的資金發(fā)揮最大的效益。這是從電力系統(tǒng)角度考慮問題的方法。
無功功率優(yōu)化配置的目標(biāo)是在保證配網(wǎng)電壓水平的同時，盡可能降低網(wǎng)損。由于它要對補(bǔ)償后的運(yùn)行費(fèi)用以及相應(yīng)的安裝成本同時達(dá)到最小化，計算過程相當(dāng)復(fù)雜。為此，以前的文獻(xiàn)中通常采取了許多不切實際的假設(shè)，比如固定負(fù)荷水平，統(tǒng)一線徑，把樹狀配電網(wǎng)簡化成梳狀網(wǎng)，這樣的結(jié)果并不理想。
2．2 量測的問題
目前10 kV配電網(wǎng)線路上的負(fù)荷點一般無表計，維護(hù)人員的技術(shù)水平和管理水平又參差不齊，表計記錄的準(zhǔn)確性和同時性無法保證。這對配電網(wǎng)的潮流計算和無功優(yōu)化計算帶來很大困難。要爭取帶專用變壓器房用戶的支持，使他們能按一定要求進(jìn)行記錄。380 V終端用戶處通常只裝有有功電能表，要實現(xiàn)功率因數(shù)的測量是不可能的，這也是低壓無功補(bǔ)償難于廣泛開展的原因所在。
2．3 諧波的問題
電容器本身具備一定的抗諧波能力，但同時也有放大諧波的副作用。諧波含量過大時，會對電容器的壽命產(chǎn)生影響，甚至造成電容器的過早損壞，由于電容器對諧波的放大作用，將使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴(yán)重；另外，動態(tài)無功補(bǔ)償柜的控制環(huán)節(jié)容易受諧波干擾影響，造成控制失靈，因而做無功補(bǔ)償時必須考慮諧波治理，在有較大諧波干擾，又需要補(bǔ)償無功功率的地點，應(yīng)考慮增加濾波裝置。
2．4 無功功率倒送的問題
無功功率倒送是電力系統(tǒng)所不允許的現(xiàn)象，因為它會增加線路和變壓器的損耗，加重線路的負(fù)擔(dān)。雖然生產(chǎn)廠家都強(qiáng)調(diào)自己的設(shè)備不會造成無功功率的倒送，但是實際情況并非如此。因為對于接觸器控制的補(bǔ)償柜，補(bǔ)償量是三相同調(diào)的；對于晶閘管控制的補(bǔ)償柜，雖然三相補(bǔ)償量可以分調(diào)，但是很多生產(chǎn)廠家為了節(jié)約成本，往往只選擇一相做采樣及無功功率分析。于是在三相負(fù)荷不平衡的時候，就有可能造成無功功率倒送。至于采用固定電容器補(bǔ)償方式的用戶，則可能在負(fù)荷低谷時造成無功功率倒送，這應(yīng)引起充分考慮。
綜上所述，10 kV配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償工作應(yīng)更多地考慮系統(tǒng)的特點，不應(yīng)因電壓等級低、補(bǔ)償容量小而忽視補(bǔ)償設(shè)備對系統(tǒng)側(cè)的影響（包括網(wǎng)損）。如果需降損的線路能基于一個完善的補(bǔ)償方案進(jìn)行改造，則電力系統(tǒng)的收益將比分散的純用戶行為的補(bǔ)償方式要大得多。
3 結(jié)束語
對配電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)和搞好無功功率平衡，是一項建設(shè)性的降損技術(shù)措施。文章分析了4種配網(wǎng)無功補(bǔ)償方式的應(yīng)用，但筆者認(rèn)為應(yīng)更多地按系統(tǒng)的特點來進(jìn)行無功補(bǔ)償。目前，配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償容量一般是根據(jù)供電部門要求達(dá)到的功率因數(shù)來確定的，而不是依據(jù)用戶用電時實際的節(jié)能效益、最佳電能質(zhì)量、最小支付電費(fèi)的經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)來確定。如何確定無功補(bǔ)償設(shè)備的合理配置和分布，需尋找技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)方案。
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