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无功补偿技术在配电网中的应用

   日期:2013-03-23     来源:工控之家网    作者:工控之家    浏览:19    评论:0    
1 引言
  近十年来,我国电力装机容量每年以10GW的速度递增,大大缓解了供电紧张的局面。从1997年的表面现象来看,全国大部分地区开始出现电力饱和现象。例如山东省的装机容量已达16GW,但全年的高峰负荷尚不足11GW。伴随着供电量增加的同时,电网建设的速度明显滞后,网络损耗问题日益突出。近几年来,国家电力公司和省市电业局都开始重视这一问题。大家已普遍认识到降低网损是供电部门减小供电成本的重要突破口,也是今后增加供电量的重要手段。有专家估算,通过降损来提高供电量,成本仅为兴建电厂成本的1/4~1/5,是非常可行的。国家电力公司电力科学研究院曾就系统网损做过较全面的调查,分析报告表明了降损的潜力和意义[1]。
  当前我国的电力网损耗可分为3个等级:220kV及以上电压等级网损;110kV及35kV网损;10kV网损。这三部分网损量的比例大致为1.5∶1.1∶2.5,其中10kV配网的降损潜力最大。
  10kV及以下配电网网损大的突出原因在于,配电网建设严重滞后,网架薄弱,设施老化,线路长,线径小,有的10kV线路长50~70km,甚至有100km以上者,另外配电变压器也大部分为高能耗变压器。农网的这一问题尤为突出,“八五”末期全国农网网损平均为28%。
  从降低网损和提高供电可靠性的角度出发,10kV配电线路的长度应控制在10km以内。目前全国城网10kV配电线平均长度约6km左右,一些大城市市区内已缩短在1~2km以内,因而损耗并不大(城区配电网的损耗主要集中在400V侧)。但在广阔的农网领域,由于变电站数量少,长距离供电是一种普遍现象,并且由于负荷量小,不可能选择过粗的线径,这就造成线路的阻抗大,损耗也大。线路的阻抗大,使得线路的首末端电压降特别大,严重超出国家和地方有关标准的要求,造成部分地段电压质量不合格。10kV配电线路的损耗高,给电力部门带来了不应有的损失,并且间接地提高了供电电价,加之电能质量的不合格,严重影响了特别是农村用户的用电积极性。
  此次城乡电网改造中,电网降损问题已引起广泛重视[2,3],被列为电网改造要重点解决的问题之一。城乡电网特别是低压电网的降损问题如能得到很好解决,将会极大地挖掘农村的用电潜力,对解决电力饱和问题意义重大。
2 无功补偿是10kV配电网降损升压的有效手段
  图1为一条导线的简化等值电路(10kV线路的对地导纳可忽略)。有功功率损耗ΔPi为
  (1)
  由式(1)中不难看出,要想减小损耗,有以下几种办法:①减少流经导线的有功电流;②减少流经导线的无功电流;③减小导线的等值电阻,即加大导线截面,缩短供电半径。导线的电压一般在额定值附近,可作为定值处理。

  图1 一条线路的等值电路
  图2为变压器的等值电路图。其有功功率损耗ΔPT为
  (2)

  图2 变压器等值电路
  变压器降损的方法有3种,方法①、②同上述线路降损的办法,第3种方法是减小GT与RT,即采用低损耗变压器。
  另外,以图1为例,线路的压降为
  (3)
  减小压降的方法也同样在于减少流经导线的有功、无功电流以及减小导线的等值阻抗。
  在工程实践中,以下措施得到了重视:
  (1)改造配电网网架结构,甚至提高电压等级和增加变电站所,合理分配有功和无功;
  (2)更换高能耗变压器;
  (3)加大导线截面,缩短供电半径;
  (4)无功功率补偿。
  这4种措施相互关联,但并不冲突,主要应根据所在地的实际损耗情况和资金情况予以考虑。
  第一种改造措施是基于对配电网长远发展考虑的好办法,它合理地改造不尽完善的配电网,可以为配电网提供10年以上高效、稳定的运行环境。但是由于工程投资巨大,投资回收期长,大多数的市镇在目前都难以开展这项工作,局部和小范围的改造比较现实。
  第二、三种措施投资已大为减小,但仍可观。资金充裕的地区可以考虑。
  第四种措施投资最少,同时由于我国配电网长期以来无功匮乏,由其造成的网损蔚为可观,通过无功补偿来降低网损和提高电压是一种投资少回报高的方案。在配电变压器低压侧的补偿不但可以降低线路损耗,而且能够降低配变的损耗,一些高能耗变压器因损耗降低而还可以延迟退役,电压质量也将因此而有很大改善。据估算,网损在10%以上的10kV配电线路,大致可降损5%~10%,投资可在1~2年内回收。而前几种措施要达到同样降损效果,投资需在3~4倍以上。
  所以总的来看,通过无功补偿来降损升压是配电网改造的有效办法,在无功补偿的基础上再因地制宜、卓有成效地实施其他改造,应是大多数地区配电网特别是农网的首选方案。
3 配电网无功补偿现存的几个问题
  随着人们对配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,都取得了丰富的运行经验。但是,在实践过程中也暴露出一些问题,必须引起重视。
  (1)补偿方式问题。
  目前很多部门无功补偿的出发点还放在用户侧,即只注意补偿用户的功率因数,而不是立足于降低电力网的损耗。如为提高某电力负荷的功率因数,增设1台补偿箱,这固然会对降损有所帮助。但是如果要实现有效的降损,必须通过计算无功潮流,确定各点的最优补偿量、补偿方式,才能使有限的资金发挥最大的效益。这是从电力系统角度考虑问题的方法。
  如北京某地线路的补偿方案由于缺乏通盘考虑,投资三、四十万元,而线路降损只有1%。而经计算,该线路的降损潜力至少有5%~6%,如果能合理补偿,完全可以达到这一降损目标。
  (2)谐波问题。
  电容器具备一定的抗谐波能力,但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有放大作用,因而使系统的谐波干扰更严重。另外,动态无功补偿柜的控制环节,容易受谐波干扰影响,造成控制失灵。
  因而在有较大谐波干扰,又需补偿无功的地点,应考虑添加滤波装置。这一问题普遍被忽视,致使一些补偿设备莫名其妙地损坏。因而做无功补偿设计时必须考虑谐波治理。
  (3)无功倒送问题。
  无功倒送是电力系统所不允许的,因为它会增加线路和变压器损耗,加重线路负担。无功补偿设备的生产厂家,虽然都强调自己的设备不会造成无功倒送,但是实际情况并非如此。对于接触器控制的补偿柜,补偿量是三相同调的;对于晶闸管控制的补偿柜,虽然三相的补偿量可以分调,但是很多厂家为了节约资金,只选择一相做采样和无功分析。于是在三相负荷不对称的情况下,就可能造成无功倒送。至于采用固定电容器补偿方式的用户,在负荷低谷时,也可能造成无功倒送。选择补偿方式时,应充分考虑这一点。
  (4)电压调节方式的补偿设备带来的问题。
  有些无功补偿设备是依据电压来确定无功投切量的,这有助于保证用户的电能质量,但对电力系统而言却并不可取。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,出现无功过补或欠补。
  综上所述,10kV配电网低压侧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,则电力系统侧的收益将比分散的纯用户行为的补偿方式要大得多。
4 无功补偿的有关技术分析
  图3为10kV配电线路无功补偿的示意图。CVC是指混合式的无功补偿设备(Composite Var Compensator),放置在配电变压器出线端,连同变压器一起进行无功补偿。

                                图3 10 kV配电线路无功补偿示意图
  在无功补偿工程中,本文使用等网损微增率来优化补偿容量。
  设QC为线路总补偿容量,kvar;K1为单位补偿容量的一次性成本,元/kvar;K2为单位时间内单位补偿容量的运行维护费用,元/kvar*a),T为时间,a;F1为时间段内的总费用:
  F1=K1QC+K2QC T    (4)
  设β为单位电价,元/kWh;Q1,Q2,…,Qn为线路上各点的补偿容量,QC=Q1+Q2…+Qn;τmax为全网每年最大损耗小时数,kW;ΔP为线路补偿后降低的网损,kW;F2为时间段T内网络降损后节省的电能费用,元。所以有
  ΔP=f(Q1,Q2,…,Qn)     (5)
  F2=βΔPTτmax        (6)
  所以时间段T内的投资收益F为
  F=F2-F1=βΔPTτmax-K1QC-K2QCT      (7)
  要想使经济效益最好,必须使,所以有
  (8)
  由式(8)可以组成N个方程。假定时间已知,方程组共有N个变量(Q1,Q2,…Qn),由此可以求得Q1,Q2,…Qn。
  令式(7)=0,可以求得投资回收时间T0:
  (9)
  如果先确定总补偿容量QC,以ΔP最大为目标,则可得
  (10)
  由式(10)可以组成N-1个方程,方程组共有N-1个变量,也可以求得Q1,Q2,…,Qn。同样用式(9)可以求得投资回收时间T0。
  投资补偿效果可用示意图说明,如图4。由图可见,当cosφ=1时线路是完全补偿的,由零补偿到完全补偿的过程中,曲线斜率越来越小,说明网损的减小越来越不显著。所以在实际工程

                                图4 投资补偿效果示意图
  中,线路的补偿度一般控制在功率因数为0.9~0.95之间。
  图5示意了投资收益与时间的关系。cosφ1>cosφ2>cosφ3,分别对应于3条曲线。cosφ3所对应的补偿度较低,投资回收期较短;cosφ1所对应的补偿度较高,投资回收期较长,但在一个较长时间段内收益较大。

                            图5 投资收益与时间的关系
  综上所述,10kV及380V线路是资源侧和需求侧的交汇点,由于电压等级低,一直被电力系统所忽视,因而存在的问题也较多,损耗大、电能质量差是比较突出的,所以此次电网改造的着力点应在配电。但是如何搞好配电网,大家并无足够的经验。笔者根据自己的调查和研究,认为配电线路的综合无功补偿工作在降损节能中有重要意义,是目前配电网改造工作中值得重视的技术方向。
参考文献
  1 能源部电力科学研究院.电力系统网损调查分析报告.1989
  2 魏光耀. 我国城市电网的现状与发展.供用电,1998(1)
  3 包叙定. 加快农网改造开拓农村市场.1998,6
 
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