配电网高压无功调节装置的研究

配电网高压无功调节装置的研究

于巧娜 1 颜森 2

1. 滨州学院 山东省滨州市 256600 2.国网滨州供电公司 山东省滨州市 256600

摘 要：有效优化和合理控制配电网无功功率，不仅可以提高电力系统运行时的电压质量，还可以有效降低电网损耗，节约能源，是保证电力系统安全经济运行的重要措施,对电网调度和规划具有重要的指导意义。

关键词：无功功率；电网损耗；电网调度

1 引言

无功功率的最优分配包括无功功率负载的最优补偿和无功功率的最佳分配。电力系统电压控制和无功功率优化是交互式的，合理的无功潮流分配是保持电压稳定性的先决条件。无功功率流动导致系统中的电压降并引起电力系统节点电压的变化，如果节点处的无功功率太高，电压将上升；相反，如果节点处的无功功率不足，则电压水平将下降。优化无功补偿状态下运行的配电网可以减少线损，提高节电水平和改善电源的可靠性，改善电压分配和功率分布，延长电力设备的使用寿命，带来巨大的经济效益和社会好处。

2 补偿方案与补偿要求

电网中常用的无功补偿方式包括:单台电动机就地补偿、集中补偿、分组补偿，增加无功补偿设备不仅可以降低功耗，提高功率因数，还可以充分发挥设备传输功率的潜力。从外部特性和各种指标以及用户反映的情况来看，现有的无功功率自动补偿器主要存在以下问题：（1）并联电容器的过补偿；（2）现有设备大多使用交流接触器作为投切开关；（2）当切换电容器时这些交流接触器可能由于电弧的重新点火而过电压，并且动作的数量是有限的;控制线路主要由分立组件组成，这种无功功率补偿装置可靠性差，使用寿命短，并且在电网中容易产生谐波电流；（3）易引起谐波放大；（4）抗干扰能力差，故障率高。

任何配电网络都会吸收一定量的无功功率。为了尽量减少无功功率的传输损耗，提高配电设施的效率，无功补偿的配置应该基于“分级补偿，局部平衡”的原则布局。无功补偿的基本原则和要求总结如下：（1）电力等级补偿，地方平衡的基本原则；（2）分散补偿与集中补偿相结合，主要基于分散补偿；（3）保持每个节点的电压合格，并留下足够的无功功率；（4）注重区域协调经济，确保全球电网优化；（5）应充分考虑全球电压稳定性的需要；（6）无功补偿应具有常规控制和应急控制功能；（7）避免调整设备的频繁动作；（8）满足不同的电压调节方法；（9）引入闭锁以确保电网安全运行。

3 总体方案

对于配电网的实际无功功率和功率因数，电网相电压、线路电压等参数和各种无功补偿装置的缺点，提出配电网无功补偿器采用两级优化控制：采用单点和多点结合的优化算法进行系统优化，上位机采用工控机，多台单机系统通过下位机发送的信息协同工作，使系统达到最优补偿和提高经济效益。单机单点设计主要对电抗补偿量进行无级调节，对三相负荷进行均荷控制，有效减少电压和电流谐波的产生，使用高性能工业智能微电脑控制系统。重点是硬件和软件设计中的系统干扰防御能力，提高可靠性和控制精度。

图1显示了整个系统的独立操作模块。整个系统的核心是工业级16位微控制器，它负责电网相电压，相电流，线电压，功率因数和工作环境温度数据，完成收集无线通信模块的操作和光电隔离及晶闸管输出控制的正常操作。每个主模块的主要操作条件和功能如下:工业16位微处理器是该模块的核心。测试模块，输出模块和数据处理模块的所有芯片，发送器和组件都焊接到电路板上。提高整体系统可靠性。电路CAD技术用于局部优化和优化整个硬件电路设计，以防止高频干扰。通信模块单独屏蔽，以确保数据传输的可靠性，作为独立模块通过数据接口接插使用。在软件设计中，数字整定电位器的新方法不仅简化了系统硬件，而且使参数设置更直观，调试更容易。三段补偿方法用于补偿变送器非线性并提高测量精度。执行器使用非接触式的双向晶闸管。两级控制系统的原理图如图2所示。电网的无功功率优化补偿器下位机控制器收集电网的无功功率状态参数。单点控制器通过无线通信接口SST-900识别系统信息，并将其发送给上位机，同时，单点无功功率补偿控制器通过光电隔离输出模块对电力系统的所在点进行无功补偿。上位机综合分析接收到的多个点电网信息，每个独立系统都通过高度优化的无功功率补偿算法进行调整，以实现整个系统所需的最好控制效果。接下来，无功补偿控制器通过上位机的优化数据对单点电抗器进行控制和调整，最终实现无功功率全局优化补偿的效果。

图1 总体方案单机工作模块图 图2 多机协同控制原理图

4 配电网无功补偿的无级调节的实现

使用无触点控制的无功功率补偿装置在电容器的无级投切存在缺陷，其中大多数使用控制触发角来控制投切电容量，这会引入更高的谐波和更高的冲击电流，从而缩短晶闸管的寿命，因此无法完全实现无触点控制的优势。为了克服上述缺点，相应的触发回路设计有专用的过零触发芯片，消除了无触点开关切换电容时产生的冲击电流。通断率控制用于控制电容器的开关，这不仅减少了对电网的谐波污染，而且实现了无级调节的目标

投入时刻的选取:TSC置于电容器上的时间，即当晶闸管导通时，必须是当电源电压等于电容器的预充电压时。一般来讲，希望电容器预先充电电压为电源电压的峰值，而且将晶闸管的触发相位也固定在电源电压的峰值点。根据电容器的特性方程 ， 如果在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容时，由于在这一点电源电压的变化率(时间导数)为零，因此，电流ic即为零，随后电源电压(也即电容电压)的变化率才会按照正弦规律上升，电流ic即按正弦规律上升。这样，整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。这就是所谓的理想投入时刻。

5 小结

多节点协作无功功率补偿最优控制目前所有的研究都只提出了一种理论上寻求整体最优性的优化算法，并且在多节点网络工作模式下仍然缺乏实际的工程实现，并且有必要研究实际多节点现场环境中无功补偿器的工作状态。

参考文献:

陈衍编．电力系统稳态分析[M]．北京：中国电力出版社，2007:2(3)．

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[3] 张斌.配电系统用户端无功补偿器的开发研究[J].机车电传动，第2期，2001:27～30

[4] 邵斌，李柄.谐波电流对低压并联电容器的危害[N].电力学报，第54期，2001:65～ 68

基金项目：滨州学院青年人才创新工程科研基金项目（BZXYQNLG2018013）

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