电气系统规划
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日期：2016年月
电力系统无功补偿
1.引言
现代生产和生活离不开电力，电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需要，而且也要满足对电能质量上的要求。

所谓电能质量，主要是指所提供电能的电压、频率和波形是否合格，在合格的电能下工作，用电设备性能最好、效率最高，电压质量是电能质量的一个重要方面，同时，电压质量的高低对电网稳定、经济运行也起着至关重要的作用。

随着配电网负荷以及电源的大幅增加，不但改变了电力系统的网络结构，也改变了系统的电源分布，造成系统的无功分布不尽合理，大量的无功在低压线路中流动，导致配电变压器和配电线路的供电能力降低。

因此，降低网损、提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一。

供电电压质量是电力系统电能质量的重要指标之一，而供电电压质量的好坏主要取决于电力系统无功潮流分布是否合理。

所以，电力系统无功功率优化和无功功率补偿就构成了电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分，通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以维持电压水平和提高电力系统运行的稳定性，而且可以降低有功网损和无功网损，提高供电效率，使电力系统能够安全经济运行。

2.无功源最佳配置
无功源的合理配置能为系统提高充足的无功储备，以保证电力系统维持安全合理的电压水平。

因此，无功源的最佳配置在技术和经济上都是十分重要的。

无功源优化配置是一个非线性的混合整数规划间题，它的特点是既保持了电网中变量的整数性质，又完整地包括了对潮流的物理模拟，可以在对电网投资进行优化的同时优化运行方式。

根据解决问题的侧重点不同，对最优配置提出的方法也不同。

同样，如果以后还需要解决具体的无功源配置问题，就应该根据问题的特点提出新的方法，以获得无功源配置最优。

3.无功优化
无功优化是在系统网络结构和系统负荷给定的情况下, 通过调节控制变量
使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。

无功优化能使电能质量、系统运行的安全性和经济性很好的结合在一起。

无功优化常见的模型有经典的数学模型和电力市场下的数学模型。

经典模型的目标函数有多种考虑角度: 从经济性角度出发是考虑系统的网损最小。

从系统安全性出发是考虑选取节点电压偏离规定值的最小目标函数。

还有就是同时考虑经济性和安全性的多目标函数。

随着电力市场理论的完善及其推广, 专家学者意识到无功合理定价的重要性, 此优化模型考虑了无功发电成本和无功补偿器的成本等, 对于无功优化问题的结
果有一定修正作用, 适应电力市场需求。

模型建立好之后, 随即要解决的是对模型的控制算法。

经典的控制方法有梯度类算法、牛顿法、二次规划法和线性规划法等。

人工智能控制算法常见的有模拟退火法、遗传算法、人工神经元网络算法、禁忌搜索算法、蚁群寻优算法等。

虽然上述的各种模型和控制方法有些已经投人实际应用并取得了较好的效果,
无功优化仍有以下一些问题需要解决:
（1）无功优化是非线性问题, 而非线性规划常常收敛在局部最优解, 如何求出其全局最优解仍需进一步研究和探讨。

（2）由于以网损为最小的目标函数, 最终求得的解可能有不少母线电压接近于电压的上限, 而实际运行部门又不希望电压接近于上限运行。

如果将电压约束范围变小, 可能造成无功优化的不收敛或者要经过反复修正、迭代才能求出解。

如何将电压质量和经济运行指标相统一仍需进一步研究。

（3）无功优化的实时性问题。

伴随着电力系统自动化水平的提高, 对无功优化的实时性提出了很高的要求, 如何在很短的时间内避免不收敛, 求出最优解仍需进一步研究。

4.无功补偿
无功补偿可看作是无功优化中的应用实例部分, 它通过调节电容器的安装
位置和电容器的容量, 使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。

合理的无功补偿点的选择以及补偿容量的确定, 能够有效地维持系统的电压水平, 提高系统的电压稳定性, 避免大量无功的远距离传输。

4.1配电网的无功补偿
现有的配电网无功补偿方案有以下四种：变电站集中补偿方式、低压集中补偿方式、杆上无功补偿方式、用户终端补偿方式。

（1）变电站集中补偿其主要目的是改善输电网的功率因数、提高终端变电所的电压和补偿主变压器的无功损耗, 这些补偿装置一般连接在变电站的10k V 母线上, 因此具有管理容易、维护方便等优点, 但是这种方案对配电网的降损作用很小。

（2）低压集中补偿它是目前国内比较普遍采用的一种方式, 它是在配电变压器380 V侧进行集中补偿, 其主要目的是提高专用变压器用户的功率因数, 实现无功就地平衡。

这种方案虽然有助于保证用户的电能质量, 但对电力系统并不可取, 因为,虽然线路的电压波动主要由无功量的变化引起, 但线路的电压水平是由系统线路的电压等级决定的,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差甚远, 出现无功过补偿或欠补偿。

（3）杆上无功补偿主要是针对10k V馈线上沿线的公用变压器所需无功进行补偿,因其具有投资小、回收快、补偿效率较高、便于管理和维护等优点, 适合于功率因数较低且负荷较重的长配电线路, 但是因负荷经常波动而该补偿方式是长期固定补偿, 故其适应能力较差, 主要是补偿了无功基荷, 在线路重载情况下补偿度一般是不能达到0.95。

（4）用户终端分散补偿其是在用户负荷所在的位置就地补偿, 这种方式较前三种方式能大大减少线损、改善电压质量、提高系统供电能力。

缺点是由于低压无功补偿通常按配电变压所低压侧最大无功需求来确定安装容量, 而各配电变压器负荷波动的不同时性造成了大量电容器在较轻载时的闲置, 设备利用率不高。

当380V低压线路较长且负荷较重而只对大负荷就地补偿时, 线路中仍有大量无功在线路中流动。

由于低压配电网的线路布线较混乱，所以如何将“ 三分二法则” 和用户终端补偿结合起来实现真正意义上的分散无功补偿还是一个空白领域, 而且其作为低压线路降损的重要手段之一是亟待研究的。

4.2企业最佳无功补偿容量
低压集中无功补偿和用户终端分散补偿方式由于各自的缺点, 都没有指出
其最佳补偿容量为多少, 而一般专用变压器用户和终端分散补偿的对象都是企业, 进行无功补偿的最终目的应使企业的电气设备年运行支出费用最小。

4.3 无功负荷的最优补偿
无功功率最优分布包括无功电源的最优配置和无功负荷的最优补偿。

两者都是以网损微增率为衡量标准。

无功源最优分布的基本准则是等网损微增率准则, 无功负荷最优补偿的基本准则是最优网损微增率准则, 但二者缺乏内在联系, 因此在进行无功功率的最优分布时必须反复迭代, 计算工作量大。

4.4 配电网无功补偿遇到的问题
（1）优化问题无功优化配置的目标是在保证配网电压水平的同时尽可能降低网损。

由于它要对补偿后的运行费用以及相应的安装成本同时达到最小化, 计算过程相当复杂。

为此曾采取了许多假设, 比如固定负荷水平、统一线径、把树状配电网简化成梳状网, 显然这样的结果并不理想。

（2）量测问题目前10kV配电网的线路上的负荷点一般无表计, 且人员的技术水平和管理水平参差不齐, 表计记录的准确性和同时性无法保证。

这对配电网的潮流计算和无功优化计算带来很大困难。

（3）谐波问题由于电容器有放大谐波的副作用, 当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且将使系统的谐波干扰更严重。

因而做无功补偿时必须考虑谐波治理, 在有较大谐波干扰、又需要补偿无功的地点,应考虑增加滤波装置。

（4）无功倒送问题无功倒送会增加配电网的损耗, 加重配电线路的负担, 是电力系统所不允许的。

很多厂家为了节约成本, 往往只选择一相做采样和无功分析。

于是在三相负荷不平衡的时候, 就有可能造成无功倒送。

至于采用固定电容器补偿方式的用户, 则可能在负荷低谷时造成无功倒送, 这应引起充分考虑。

5. 总结
在电力系统的实际运行中, 电力系统的负荷是动态连续变化的, 因此无功优化和无功补偿应根据实际情况动态补偿。

这种思想也符合柔性交流输电系统的理论, 其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中, 以增强对电力系统的控制能力, 提高原有电力系统的输电能力。

同时伴随着电力市场的实行, 无功定价理论的逐渐成熟, 无功优化及其动态补偿理论也将逐步完善。