论文部分内容阅读
【摘要】：电力系统的无功优化和无功补偿是提高系统运行电压和系统稳定水平的有效手段，因此也是电力系统研究的主要方向，本文对当前国内外的无功优化和无功补偿进行了总结，且对目前无功补偿和优化存在的问题进行了一定的探讨和研究。
【关键词】：无功优化；无功补偿；分散补偿；电压质量
1概述
随着现代化进程的加快，城市低压配电网正在迅猛发展。由于负荷的不断增加，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。这不仅导致电网功率因数降低，线损增大，引起末端电压低，使客户的用电质量受到影响，而且使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題，也是电力系统研究的主要方向之一。
2无功优化
2.1无功源最佳配置
无功电源规划是一个非线性的混合整数规划问题，它的特点是既保持了原变量的整数性质，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。
广义Bender分解法改变了以往无功电源规划中采用的对每种预想方式分别求解，并选取最大值作为最终解的方法，而是将所考虑的各种预想方式同列于一个模型中，然后用分解法进行求解。该方法对各种负荷方式、故障方式进行综合求解，所得出的无功电源配置能满足系统运行要求，并使系统拥有一个合理的电压水平。
先导节点的概念应用于电力系统无功配置，该方法可使无功源得到最有效地配置，通过对少量先导节点的监测和控制，无需建立复杂的系统监视全网所有节点的电压，即可实现对系统电压的控制。使得从全网的角度看，各节点电压偏移最小。
2.2无功优化
无功优化计算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（发电机的无功出力和机端电压水平、电容器组的安装及投切和变压器分接头的调节）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。经典的数学模型可以表示如下：
min f(u,x)；s.t.g(u,x)=0；h(u,x)≤0
其中：u为控制变量，它包括可人为调节的变量包括发电机节点无功功率、可调变压器的抽头位置、无功补偿设备的容量及PV和平衡节点的电压模值；x为状态变量。
无功优化仍有以下一些问题需要解决：
2.2.1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。
2.2.2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，而在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。
2.2.3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。
3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。
现有的配电网无功补偿方案有4种：a.变电站集中补偿方式；b.低压集中补偿方式；c.杆上无功补偿方式；d.用户终端补偿方式。
3.1变电站集中补偿：其主要目的是改善输电网的功率因素、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10KV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。
3.2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380V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素，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的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。
3.3杆上无功补偿：主要是针对10kV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。
3.4用户终端分散补偿就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的减少线损、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。
4配电网无功补偿遇到的问题
4.1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。为此曾采取了许多的假设，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。
4.2测量问题：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。
4.3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。
4.4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。
4结论
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相应改变并进一步完善。
【关键词】：无功优化；无功补偿；分散补偿；电压质量
1概述
随着现代化进程的加快，城市低压配电网正在迅猛发展。由于负荷的不断增加，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。这不仅导致电网功率因数降低，线损增大，引起末端电压低，使客户的用电质量受到影响，而且使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題，也是电力系统研究的主要方向之一。
2无功优化
2.1无功源最佳配置
无功电源规划是一个非线性的混合整数规划问题，它的特点是既保持了原变量的整数性质，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。
广义Bender分解法改变了以往无功电源规划中采用的对每种预想方式分别求解，并选取最大值作为最终解的方法，而是将所考虑的各种预想方式同列于一个模型中，然后用分解法进行求解。该方法对各种负荷方式、故障方式进行综合求解，所得出的无功电源配置能满足系统运行要求，并使系统拥有一个合理的电压水平。
先导节点的概念应用于电力系统无功配置，该方法可使无功源得到最有效地配置，通过对少量先导节点的监测和控制，无需建立复杂的系统监视全网所有节点的电压，即可实现对系统电压的控制。使得从全网的角度看，各节点电压偏移最小。
2.2无功优化
无功优化计算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（发电机的无功出力和机端电压水平、电容器组的安装及投切和变压器分接头的调节）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。经典的数学模型可以表示如下：
min f(u,x)；s.t.g(u,x)=0；h(u,x)≤0
其中：u为控制变量，它包括可人为调节的变量包括发电机节点无功功率、可调变压器的抽头位置、无功补偿设备的容量及PV和平衡节点的电压模值；x为状态变量。
无功优化仍有以下一些问题需要解决：
2.2.1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。
2.2.2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，而在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。
2.2.3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。
3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。
现有的配电网无功补偿方案有4种：a.变电站集中补偿方式；b.低压集中补偿方式；c.杆上无功补偿方式；d.用户终端补偿方式。
3.1变电站集中补偿：其主要目的是改善输电网的功率因素、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10KV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。
3.2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380V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素，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的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。
3.3杆上无功补偿：主要是针对10kV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。
3.4用户终端分散补偿就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的减少线损、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。
4配电网无功补偿遇到的问题
4.1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。为此曾采取了许多的假设，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。
4.2测量问题：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。
4.3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。
4.4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。
4结论
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相应改变并进一步完善。