梁延旗，胡一峰，朱 磊

（1.中鋼集團工程設(shè)計研究院有限公司石家莊設(shè)計院，河北石家莊050021；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082；3.安徽天沃電氣技術(shù)有限公司，安徽合肥 230031）

1 引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，大量的感性與非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)，給系統(tǒng)造成了一定的無功和諧波污染。變壓器和輸電線纜在某種意義上說也是一種污染源，它們在工作的過程中會產(chǎn)生感性或容性的無功流入系統(tǒng)，影響系統(tǒng)功率因數(shù)的考核。啟備變是一種特殊的變壓器，它是主要為發(fā)電機、主變壓器等設(shè)備啟動提供電源的一種電源變壓器。啟備變一般在電廠應(yīng)用較多，是在主用的變壓器事故、故障、檢修、雷擊跳閘等情況時，啟備變帶負(fù)荷運行，以保證電網(wǎng)運行穩(wěn)定。

由于啟備變工作模式的特殊性，其長期處于熱備用狀態(tài)。通常情況下，啟備變高壓側(cè)電壓等級高且電纜線路較長，這導(dǎo)致電纜對地充電無功功率較高，此部分容性電容難以被變壓器自身感性無功和低壓負(fù)載運行所需的感性無功所抵消，導(dǎo)致在電力公司考核點側(cè)功率因數(shù)很低，僅為0.5以下，力調(diào)電費罰款嚴(yán)重[1]。

在電力系統(tǒng)中，并聯(lián)無功補償裝置是用于改善線路功率因數(shù)的一種常用技術(shù)。由于在含啟備變配電網(wǎng)中，功率因數(shù)計量點通常在電力公司側(cè)，而電力公司到啟備變通常是由幾千米的高壓電纜連接，這部分電纜產(chǎn)生的對地充電功率受負(fù)荷率大小、系統(tǒng)電壓高低、電纜種類等多方面因素影響，這就使得用戶對這部分倒送的無功功率不可控制，難以很好地補償。與啟備變配電系統(tǒng)類似，季節(jié)性生產(chǎn)作業(yè)工廠、城市公共樓宇和大型學(xué)校等在淡季負(fù)荷很小、夜晚無負(fù)荷以及節(jié)假期間，高壓側(cè)充電無功功率導(dǎo)致的功率因數(shù)低問題都難以解決，存在很多罰款現(xiàn)象，給企業(yè)帶來了不必要的損失。

本文正是基于這一背景，研究了一種基于開環(huán)控制的啟備變電源系統(tǒng)無功補償控制策略，并通過仿真，驗證了該控制策略的合理性與科學(xué)性，為類似工程問題拓展了解決思路，對傳統(tǒng)無功補償裝置控制策略進行了一次有意義的擴充和完善。

2 基于啟備變系統(tǒng)阻抗模型的無功潮流分析

2.1 啟備變系統(tǒng)阻抗模型

電力系統(tǒng)簡化電路如圖1（a）所示，其數(shù)學(xué)模型如圖 1（b）所示[2]。

圖1 電力系統(tǒng)簡化電路及數(shù)學(xué)等效模型

設(shè)負(fù)荷側(cè)A點總視在功率為：

變壓器繞組中功率損耗：

則線路末端視在功率：

考慮到線路充電電容分布在線路兩端，則電纜充電功率為：

電流流過電纜會在其線路上產(chǎn)生損耗，則線路損耗為：

其中，SL=SB-QLC。

則公共連接點處視在功率：

由以上關(guān)系可以得到P C C點功率因數(shù)：

2.2 無功潮流分析

啟備變系統(tǒng)功率因數(shù)高低可在三種工作模式下分別研究[3]：

（1）空載熱備用

空載熱備用是此類系統(tǒng)的長期工作狀態(tài)，此時無功的來源有變壓器維持自身自感所需要的無功以及啟備變高壓側(cè)電纜的充電容性無功。由于啟備變熱備用時無負(fù)荷，有功功率主要來源于線路損耗和變壓器銅耗，這相比整個系統(tǒng)的無功功率來說很低，導(dǎo)致了高壓側(cè)供電局考核點功率因數(shù)只有0.3左右。

（2）輕載運行

啟備變在機組檢修時帶輕載運行，此時主要負(fù)荷為照明、水泵和風(fēng)機等必要工作設(shè)備，有功和無功都有所增加。此時無功的來源主要有電纜對地的容性無功、變壓器感性無功和照明風(fēng)機等負(fù)荷的少量感性無功。但是由于負(fù)荷多為小功率感性負(fù)荷，有功功率雖有所增加，但無功功率依然很大，功率因數(shù)不能達(dá)標(biāo)。

（3）滿載運行

發(fā)電機組啟動，啟備變滿載運行。此時啟備變?yōu)槿珡S負(fù)荷供電，有功功率達(dá)到最大且有功的增幅大于無功的增幅，系統(tǒng)功率因數(shù)最高。根據(jù)變壓器負(fù)載率的不同，此時考核點功率因數(shù)會有差別。盡管此時功率因數(shù)可能滿足要求，但此工作模式通常只有幾個小時，以致啟備變系統(tǒng)考核點月平均功率因數(shù)仍然很低。

根據(jù)啟備變系統(tǒng)無功潮流分析可得示意圖如圖2[4]所示。

圖2 啟備變系統(tǒng)無功潮流示意圖

3 啟備變系統(tǒng)仿真研究

3.1 負(fù)荷有功功率變化對（電力公司）考核點功率因數(shù)的影響

根據(jù)上述系統(tǒng)模型，對某啟備變系統(tǒng)進行仿真。其中系統(tǒng)額定電壓110k V，長度為80k m，采用L G J—150電纜，其參數(shù)為r0=0.21Ω/k m，x0=0.416 Ω/k m，b0=2.74×10-6S/k m。變電所中裝有一臺三相110/11k V的變壓器，容量為15M V A，其參數(shù)為ΔP0=40.5k W，ΔPS=128kW，US%=10.5，Ⅰ0%=3.5。設(shè)負(fù)荷無功功率不變，有功功率變化，得到負(fù)荷有功功率和P C C點功率因數(shù)關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 負(fù)荷有功變化對P C C點功率因數(shù)影響曲線

由仿真結(jié)果可以看出，隨著負(fù)荷有功功率的增大，系統(tǒng)功率因數(shù)增加，當(dāng)負(fù)荷有功足夠大時，P C C點功率因數(shù)為1。在啟備變系統(tǒng)中，只有當(dāng)機組啟動，啟備變帶高負(fù)載時，系統(tǒng)功率因數(shù)才可能達(dá)標(biāo)，這個過程通常比較短暫。負(fù)荷有功功率的大小雖然可以對P C C點功率因數(shù)產(chǎn)生一定的影響，但在考慮治理裝置時，我們不能為了提高考核點功率因數(shù)而增大負(fù)載有功，這樣既不滿足系統(tǒng)正常運行需要，也不滿足經(jīng)濟性要求。

3.2 負(fù)荷無功功率變化對（電力公司）考核點功率因數(shù)的影響

根據(jù)以上系統(tǒng)參數(shù)，研究在有功一定的情況下，負(fù)載無功（感性）變化對P C C點功率因數(shù)的影響，得到圖4仿真曲線。

圖4 負(fù)荷無功變化對P C C點功率因數(shù)影響曲線

仿真參數(shù)中負(fù)載有功功率很小，這和啟備變長期熱備用狀態(tài)類似。由仿真結(jié)果可知：在負(fù)載有功功率一定的情況下，隨著負(fù)載無功功率的增大，P C C點處功率因數(shù)會先增大后減小。當(dāng)負(fù)載有功和無功均為0時，相當(dāng)于啟備變空載熱備用，此時考核點功率因數(shù)為0.72左右，這主要是線路充電無功導(dǎo)致的。當(dāng)負(fù)載無功功率增大到某一臨界值，P C C點處感性無功功率和電纜充電容性無功功率相抵消，此時考核點功率因數(shù)為1，達(dá)到最高。若此時無功功率繼續(xù)增大，考核點功率因數(shù)會降低，在極限情況下，功率因數(shù)為0。根據(jù)此仿真結(jié)果，若在負(fù)載側(cè)增裝無功補償裝置，控制其輸出的無功功率在功率因數(shù)臨界點，并可根據(jù)負(fù)載有功的變化在容性和感性之間動態(tài)輸出，則可以起到調(diào)節(jié)考核點功率因數(shù)的作用。

3.3（電力公司）考核點電壓變化對考核點功率因數(shù)的影響

設(shè)系統(tǒng)考核點電壓在-10%～10%額定電壓內(nèi)變化，負(fù)載功率不變。由此可得線路充電無功功率、考核點功率因數(shù)與電壓變化曲線如圖5所示。

圖5 考核點電壓變化對P C C點功率因數(shù)影響曲線

由仿真結(jié)果可知，線路充電功率的大小和線路電壓的平方成正比例關(guān)系，隨著考核點電壓的升高，線路充電功率逐漸增大。在負(fù)載不變的情況下，隨著線路充電功率的增大，考核點向系統(tǒng)倒送的容性充電無功也在增大，這將導(dǎo)致其功率因數(shù)降低。仿真結(jié)果中，負(fù)荷功率S1gt;S2gt;S3，隨著負(fù)荷功率的增加，考核點功率因數(shù)也會相應(yīng)增加，可見考核點功率因數(shù)與系統(tǒng)阻抗參數(shù)、負(fù)載電壓、電流等因數(shù)有關(guān)，如何對這三個約束條件的有效檢測和控制，是提升考核點功率因數(shù)的關(guān)鍵。

4 無功控制策略的研究

4.1 控制策略

圖6 控制策略流程圖

通過計算可得到考核點功率因數(shù)與其關(guān)聯(lián)變量之間對應(yīng)關(guān)系?？刂浦卫硌b置補償無功功率的輸出，既可實現(xiàn)控制考核點功率因數(shù)的目標(biāo)。需要注意的是，在系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行范圍內(nèi)，各變量需滿足一定約束條件。其中根據(jù)G B/T12325-2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》[7]所規(guī)定，35k V及以上供電電壓偏差絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%，既在啟備變系統(tǒng)處于空載熱備用狀態(tài)下，其供電額定電壓不得超過國標(biāo)要求的范圍。

4.2 控制策略的仿真研究

M C R型S V C接入系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖7 MC R型S V C接入系統(tǒng)示意圖

根據(jù)上述控制策略，仿真可得M C R型S V C投入后其輸出功率曲線如圖8所示。

在電力系統(tǒng)中，并聯(lián)無功補償裝置是提高系統(tǒng)功率因數(shù)的一種有效手段。由于啟備變系統(tǒng)工作模式多變，有功功率很小無功功率很大，想把功率因數(shù)鎖定在一個較高的數(shù)值是比較困難的。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源型靜止無功補償裝置（S V G）已經(jīng)普遍使用，它即可以輸出容性無功也可以輸出感性無功，且補償過程中可以實現(xiàn)無級動態(tài)補償。但由于啟備變系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)電壓等級較高，采用S V G成本較高，經(jīng)濟性差。而使用傳統(tǒng)并聯(lián)固定電抗器又無法根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的變化實時調(diào)節(jié)，難以保證功率因數(shù)在一個較高的數(shù)值。因此，采用M C R型S V C可以較好的解決這一問題。它可以實時檢測負(fù)載電壓、電流等參數(shù)，通過控制器運算相應(yīng)的控制變量，對電容器組和磁控電抗器實施快速準(zhǔn)確控制?？刂破魍ㄟ^自動調(diào)節(jié)磁控電抗器的晶閘管控制角，改變繞組直流電流大小控制鐵芯飽和，實現(xiàn)電抗值連續(xù)可調(diào)，進而平滑調(diào)節(jié)磁控電抗器容量以達(dá)到準(zhǔn)確可靠的平衡系統(tǒng)無功、穩(wěn)定母線電壓和鎖定功率因數(shù)。在啟備變空載熱備用時，M C R也可以輸出感性無功以消除電纜充電無功功率。因此，M C R型S V C可以有效的解決啟備變系統(tǒng)無功問題。但是，傳統(tǒng)的M C R型S V C控制策略多為閉環(huán)控制，即檢測考核點側(cè)電壓電流信號，控制一次側(cè)補償電流輸出。由于啟備變系統(tǒng)功率因數(shù)考核點多在較遠(yuǎn)處供電局側(cè)，此信號無法采樣，因此閉環(huán)控制策略不適用與長距離輸電線路末端補償?shù)南到y(tǒng)。

在開環(huán)控制方式下，只需對負(fù)載側(cè)電壓電流信號進行采集和分析，避開了考核點采樣信號無法采集這一困難。通過對實際系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，結(jié)合負(fù)載側(cè)功率潮流，控制器控制治理裝置輸出滿足考核點功率因數(shù)要求的容性或感性無功，起到間接性閉環(huán)控制的作用。由上述仿真研究可以知道，在系統(tǒng)參數(shù)、線路參數(shù)、變壓器參數(shù)等一定的情況下，考核點功率因數(shù)受負(fù)載電壓、電流影響，通過控制啟備變低壓側(cè)電流、電壓則可對P C C點功率因數(shù)起到間接性閉環(huán)控制，控制流程圖如圖6。

圖8 治理裝置投入后輸出功率曲線

由仿真結(jié)果可知：M C R型S V C可根據(jù)負(fù)載變化，輸出感性或容性無功功率，以平衡系統(tǒng)無功，保證考核點功率因數(shù)高于0.92。值得注意的是，由于治理裝置采樣的電壓電流信號來自互感器二次側(cè)，當(dāng)電流信號較小時，互感器的采樣精度將會受到一定的影響，這使得治理裝置的輸出也會受到一定的影響，因此，含啟備變系統(tǒng)想要將考核點功率因數(shù)補到一個很高的數(shù)值是一件極其困難的事情。

5 結(jié)束語

含啟備變系統(tǒng)的無功補償是一類較難解決的工程問題，本文從含啟備變系統(tǒng)工作模式入手，討論了其考核點功率因數(shù)偏低的原因，并在此類系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了在不同工況下的功率潮流以及負(fù)荷功率變化對考核點功率因數(shù)的影響。最后提出了一種采用M C R型S V C解決該問題的基于開環(huán)控制的無功補償控制策略，并通過仿真證明了其科學(xué)性和可實施性。

此解決方案及控制策略不僅適用于啟備變系統(tǒng)，它對于含遠(yuǎn)距離輸電線路及變壓器長時間輕載的系統(tǒng)同樣適用。值得注意的是，此種治理方案的應(yīng)用需詳細(xì)了解系統(tǒng)及負(fù)荷參數(shù)，以便準(zhǔn)確地建立數(shù)學(xué)模型。這種基于開環(huán)控制的無功補償控制策略對此類系統(tǒng)治理裝置的設(shè)計將有一定的指導(dǎo)意義。

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[3]譚倫農(nóng)，張保會.輸電線路無功充電功率導(dǎo)致?lián)p耗的分?jǐn)倖栴}[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（4）：59.

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