智能电网建设中的无功优化技术

1、智能电网建设中的无功优化技术Reactive Power Optimization Technology of Smart Grid Construction余龙海YU Long-hai大力电工襄阳股份有限公司武汉技术中心 湖北省 武汉市 430074Xianfan Big Pawer Wuhan R&D Center, Wuhan, Hubei, 430074 China摘要：国家新能源发展战略中明确提出了智能电网的建设目标。为消除传统无功补偿设计方法所造成的布局不合理、利用率和效率低下等问题，电网无功优化与电压调节智能化无疑将是智能电网建设规划的重要组成部分。新的无功规划方案将涉及

2、电网无功补偿布局、实时监测与调配、新型计量与考核。新的无功补偿优化体系将对相关产业产生巨大的影响。关键词：智能电网；无功优化；实时功率因数考核；无功调度 Abstract: Country New energy development strategy has clearly put forward the construction goal of smart grid. On the next step of smart grid construction, grid reactive power optimization and voltage regulation Intellectua

3、lization will play an important role in solving the problem of irrational distribution,low utilization rate and ineffective by transitional var compensator design. New reactive power plan consists of grid var compensator distribution, real-time power monitoring and transfer, new type energy measurin

4、g and examination. New var compensator optimization system would have a great effect on relative industries.Key words: smart grid；reactive power optimization；real-time power factor examination ；reactive power dispatch1 引言国家新能源发展战略中明确提出了智能电网的建设目标。智能电网是由完整而灵活的网络拓扑构架、高级量测体系、完整可靠的通讯和信息交互系统、具有模拟仿真评估预测能力的

5、分析与调度系统、充分且可统一调配的分布式电源及抵抗灾害的能量后备系统、智能化的考核与交易系统等组成的一个完全智能化的电力网络。智能电网的设想产生于解决越来越多的分布式电源的接入并网运行而面临双向潮流等问题，而通讯和信息技术的发展为该设想的实现提供了技术保障。智能电网中的每一个用户和节点都可以做到实时监控，每一点上的电能和信息都可以双向流动，电能交易可以实时进行，信息可以实时交互。智能电网的特点是可靠的，事故后可以自愈的，电能质量稳定的，系统应用效率是最好的，系统调度是和谐的，和信息一样是可以储存的1。智能电网还能支持两个基本要求：以客户为关注点保证电能质量；高密度的分布式电源与电力负荷的有机融

6、合，以提高系统的整体性、效率和灵活性。通过电力流、信息流、业务流的一体化融合，实现多元化电源和不同特征电力用户的灵活接入和方便使用，极大提高电网的资源优化配置能力，大幅提升电网的服务能力，带动电力行业及其它产业的技术升级，满足我国经济社会全面、协调、可持续发展要求。智能电网建设规划，无疑将对电网无功补偿与电压调节进行智能化优化，以消除传统无功补偿设计方法所造成的布局不合理、利用率和效率地下等问题。新的规划方案将涉及电网无功补偿布局、实时监测与调配、新型计量与考核。智能配电网运行控制也将得到大幅提升，关键技术包括在配电网分散无功动态补偿基础上，通过通信进行全局无功优化补偿的技术，实现电网的节能降

7、耗。研究动态电压恢复、动态无功补偿等电能质量控制技术，提高运行和输送效率，降低运营成本；提高资产及投资利用率2。现有电网无功配置难于满足智能电网的建设的需要。2006年两大电网线损统计显示：累计发电量：22530.27亿千瓦时，累计销售电量：21069.95亿千瓦时，总计损失电量：1460.32亿千瓦时，占累计发电量的6.48%，相当于两个三峡电站的年发电量（三峡电站设计年发电量847亿千瓦时）；用电企业的网损失电量也不低于1500亿千瓦时。如此巨大的网损，其中不少于一半是由无功功率长距离、大容量输送贡献的，转化成了无功电流在输电线路、变压器的电阻中的发热。然而又有统计显示，在电网负荷高峰期，

8、近60%的电容器组不能投入运行，而在低谷负荷时却有近30%的电容器不能退出运行3。主要原因如下：一是我国几十年的无功管理思想落后，造成了电力系统的无功考核方法简单粗糙、无功布局不合理，不能保证实时实地无功平衡。二是所采用的无功补偿设备的技术水平低，一些变电站虽然安装了自动调节装置，但由于控制策略的设计不尽合理，在实际运行中未能充分发挥作用，开关投切电容器的投切速度低、调节性差、没有应对高次谐波能力、电寿命短等。三是无功补偿设备技术自动化程度低，不能满足电网无功优化控制的调度要求。电网无功优化调度是电网经济调度的重要部分，是各级电网企业应持续开展的节能降损最基本也是最重要的日常工作，能够充分挖掘

9、现有网络和设备的潜力。智能电网的建设规划无疑将对无功补偿技术提出新的更高的要求，该指导思想有一个最基本的认识上的进步，就是对电网无功平衡提出了全新的诠释：实时、实地、零传输。任何一个瞬间，发电厂、变电站、输电线路和用电负荷等网域的任何一个地方，无功功率都可以自己平衡，保证输变电线路及各电压层级之间传输无功功率为零，这才是实时无功功率平衡。只有做到实时无功功率平衡，才能保证优良的电压质量和较低的线路损耗。2 关于无功计量与考核2.1 无功考核4传统的无功考核办法“功率因数调整电费法”是水电部1983年12月2日鉴于电力生产的特点，用户用电功率因数的高低对发、供、用电设备的充分利用、节约电能和改善

10、电压质量有着重要影响而制定的无功考核办法，核心思想是按用户每月实用有功电量和无功电量，计算月度统计平均功率因数。现行的月度功率因数电量法没有考核用户的实时功率因数，所带来的直接后果就是用户的实时功率因数太低，电网长期流动着方向为发电厂、输电线路、变电站、用电企业的大功率无功潮流，既影响了电网的电压质量，威胁到电网的稳定运行，又造成了大量的电力浪费。“功率因数调整电费法”将因应智能电网的建设进程而面临改革，无功补偿技术的进步也将支持这一改革，这是大势所趋。无功考核的改革方向会高度重视实时功率因数，提高考核标准。改革后的无功考核将鼓励用电单位的即时用电功率因数达到1.0，鼓励电力需求侧无功实时平衡

11、，当然也会对低功率因数的用电单位征收惩罚性的无功电费。无功补偿技术的进步为实现电网无功实时、实地、零传输提供了技术支持，多种型式动态无功补偿装置层出不穷，质量稳定，价格合理，例如基于静止无功补偿器的静止无功补偿装置、基于磁控电抗器的静止无功补偿装置、基于晶闸管的低压电容器组自动投切装置、基于有载调压变压器的自动无功补偿装置、基于晶闸管直接控制电容器的静止无功补偿器等，都可以实现动态补偿，这就为考核用电的实时功率因数提供了技术保障。2.2 关于无功计量：实时功率因数与实时功率因数电能表要实现实时功率因数考核，电能计量装置当然也要进行改造，电能表计应采用反映实时用电功率的功率因数特征-实时功率因数

12、电能表代替传统的有功电度表，同时取消无功电度表。实时功率因数电能表，每个时刻的电流、电压采样与功率因数乘积算出有功功率，有功功率对时间的积分得出电能，把电能与对应时刻的功率因数关联起来，以确定考核电费。该表计改变了传统电能表一个月的电能量只有一个统计平均功率因数的特征，体现了电能量的实时功率因数特征。3 关于无功布局与调度3.1 智能电网的无功布局智能电网的建设规划中关于电网无功平衡的指导思想，将要求发、供、用电单位之间、各个电压层次之间，能够相互协调无功补偿和电压的调节。各级电网之间无功调节与电压保证之间的关系是：下级电网只要保证上级电网对其之间联络界面无功功率优化值调节的要求，上级电网就必

13、须保证下级电网的电压要求；用电企业只要保证电网对其供电界面无功功率优化值调节的要求（实时0平衡），电网就必须保证用电企业的电压要求。电力系统的发电厂、变电站、用电企业、输电线路4个元件应该各自做好无功就地补偿。发电厂：升压变压器高压侧实时无功值为0，还应该承担它所连接的输电线路无功功率总和的一半。输电线路：过剩无功功率在本线两端等量补偿，用电企业的输电线路自己平衡，发电厂与变电站必须接受输电线路无功过剩之和的一半。图1 电力系统简图变电站：升压变压器高压侧实时无功值为0，还应该承担它所连接的输电线路无功功率总和的一半。用电企业：企业用电的功率因数侧实既时无功值为0，企业供电的电动机机端、车间、

14、总降压变电站三级电网中应该作到无功分层平衡。3.2 电网无功优化及调度智能化5电力系统无功优化调度(ORPD)问题系指在电力系统无功电源较为充裕的情况下，通过调节发电机机端电压、调整变压器抽头变比、改变无功补偿装置的出力等措施来调整无功潮流，使得系统电压值达到合格值、同时全网有功损耗最小，ORPD问题有时也称为电力系统无功优化控制、电压无功优化控制、无功优化潮流问题。实时、实地、零传输的电网无功平衡思想是智能电网建设的最高追求，现实中的电网不可能做到，因此智能化无功优化调度系统将必不可少。因为在智能电网环境下，调度需要协调好节能、电能质量、市场、经济、安全等多个目标，要求对无功电压进行智能化优

15、化控制及管理。合理的无功优化调度，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，从而降低有功网损，减少发电费用。无功优化工作，无论在规划新系统，还是改造现有系统的无功配置，以及指导现有系统的无功设备运行上，都具有十分重要的意义。无功实时优化研究的关键问题首先是装置必需有一定的富裕容量且满足智能化要求，不仅动态连续可调，而且具有信息实时交互和无功协同能力；其次是电网必需有智能化的调度系统，实现实时高效的求解可操作性强的优化方案，以满足无功优化实时动态调度要求。跨节点的无功调配应优先在同级电压等级下遵循就近原则，避免无功跨越变压器传输，避免无功长距离传输。3.3 实

16、时潮流的配电网无功优化基于实时潮流的配电网无功优化调度系统以配电网有功损耗最小为目标进行实时无功运行优化，形成配电网高低压系统中各节点无功补偿设备自动控制配电网无功功率的优化运行。根据配电网各节点的实时运行数据对实时潮流进行优化计算。在优化模型中，该系统计及了实际负荷的无功一电压特性，增加了考虑负荷特性影响的节点电压稳定解析约束条件，同时计及了运行电压对无功补偿出力的影响。实时潮流的无功运行优化策略：以任一节点实时潮流为基础，连续动态调节无功补偿容量。4 动态无功补偿技术4.1 静止动态无功补偿装置(SVC)静止动态无功补偿装置(SVC)是以晶闸管作为开关器件，通过晶闸管将电容器组或电抗器快速

17、投入切除，实现动态无功补偿，它要求电容器组和电抗器的容量与补偿容量相当，并且动态响应较快。它属并联型控制器，目前主要有以下3种类型，一种是晶闸管投切电容器(TSC) 型静止动态无功补偿装置(SVC)，一种是晶闸管控制电抗器(TCR) 型静止动态无功补偿装置(SVC)，一种是晶闸管控制的磁控电抗器(MCR) 型静止动态无功补偿装置(SVC)。4.1.1 TSC型静止动态无功补偿装置(SVC)TSC型 (SVC)的基本原理是并联的电容按照一定的容量划分为许多合适的单元，每一组三相单元可以通过两组双向晶闸管独立的投人/退出运行。在工作过程中，晶闸管电压过零触发导通，这样可以避免冲击电流，延长电容、晶

18、闸管开关的使用寿命。TSC主要用于中、低压系统无功补偿和电压调节，是既经济又可靠的静止动态无功补偿装置。但是TSC也有一定的局限：主要是补偿容量是不连续的，经常出现过补偿和欠补偿的情况,因此一般需要多组并联使用，通过增加级数提高控制精度。如图2所示TSC的基本原理。图2 TSC的基本原理4.1.2 TCR型静止动态无功补偿装置(SVC)TCR型静止动态无功补偿装置(SVC)的基本结构就是将两个反向并联晶闸管与电抗器串联，三组连接一个三角形，之后与电网连接，通过控制晶闸管的导通角来控制无功功率大小，实现无功功率的连续调节。大多数情况下，TCR与几组调谐FC组合使用，成为TCR型静止动态无功补偿装

19、置（SVC）。TCR/FC的补偿容量按照系统的最大需求选择, 动态补偿的实际输出容量符合减法原则。TCR型SVC补偿容量是连续可调的，灵敏度一般在10ms以内。缺陷在于装置成本较高，适用于中高压电力系统的静止动态无功补偿。如图3所示为一个典型的TCR型静止动态无功补偿装置的主回路，该装置应用于消除电弧炉供电系统的电压波动与闪变。图3 TCR型SVC主回路4.1.3 MCR型静止动态无功补偿装置(SVC)MCR型静止动态无功补偿装置(SVC)的基本原理就是饱和电抗器的原理，通过控制电抗器铁心的饱和程度来调节主回路电抗值的大小，从而调节无功功率大小，实现调节无功功率的目的。与TC R一样，大多时候

20、与几组调谐FC混合使用，成为MCR型SVC。MCR/FC的补偿容量按照系统的最大需求选择, 动态补偿容量符合减法原则，补偿容量是连续可调的，缺陷在于反应较迟钝，一般在200ms，适用于中高压电力系统的静止动态无功补偿。图4 MCR原理接线图4.2 静止无功发生器（STATCOM）6静止无功发生器（STATCOM），是用更先进的全控型器件(GTO、IGBT、IGCT等)构成的电压源逆变器为核心，通过电子回路模拟出电抗或电容的作用行动态无功补偿的装置，STATCOM的调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或脉冲宽度调制（PWM）技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。STATCOM

21、不需要大型的电力设备，体积减小了，同时性能得到提升。图5 静止无功发生器原理整个STATCOM装置相当于一个电压大小和相位可以控制的电压源，根据工作原理的分析，STATCOM的电压-电流特性如图所示。改变控制系统的参数（电网电压的参考值Uref）可以使得到的电压-电流特性上下移动，但是可以看出，与SVC的电压-电流特性不同的是，当电网电压下降，补偿器的电压-电流特性向下调整时，STATCOM可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流ILmax和 Icmax 维持不变，仅受其电力半导体器件的电流量限制。而对SVC系统，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容

22、器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。 图6 STATCOM的补偿特点另外，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源（如蓄电池组），STATCOM还可以在必要时短时间内向电网提供一定数量的有功功率，这对于电力网来说是非常有益的，这是SVC装置所不能比拟的7。4.3 统一潮流控制器(UPFC)如图7所示，UPFC是由STATCOM和静止同步串联补偿器SSSC基于共同的直流链路藕合形成，允许有功功率在STATCOM和SSSC的交流输出端双向流动，并在无需任何附加储能或电源设备的情况下即可同时进行有功和无功功率补偿的一种串、并联组合型FACIS控制器。UPFC具有全面的补偿功能，不但能提供独立可控的并联无功功率补偿，而且可以通过向线路注人相角不受约束的串联补偿电压，同时或有选择性地控制传输线上的电压、阻抗和相角，实现有功和无功潮流控制。图7 统一潮流控制器(UPFC)原