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摘要:无功平衡对整个电力系统安全稳定的运行起着至关重要的作用。本文先后阐述了无功的产生、补偿容量的确定及各种补偿方式的应用,又对无功优化控制做了简要概述,提出了建立无功市场的管理方法和思路及交直流输电系统中无功补偿容量的协调机制。
关键词:电力系统无功平衡;补偿容量;无功优化
作者简介:陆浩(1985-),男,河南开封人,贵州大学电气工程学院硕士研究生,主要研究方向:电力市场。(贵州 贵阳 550003)郭滨钊(1978-),男,河南夏邑人,河南省夏邑县供电局信息中心,工程师,工程硕士,主要研究方向:电力工程、电力系统自动化、信息化。(河南 夏邑 476400)
基金项目:本文系2010年贵州大学研究生创新基金项目(项目编号:校研理工2010008)的研究成果。
由于电力负荷不断增加,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,甚至可能造成局部地区无功严重不足,进而导致地区电压水平普遍较低。当系统受到较大干扰时,就可能在电压稳定薄弱环节导致电压崩溃。因此,无功平衡成了目前一个急需解决的重要问题。为了改善和提高电力系统的电压质量,一方面在用户侧提高负荷功率因素;另一方面还应在电力系统的各变电站中合理配置无功补偿设备和调压装置,使无功负荷得到就地补偿,系统无功达到分区分电压等级平衡状态。系统对无功平衡的基本要求:系统中的无功功率电源可能发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需要的无功功率和网络中的无功损耗,同时为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长,系统必须配置一定的无功备用容量。
一、无功功率平衡概况
1.无功功率的产生
电力系统运行中无功负荷主要为三项:异步电动机、变压器和输电线路。这些电气设备在运行中,都需要一种功率作用于电路内电场与磁场,并建立和维持磁场,把这种功率定义为无功功率。凡是有电磁线圈的电气设备,要建立磁场,就要消耗无功功率。
2.无功平衡的条件
系统中无功功率电源可能发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗,同时为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长,系统必须配置一定的无功备用容量。系统中无功功率的平衡关系式为:QGC-QLD-QL=QRES;式中,QGC为电源发出的无功功率之和,包括发电机的无功功率QG∑和各种无功功率QC∑,即QGC=QG∑+QC∑;QLD为总无功负荷;QL为总网络无功功率损耗;QRES为无功功率备用。
当QRES>0,表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用;当QRES<0,表示系统中无功功率不足,应考虑加设无功补偿装置;当QRES=0,表示系统中无功功率刚好平衡,但当系统有小的干扰时将破坏这一平衡。
电力系统中一般要求发电机接近于额定功率因数运行,可按额定功率因数计算发电机所发出的无功功率。此时如系统的无功功率能够平衡,则发电机就保持有一定的无功备用,其他的无功补偿装置按额定容量来计算其无功功率。
二、电网规划的无功补偿装置的规划建设
1.补偿容量的确定
在进行电网规划时,首先要确定系统总的无功负荷。对于电力系统其无功负荷=K×最大有功发电负荷,(K值一般取1.3～1.4);地区的无功负荷=K×220kV及以下最大有功负荷。无功源的安装容量=1.15×无功负荷。因为无功补偿提倡就地补偿,所以主要是进行低电压配电网的无功补偿。对于低压网的无功补偿容量,主要是按其性能指标在变电站进行补偿计算,一般取变电容量的20%,其性能指标包括功率因素、线损、电压、补偿经济当量。
2.无功补偿源
确定无功安装容量后,按实际需求选择无功源。无功功率可以分别在发电、输电和配电三个环节上提供。可提供无功服务的无功源有发电机、同步调相机、SVC静止补偿器、并联电容器组、电抗器等。发电机和调相机具有动态无功补偿的能力,因此在维持其出口电压水平和保证系统安全性方面起着很重要的作用;输电网可以利用安装静止补偿器和并联电容器/电抗器等来提供无功功率服务,以保证网络的输电能力并且在不同的负荷情况下保证电力系统的电压质量。
3.低压配电网无功补偿方式
低电压配电网无功补偿方式有:变电站集中补偿方式、低压集中补偿方式、分散补偿方式和用户终端就地补偿方式。变电站集中补偿主要是针对输电网的无功平衡,改善输电网的功率因素、提供终端变电所的电压和补偿主变的无功损耗,其补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等。低压集中补偿方式是在配电变压器380V侧进行集中补偿,以提高专变用户的功率因数实现无功的就地平衡,主要采用微机控制的低压并联电容器柜进行补偿。而分散补偿方式则是在公用变压器低压侧或10kV配电线路上安装电力电容器进行补偿,减少无功的传输提高功率因数。用户终端就地补偿方式就是将0.4kV～10kV电压等级的电容器与电动机并联进行补偿。
在电网规划中,通过对电网进行潮流计算得出无功负荷量,除了发电机发电时发出的一些无功,系统还需要的无功主要是通过输电网和配电网中的一些无功补偿设备进行补偿。按照指标对无功补偿容量进行计算,以确定各点的无功缺额,从而安装无功补偿器进行补偿。
三、无功优化控制方法介绍
电力系统无功优化控制问题是一个复杂的非线性问题,具有大规模、多约束、多目标、控制变量离散等特性,加上电力系统的互联性、运行的瞬时性及动态性等因素的影响,给有效控制带来了困难。目前,电力系统无功优化控制主要有三种方式。
1.基于变电站VQC的分散控制方式
主要是通过安装在各个变电站或发电厂中的电压无功综合自动化控制装置(VQC)根据负荷的变化来相应的调节自动调节站内有载调压变压器的分接头位置或其他电压电压器、控制无功功率补偿设备。这种方式见效快,可以有效避免无功的远距离传输,实现局部地区的无功优化。
2.基于数值优化计算的集中控制方式
通过能量管理系统(EMS)中装设的电压无功优化计算软件来对地区电网中的各种调压资源进行控制,实现电压无功集中优化控制。它先通过SCADA系统采集系统各点数据建立实时数据库,再经软件的优化分析后将各设备的操作下达SCADA执行。其优化算法有:线性规划法、非线性规划法、动态规划法、人工智能法。
3.关联分散控制方式
这种方式是指电力系统正常运行时,由分散安装在各厂、站的分散控制装置或控制软件进行自动调控,调控范围和定值是从整个系统的安全、稳定、经济运行出发,事先由电压、无功优化程序计算好的,也可由调度中心直接操作控制。因为是在正常情况下进行的监控和调控,所以它能从根本上提高系统的可靠性和经济性。
四、无功市场的建立
1.无功市场的管理思路
除了负荷侧需要消耗无功外,电力系统有功的传输也离不开无功的支持,为此需要对无功进行管理以维持系统无功平衡。
传统的垂直一体化管理模式由于其公平性已经不适应现在的电力工业。现在电力工业的发、输、配分离使保证足够的无功支持以维持系统电压变得更加困难,这三块可能在不久的将来属于不同的公司,所以除非得到相应的补偿,各公司不会愿意以牺牲有功市场的份额的方式来提供无功支持。因此一种让无功支持者能得到适当补偿的激励机制对于市场环境中保证系统有足够的无功支持是不可缺少的。
有文章提到一种集中式的无功管理方案,主要就无功支持的获取及相应的成本两个问题提出了方案。把无功补偿源分为参与有功市场的发电机和单纯的无功补偿源并建立相应的成本模型及以最优化无功支持成本为目标函数的无功调度模型,然后给出一种无功结算方法。这种方法主要是基于电力市场化管理提出的一种有偿供应措施,为以后建立相应的无功交易市场提供了一种参考模型。
2.无功服务市场的建立
系统无功补偿容量确认后,又面临一个问题:在现在市场经济条件下,无功补偿是有偿供应还是无偿的?无功补偿设备到底由谁来负责投资?现在我国的无功供应都是电网公司强制要求发电厂提供一部分,各地再投入补偿器进行一定的补偿,且都是无偿提供的。这样不利于电力市场化的长期稳定运行,也不利于无功平衡。因为发电厂发出一定的无功还是需要成本的,且无功补偿器也需要很大的投入,从长远发展来看,无功肯定是需要收费的。因此需要建立无功服务市场对无功服务提供交易,以鼓励更多厂商加入无功补偿环节中来,这样不仅仅对市场经济有一定的好处,更对无功平衡提供了更安全的保障。
建立无功交易市场,电网公司根据系统潮流计算确定系统无功补偿点和无功需求后,各无功服务提供厂商按照自己的无功补偿设备上报技术指标、无功补偿容量和报价。电网公司根据上报数据,结合系统实际需求,选择供应商并与其签订无功补偿合约,在合约里说明补偿时间、地点、容量和价格。无功服务供应商按照合同对系统提供无功服务。
建立无功服务市场是通过市场化手段来刺激目前无功供应严重缺乏的一种手段,从市场方面解决无功平衡的问题。
五、交直流输电系统中无功补偿容量的协调
直流输电与交流输电一样需要进行无功补偿,其补偿容量的大小与相连的交流系统运行方式、直流系统运行和控制方式有关。在直流输电系统的换流站中,主要设备是环流变压器和晶闸管换流器,其无功消耗占输送有功的40%～60%。其无功获取方式有:在换流站安装电容器组、调相机、静止补偿器等无功补偿设备;接受交流系统的无功。对于整流站,一般是由附近发电厂和电网提供无功;而逆变站在受端电网,其无功需要就地补偿。从经济上考虑,一般选择安装开关投切的电容器组,考虑稳定电压的需要还可安装一定的静止补偿器或调相机。
六、结束语
电力系统中无功功率是否平衡,直接影响电压的质量。为保证电压质量,满足用户的用电要求,系统中必须有充足的无功电源备用。当系统的无功功率大于(或不能满足)无功负荷的需要时,则必须调整无功功率的输出,通过安装无功补偿装置等保持无功功率的平衡,以改善电压的偏移。无功功率的增加或减少,也会增加电气设备及电能损耗,故在负荷侧的无功补偿亦能起到节能降耗的作用。
参考文献:
[1]杨腾栋.无功补偿及其对电力系统电压稳定性影响的分析[D].贵阳:贵州大学,2007.
[2]王道普.超高压电力系统无功平衡与电压调整[C].第四届输配电技术国际会议,2003.
[3]张勇军.电力系统动态无功优化调度的调节代价[J].电力系统自动化,2005,29(2).
[4]陈静.基于区域平衡的电力系统无功/电压管理[D].大连:大连理工大学,2008.
[5]罗一钟.电力系统无功功率平衡的重要性[J].煤矿现代化,2004,(1).
(责任编辑:赵赟)
关键词:电力系统无功平衡;补偿容量;无功优化
作者简介:陆浩(1985-),男,河南开封人,贵州大学电气工程学院硕士研究生,主要研究方向:电力市场。(贵州 贵阳 550003)郭滨钊(1978-),男,河南夏邑人,河南省夏邑县供电局信息中心,工程师,工程硕士,主要研究方向:电力工程、电力系统自动化、信息化。(河南 夏邑 476400)
基金项目:本文系2010年贵州大学研究生创新基金项目(项目编号:校研理工2010008)的研究成果。
由于电力负荷不断增加,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,甚至可能造成局部地区无功严重不足,进而导致地区电压水平普遍较低。当系统受到较大干扰时,就可能在电压稳定薄弱环节导致电压崩溃。因此,无功平衡成了目前一个急需解决的重要问题。为了改善和提高电力系统的电压质量,一方面在用户侧提高负荷功率因素;另一方面还应在电力系统的各变电站中合理配置无功补偿设备和调压装置,使无功负荷得到就地补偿,系统无功达到分区分电压等级平衡状态。系统对无功平衡的基本要求:系统中的无功功率电源可能发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需要的无功功率和网络中的无功损耗,同时为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长,系统必须配置一定的无功备用容量。
一、无功功率平衡概况
1.无功功率的产生
电力系统运行中无功负荷主要为三项:异步电动机、变压器和输电线路。这些电气设备在运行中,都需要一种功率作用于电路内电场与磁场,并建立和维持磁场,把这种功率定义为无功功率。凡是有电磁线圈的电气设备,要建立磁场,就要消耗无功功率。
2.无功平衡的条件
系统中无功功率电源可能发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗,同时为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长,系统必须配置一定的无功备用容量。系统中无功功率的平衡关系式为:QGC-QLD-QL=QRES;式中,QGC为电源发出的无功功率之和,包括发电机的无功功率QG∑和各种无功功率QC∑,即QGC=QG∑+QC∑;QLD为总无功负荷;QL为总网络无功功率损耗;QRES为无功功率备用。
当QRES>0,表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用;当QRES<0,表示系统中无功功率不足,应考虑加设无功补偿装置;当QRES=0,表示系统中无功功率刚好平衡,但当系统有小的干扰时将破坏这一平衡。
电力系统中一般要求发电机接近于额定功率因数运行,可按额定功率因数计算发电机所发出的无功功率。此时如系统的无功功率能够平衡,则发电机就保持有一定的无功备用,其他的无功补偿装置按额定容量来计算其无功功率。
二、电网规划的无功补偿装置的规划建设
1.补偿容量的确定
在进行电网规划时,首先要确定系统总的无功负荷。对于电力系统其无功负荷=K×最大有功发电负荷,(K值一般取1.3～1.4);地区的无功负荷=K×220kV及以下最大有功负荷。无功源的安装容量=1.15×无功负荷。因为无功补偿提倡就地补偿,所以主要是进行低电压配电网的无功补偿。对于低压网的无功补偿容量,主要是按其性能指标在变电站进行补偿计算,一般取变电容量的20%,其性能指标包括功率因素、线损、电压、补偿经济当量。
2.无功补偿源
确定无功安装容量后,按实际需求选择无功源。无功功率可以分别在发电、输电和配电三个环节上提供。可提供无功服务的无功源有发电机、同步调相机、SVC静止补偿器、并联电容器组、电抗器等。发电机和调相机具有动态无功补偿的能力,因此在维持其出口电压水平和保证系统安全性方面起着很重要的作用;输电网可以利用安装静止补偿器和并联电容器/电抗器等来提供无功功率服务,以保证网络的输电能力并且在不同的负荷情况下保证电力系统的电压质量。
3.低压配电网无功补偿方式
低电压配电网无功补偿方式有:变电站集中补偿方式、低压集中补偿方式、分散补偿方式和用户终端就地补偿方式。变电站集中补偿主要是针对输电网的无功平衡,改善输电网的功率因素、提供终端变电所的电压和补偿主变的无功损耗,其补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等。低压集中补偿方式是在配电变压器380V侧进行集中补偿,以提高专变用户的功率因数实现无功的就地平衡,主要采用微机控制的低压并联电容器柜进行补偿。而分散补偿方式则是在公用变压器低压侧或10kV配电线路上安装电力电容器进行补偿,减少无功的传输提高功率因数。用户终端就地补偿方式就是将0.4kV～10kV电压等级的电容器与电动机并联进行补偿。
在电网规划中,通过对电网进行潮流计算得出无功负荷量,除了发电机发电时发出的一些无功,系统还需要的无功主要是通过输电网和配电网中的一些无功补偿设备进行补偿。按照指标对无功补偿容量进行计算,以确定各点的无功缺额,从而安装无功补偿器进行补偿。
三、无功优化控制方法介绍
电力系统无功优化控制问题是一个复杂的非线性问题,具有大规模、多约束、多目标、控制变量离散等特性,加上电力系统的互联性、运行的瞬时性及动态性等因素的影响,给有效控制带来了困难。目前,电力系统无功优化控制主要有三种方式。
1.基于变电站VQC的分散控制方式
主要是通过安装在各个变电站或发电厂中的电压无功综合自动化控制装置(VQC)根据负荷的变化来相应的调节自动调节站内有载调压变压器的分接头位置或其他电压电压器、控制无功功率补偿设备。这种方式见效快,可以有效避免无功的远距离传输,实现局部地区的无功优化。
2.基于数值优化计算的集中控制方式
通过能量管理系统(EMS)中装设的电压无功优化计算软件来对地区电网中的各种调压资源进行控制,实现电压无功集中优化控制。它先通过SCADA系统采集系统各点数据建立实时数据库,再经软件的优化分析后将各设备的操作下达SCADA执行。其优化算法有:线性规划法、非线性规划法、动态规划法、人工智能法。
3.关联分散控制方式
这种方式是指电力系统正常运行时,由分散安装在各厂、站的分散控制装置或控制软件进行自动调控,调控范围和定值是从整个系统的安全、稳定、经济运行出发,事先由电压、无功优化程序计算好的,也可由调度中心直接操作控制。因为是在正常情况下进行的监控和调控,所以它能从根本上提高系统的可靠性和经济性。
四、无功市场的建立
1.无功市场的管理思路
除了负荷侧需要消耗无功外,电力系统有功的传输也离不开无功的支持,为此需要对无功进行管理以维持系统无功平衡。
传统的垂直一体化管理模式由于其公平性已经不适应现在的电力工业。现在电力工业的发、输、配分离使保证足够的无功支持以维持系统电压变得更加困难,这三块可能在不久的将来属于不同的公司,所以除非得到相应的补偿,各公司不会愿意以牺牲有功市场的份额的方式来提供无功支持。因此一种让无功支持者能得到适当补偿的激励机制对于市场环境中保证系统有足够的无功支持是不可缺少的。
有文章提到一种集中式的无功管理方案,主要就无功支持的获取及相应的成本两个问题提出了方案。把无功补偿源分为参与有功市场的发电机和单纯的无功补偿源并建立相应的成本模型及以最优化无功支持成本为目标函数的无功调度模型,然后给出一种无功结算方法。这种方法主要是基于电力市场化管理提出的一种有偿供应措施,为以后建立相应的无功交易市场提供了一种参考模型。
2.无功服务市场的建立
系统无功补偿容量确认后,又面临一个问题:在现在市场经济条件下,无功补偿是有偿供应还是无偿的?无功补偿设备到底由谁来负责投资?现在我国的无功供应都是电网公司强制要求发电厂提供一部分,各地再投入补偿器进行一定的补偿,且都是无偿提供的。这样不利于电力市场化的长期稳定运行,也不利于无功平衡。因为发电厂发出一定的无功还是需要成本的,且无功补偿器也需要很大的投入,从长远发展来看,无功肯定是需要收费的。因此需要建立无功服务市场对无功服务提供交易,以鼓励更多厂商加入无功补偿环节中来,这样不仅仅对市场经济有一定的好处,更对无功平衡提供了更安全的保障。
建立无功交易市场,电网公司根据系统潮流计算确定系统无功补偿点和无功需求后,各无功服务提供厂商按照自己的无功补偿设备上报技术指标、无功补偿容量和报价。电网公司根据上报数据,结合系统实际需求,选择供应商并与其签订无功补偿合约,在合约里说明补偿时间、地点、容量和价格。无功服务供应商按照合同对系统提供无功服务。
建立无功服务市场是通过市场化手段来刺激目前无功供应严重缺乏的一种手段,从市场方面解决无功平衡的问题。
五、交直流输电系统中无功补偿容量的协调
直流输电与交流输电一样需要进行无功补偿,其补偿容量的大小与相连的交流系统运行方式、直流系统运行和控制方式有关。在直流输电系统的换流站中,主要设备是环流变压器和晶闸管换流器,其无功消耗占输送有功的40%～60%。其无功获取方式有:在换流站安装电容器组、调相机、静止补偿器等无功补偿设备;接受交流系统的无功。对于整流站,一般是由附近发电厂和电网提供无功;而逆变站在受端电网,其无功需要就地补偿。从经济上考虑,一般选择安装开关投切的电容器组,考虑稳定电压的需要还可安装一定的静止补偿器或调相机。
六、结束语
电力系统中无功功率是否平衡,直接影响电压的质量。为保证电压质量,满足用户的用电要求,系统中必须有充足的无功电源备用。当系统的无功功率大于(或不能满足)无功负荷的需要时,则必须调整无功功率的输出,通过安装无功补偿装置等保持无功功率的平衡,以改善电压的偏移。无功功率的增加或减少,也会增加电气设备及电能损耗,故在负荷侧的无功补偿亦能起到节能降耗的作用。
参考文献:
[1]杨腾栋.无功补偿及其对电力系统电压稳定性影响的分析[D].贵阳:贵州大学,2007.
[2]王道普.超高压电力系统无功平衡与电压调整[C].第四届输配电技术国际会议,2003.
[3]张勇军.电力系统动态无功优化调度的调节代价[J].电力系统自动化,2005,29(2).
[4]陈静.基于区域平衡的电力系统无功/电压管理[D].大连:大连理工大学,2008.
[5]罗一钟.电力系统无功功率平衡的重要性[J].煤矿现代化,2004,(1).
(责任编辑:赵赟)