低壓配網智能感容性功率抑制策略研究

趙應祿，高 博，張 燕，吳 永，丁 雨，張運飛

（國網河南新野縣供電公司，河南 南陽 473500）

關鍵字：弗蘭梯效應；功率抑制；全時域監控

1 系統需求

近些年，隨著城市化進程的推進，低壓城區配電網系統大比例采用隱藏式地下電纜的配電方式。隱藏式地下電纜的配電方式有諸多顯而易見的優點：施工安全、方便，不占用顯性地面；布線隱蔽、不影響居民生活；抗雷擊強度高等。但是當低壓城區配電網的電纜化率達到較高的水平時，由于地下電纜線路導線間、導線對地存在更強的電容性，地下電纜線路的充電功率遠大于傳統架空線路，造成更多的配電臺區在空載和輕載時產生較強的充電功率（容性），引起線路末端電壓升高、功率損耗增加以及無功倒送情形的出現（弗蘭梯效應）；同時還會造成系統對地放電，產生弧光接地過壓放電現象，給低壓配電網的安全運行帶來了極大隱患。

本文設計提出一種低壓配網智能感容性功率抑制模塊化系統，可實現智能化全時域監控低壓配電網中弗蘭梯效應的產生情況，自動抑制感性無功輸入電網，實時吸收配電網充電性容性功率，高效率減少空載和輕載時線路上的功率損耗，限制弧光接地過壓放電現象的發生。

2 方案設計

2.1 理論依據

城區配電網中地埋電纜化率已達到較高水平，由于地埋電纜線路的充電功率遠大于架空線路，因此在負荷低谷時期會造成配電線路末端電壓偏高以及配網功率超前現象發生，表現為無功倒送情形的出現即典型弗蘭梯效應。本研究設計通過專用設備監測配電網的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率超前、滯后裕度量及潮流方向等電能質量指標。抑制模組智能根據分析儀全象限功率潮流實時分析出配網電路中弗蘭梯效應產生情況和其所處配網電路的實時電路特征、特點，采用合理、嚴謹的算法，利用ATP-EMTP 電磁暫態仿真計算程序建立模型，對合、分閘并聯電抗器的暫態進行分析，自動判定投入、切除一定有效量的智能感容性功率抑制模塊組單元，進而減輕甚至消除系統的弗蘭梯效應。在配網系統功率超前時，并能控制調節配電系統配置的電容投入，滿足功率因數達標功能。

實現安全切換、調節，自動智能實現配變臺區的功率潮流調節并抑制電纜效應，實現電網智能化、動態化跟蹤功率潮流調節，提供系統功率，降低損耗，提高整個低壓電網的供電質量。

2.2 電纜的容性效應會造成末端電壓升高原因

城區配電網中地埋電纜已達到較高水平，帶電線路對大地是絕緣的，與大地間能發生靜電感應，就構成了一個電容器。當線路空載或輕載時，與傳統的架空線路相比表現出更強的容性特征，線路可簡化為一個同時存在電源、電阻、電感和電容的閉合回路。

假設線路首端電壓為US，末端電壓為UC，對地容抗XC，感抗XL，電阻R。根據電壓關系可得：首段電壓為US等于容抗XC、感抗Xl、電阻R之上的電壓向量和。

由于感抗Xl遠大于電阻R，R可忽略不計；對于長距離輸電線路，容抗XC大于感抗XL，電容C上的電壓和電感L上的電壓相位差180°。電源電壓在數值上約等于電容C兩端電壓值減去電感L兩端的電壓值，即得出末端電壓UC高于線路首端電壓US。

這種電壓升高情況會隨著線路的延長而累積，如果將較長的線路從首端到末端等分成數段看待，則有每段線路的節點都比前一個段線路節點的電壓要高，即第1段節點高于首端，第2段節點高于第1段節點，第3段節點高于第2段節點，于是最末端電壓高于首端，表現在線路末端情況最為嚴重，即弗蘭梯效應，在負荷低谷時期對末端電壓的影響是很明顯的，必須要采取措施抑制。

2.3 采用并聯電抗器補償線路容性無功

為了解決上述問題，本方案采取并聯電抗器無功功率補償裝置（投入感容性功率抑制模塊化）的方式補償系統容性無功。它通過向高壓長距離的電纜輸電網絡提供感性無功功率，補償電網中剩余的容性充電無功功率，控制無功功率潮流，保證電網電壓穩定在允許范圍內。

并聯電抗器可根據電網運行狀況進行有級調節，能夠方便有效地使系統達到無功平衡。輕負荷時線路中的無功功率盡可能就地平衡，減少無功功率不合理流動同時也減輕了線路上的功率損失，并能防止發電機帶長線路可能出現的自勵磁諧振現象。

3 實踐依據

3.1 采用PWM控制型可控電抗

基于以上理論依據，在實踐中通過多種型號電抗器的對比實驗后，最終選取了近幾年的熱門話題——可控電抗器作為抑制模塊的有效組成。選用可控電抗器既能滿足并聯電抗器用于抑制超高壓長線末端空載或輕載時的電壓升高，隨著負荷的增加，并聯電抗器的補償容量可以動態減少甚至切除的需求；也能在線路有擾動以致負荷跳閘時，可以立即投入的需要。做到容量可調，且能快速反應。

本抑制模塊PWM 控制電抗器，是新近幾年發展起來的一種基于脈寬調制（PWM）技術的可控電抗器。使用兩個雙向開關和一個電抗器構成整個可控電抗器。兩個雙向開關互補開關操作,達到調整電抗值的目的。PWM 控制電抗器是基于高頻斬波的PWM 控制，因此具有響應速度快、諧波含量低、電抗量可平滑調節的優點。

3.2 采用智能測控裝置建立低壓配電網全功率監測機制

低壓配網智能感容性功率抑制模塊化系統選取32位高速處理器為核心，可實時監測低壓配電網的電壓、電流、有功功率、無功功率等電氣參數，并監測低壓配電網的功率超前、滯后裕度量及潮流方向等電能質量指標。

根據檢測的數據，通過功率裕度量及潮流方向采用密度法、穩態暫估建模等算法，形成合理的無功電容投退方案，并能自動執行操作投入、切除智能感容性功率抑制模塊組單元，進行控制感容性功率平衡模組調節，實現功率線性全象限平滑調整，實現低壓配電網的感容性功率吸收和抑制調節，保證功率不超前運行；減小電網電壓變化對配電網絡的沖擊，減小系統對地電容放電引起的電流過高問題，杜絕發生系統弧光接地現象；同時提高供電質量，增加電網安全運行的高可靠性。

最終實現電網的功率智能化、動態化跟蹤均衡。

同時裝置具有完善的測量、保護、控制、和通信功能?？蓪⒊菂^低壓配電網的電能質量和安全運行管理工作提升一個顯著層次，切實有助于實現低壓電網值守無人化、智能化的管理要求，給低壓電網和電器設備的安全和經濟運行提供重要的保護。

4 結束語

建立低壓配網智能感容性功率抑制策略

本研究設計的感容性功率平衡模組滿足了GB/T 17626規定的所有電磁兼容最高等級的要求。系統可以根據低壓配電網全功率監測儀的監測數據形成合理無功電容和線性、感性負載的投退方案，發出控制指令后，執行相應的調節策略?？砂踩?、可靠、穩定地進行合、分閘并聯定制感性負載，以達到優化抑制弗蘭梯效應，提高配網用電效率，減少配變損耗，改善低壓配電網供電質量目的。