串联补偿调压技术调压特性的分析和研究

串联补偿调压技术调压特性的分析和研究
Qian Kai;Guo Gaopeng;Zhang Handan;Li Yongteng;Gao Feiling
【摘要】本文针对长距离、重负荷线路末端电压偏低的问题,提出了串联电容补偿调压技术.串联电容补偿作为一种低成本、安装简便的调压技术越来越受到欢迎.本
文首先简单分析了中压配电网络进行串联补偿调压的意义;然后介绍了串联补偿的
原理;最后通过Matlab建模仿真,分析了负载负荷率、负载功率因数和串联电容值
对串联补偿调压的影响,为串联补偿技术的应用提供理论分析依据.
【期刊名称】《电气技术》
【年(卷),期】2019(020)007
【总页数】5页(P13-17)
【关键词】串联电容补偿;Matlab;调压特性
【作者】Qian Kai;Guo Gaopeng;Zhang Handan;Li Yongteng;Gao Feiling
【作者单位】
【正文语种】中文
对于供电半径大、负荷波动较大的中压配电线路而言，由于线路中的电压损耗较大，常常造成负荷端的电压值偏低、电压波动大，难以满足电压质量的要求[1]，因此，需要采用补偿装置进行电压调节，以提高和稳定负荷侧的电压。

现有的中压配电网补偿多数为并联电容补偿[2]，通过与线路负荷并联的方式，补偿负荷的无功功率，且无功功率的补偿量与负荷电压的平方成正比。

通过减少流过线路的无功电流，从而减小负荷在线路上的电压损耗，进而提高负荷侧的电压水平[3]。

但是当负荷增
大、负荷电压下降时，需要补偿装置补偿更多的无功功率时，由于其端电压下降而提供的无功补偿量反而下降，因此无法满足要求。

若按最大负荷的要求配置大容量的电容进行分组投切，则对于负荷波动较大的供电状况，投切较频繁，电容的冲击次数多，使用寿命较低[4]。

因此对于供电半径大、负荷波动大的中压配电线路而言，传统的并联电容补偿装置无法满足调压要求，需要使用其他更有效的调压装置。

串联电容补偿调压技术作为一种新型的调压技术，从一出现便受到欢迎。

该调压方式主要通过串接电容补偿器来改变线路的电抗，以改变线路上的电压损耗，实现负荷侧电压的调节。

对于串联电容补偿调压，其补偿容量同线路电流的平方成正比[5]。

因此当负荷增加时，线路电流也增加，串联电容补偿值随之增加，所需增加
的串联电容容抗值更小。

此外，串联电容补偿是通过减小输电线路上的电抗来提高负荷侧电压的。

综上所述，串联补偿在补偿效果方面具有逆负荷调节的特点[6]，
在用电高峰期间负荷率增大时段补偿效果更加明显，故相比并联补偿更加具有灵活性和实用性。

可以看出，该串联补偿方案的实施具有重要的经济效益，并且得到了企业和电力用户的认可，具有很好的社会效益。

本文重点对串联补偿特性展开研究，首先对串联补偿调压原理和相关参数计算进行分析；其次，搭建串联补偿仿真模型，仿真分析串补调压特性；最后，重点对影响串补调压性能的因素展开分析，分别从负荷容量变化、负荷功率因数变化和串联电容值变化这3个方面进行仿真分析，研究影响串联补偿调压效果的因素。

此外，
为了验证仿真数据的正确性和可靠性，将仿真结果和理论计算进行对比，通过计算两者之间的误差，说明本文仿真结论的正确性。

图1为一条简易的配电线路，其首端母线电压为，负荷侧电压为，串补装置进线
端电压为，线路参数为电阻RL1、电抗XL1，补偿电容容抗为XC，末端功率为
SL=PL+jQL。

式中，。

令，得
即
解式，得
式中
当实际取值时，X取较小值，即前取负号，可得
根据计算的补偿容抗可以得出经过串联补偿之后负荷侧的电压，具体如下：
故
令K=，则
经检验，取
故经过串补调压后，负荷侧电压为
本次串补仿真模型如图2所示[7-8]。

三相电源线电压为10kV，输电线路选用
LGJ120/25，线路长度为30km，其等效阻抗参数为R=0.263W/km，XL=
0.348W/km，负荷用电设备多为电弧炉与中频炉，其综合功率因数cosj =0.85，Load1容量为1233kVA，电压互感器的变比为10/0.4=26.25。

假设串补装置投
入前线路末端电压（变压器低压侧）为350V，即对应电压互感器一次侧电压为
0.35×26.25=9.1875kV，若要将末端电压增至375V，则对应一次侧电压为
0.375×26.25=9.8437kV。

根据式（4）可以计算得到每相需要串联补偿的电容值，即图2中的C1= 63.41mF。

图2中电容器组C2是为了实现串联电容值的变化，可分析电容值变化对串补调压效果的影响。

在负荷侧并联的Load2则为了实现负
荷的变化，以分析负荷的波动对串补调压效果的影响。

图2中，串补主电路为真空断路器K1、电抗器L和补偿电容器C1的串联支路[9-10]，同时在电抗器L两端并联放电用和过压保护用的避雷器，在电容器两端并联放电用电阻和过压保护用的避雷器。

此外，在串补主电路两端，利用真空断路器
K2对主电路进行旁路设计，以实现串补装置的退出。

串补调压装置的投入与退出控制过程如下。

1）串补投入过程。

断路器K1初始状态为断开状态，K2断路器初始状态为闭合状态；在0.1s时K1合闸，此时串补装置处于被旁路状态；在0.2s时，断路器K2由闭合状态分闸，串补装置正式投入。

2）串补退出过程。

断路器K1初始状态为闭合状态，K2断路器初始状态为断开状态。

在0.1s时K2合闸，此时串补装置处于被旁路，进入退出状态；在0.2s时，断路器K1由闭合状态分闸，串补装置完全退出。

首先分析串补调压的效果，电容器组K2和Load2均不投入，按照串补投入控制方式分别断开断路器K2和闭合K1，得到负荷侧的电压，即图2中A1点三相电压波形，如图3所示。

由图3可以看出，负荷端电压在串补装置完全投入之后，电压波形出现了很明显的电压抬升效果。

U1为补偿前电压，U2为补偿后电压，在串补投入之前电压，串补投入之后，与式（8）所计算的理论值相接近，两者误差为0.9%，在允许范围内（一般误差要求控制在5%以内）。

同时，其电压补偿度，可见，具有明显的电压补偿效果。

此外，从图3可以看出，在t =0.2s时，旁路用的断路器K2断开，串补装置正式投入，此时三相电压的波形出现持续时间大概为0.02s的短期震荡，同时三相电压也出现了略微回落，这主要是由于此时串补回路正式投入，其中的电抗器和电容器开始充电引起的。

下面分析串补调压装置的调压特性影响因素。

从负载率的变化、负载功率因数的变化和串补电容值的变化这3个方面进行仿真分析，同时进行理论对比，研究串补调压效果的影响因素和影响程度。

1）改变负载负载率
在维持负载功率因数、串补装置结构和参数不变的情况下，负载率按照30%、
40%、50%、60%、70%、80%分别取值进行仿真分析，得到负荷侧电压，同时
根据式（8）计算出串联补偿后在不同负载率下的负荷端电压理论值，并且与仿真结果进行比较分析，见表1。

由表1可以看出，在负载率为30%的时候，补偿度只有8.500%；而当负载率提
高为80%时，补偿度增大为15.150%。

可见，随着负载率的增大，在串补电容值不变的情况下，补偿度（即电压提升百分比）也随着增大。

故串补调压补偿技术是一种具有逆负荷特性的调压装置，即随着负载的增大，线路末端电压损失越大，但是串补调压系统在补偿电容不变的情况下，其提压效果越好，因此能很好地实现末端电压的稳定，具有很好的调压性能[10-11]。

此外，将仿真值和理论计算值进行
对比，其相对误差最大为1.72%，在允许范围内（一般误差要求控制在5%以内），说明了本次仿真结果的可靠性和正确性。

2）改变负载功率因数
在满载情况下，保持串补电路参数和结构等不变，调节功率因数分别为0.60、
0.65、0.70、0.75、0.80、0.85，仿真分析串补系统调压特性随负载功率因数的变化特征，见表2。

由表2可以看出，在功率因数为0.6时，补偿度高达45.42%。

在功率因数为0.85时，补偿度只有15.62%，故串补装置随着负载功率因数的增大，电压补偿效果越差[12]，即串联补偿系统适用于负荷功率因数偏低的场合，此时其调压效果最佳。

此外，将仿真值和理论计算值进行对比，其相对误差最大为4.66%，在允许范围
内（一般误差要求控制在5%以内），说明了本次仿真结果的可靠性和正确性。

3）改变串补电容值
在负载满载、功率因数为0.85的情况下，保持串补电路参数（除串补电容值）和
结构不变，将串补电容值按照60mF、70mF、80mF、90mF、100mF、110mF
分别取值，研究串补系统的调压效果，见表3。

由表3可以看出，在电容为60mF时，串补系统电压补偿度为14.01%；当电容增大为70mF时，补偿度为15.62%；在电容继续增大为110mF时，补偿度为12.50%。

故对于串联补偿系统，随着串补电容的增大，其电压补偿度呈现先上升后下降的趋势，即不具有单向变化趋势，存在电压补偿度的最优点[13]，此时对应的串补电容值即为最佳补偿电容值。

随着我国电网的飞速发展，在配电网负荷端经常出现电压偏低而影响设备运行的情况。

串补补偿装置作为一种新型的调压措施，由于其具有良好的调压特性，因此得到广泛的应用。

本文重点对串补调压系统的调压特性和影响因素展开分析。

从仿真分析和理论计算结果来看，串补系统具有很好的逆负荷调压性能，在串补电容不变的情况下，补偿度随着负载的增大而增大，具有很好的调压效果。

此外，串补调压系统随着负载功率因数的增大，其调压性能逐步变差，因此，串补系统主要适用于负载功率因数较低的场合。

最后，串补电容值的变化对系统调压性能具有比较明显的影响，存在最佳补偿电容值。

本文的分析结论，为串联补偿技术在电网调压中的应用提供了理论基础和分析依据。

钱凯（1984-），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为电力系统无功补偿及管理。

国家自然科学基金（61174117）
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