关于提高变压器功率因数的可行性分析

沈志力

摘要：伴随我国电网建设步伐的加快，对变压器综合性能提出更高的要求。然而从当前变压器运行实际情况看，因设备数量多、运行时间长，在无功损耗与有功损耗方面均较大，很难保证变压器的经济运行，要求做好变压器功率因数的调整，使变压器运行得以优化。本次研究将对变压器经济运行做简单介绍，提出变压器功率因数影响与改进措施，在此基础上对提高变压器功率因数措施进行仿真分析。

关键词：变压器经济运行；功率因数；影响因素；仿真

前言：作为输配电网核心电气设备，变压器运行效率近年来处于不断提高趋势。值得注意的是，因变压器投入使用量较大，且一般运行持续较长时间，产生的功耗问题极为严重，既无法保证负荷的合理分配，同时难以达到电能损耗低运行要求。因此，本文从变压器功率因数角度，提出相应的优化策略，具有十分重要的意义。

1变压器经济运行介绍

关于变压器运行，主要通过电磁转换改变电压，其自身便属于无功负载，如变压器短路阻抗中负载电流相比有功功率损耗，无功功率损耗更加明显，所以实际做变压器经济运行判断中，需取综合功率损耗作为指标。假定对空载有功损耗、负载有功损耗、变压器负载容量与变压器额定容量分别以P0、PK、S、SN表示，变压器负载率以β=S/SN表示，额定负载损耗为PKZ=PK+KQQK，空载损耗为P0Z=P0+KQQ0，此时对综合功率损耗计算，有△PZ=P0Z+β2PKZ。式中，空载无功损耗与短路无功损耗分别以Q0、QK表示。具体对变压器经济运行进行分析，各变压器均有一定的经济运行区间，如部分研究中提及，若保持额定负载运行，视为经济运行，且保持βJZH，即负载系数上限值为0.75。具体对变压器经济运行分析，可得出相关结论，包括：①在βJH上限值为1.0情况下，需以额定负载损耗率以及上限值对应损耗率进行计算，可得到βJL=POZ/PKZ=β2JZ；②对应最佳运行上限值情况下的损耗率，最佳运行区下限值为1.333β2JZ；③明确负载率β范围，经济运行区间可界定在β2JZ与1.0之间，最佳运行区界定在1.333β2JZ与0.75之间，最劣运行区界定在0与β2JZ之间[1]。

2变压器功率因数影响表现与改进措施

2.1负载功率因数影响与改进

从上述变压器经济运行情况看，其中存在的影响因素主要以负载功率因数为主。具体分析中，假定对系统阻抗分别利用US、RS、XS表述，无功补偿电容器容量以QC表示，负荷功率为PL+jQL，在此基础上进行变压器运行等值电路的构建，如图1所示，其中高压侧等效电抗、等效电阻分别以Xr、Rr描述。在此基础上做综合功率损耗计算，有：△PZ=（P0+KQQ0）+β2（RT+KQXT）。

图1变压器运行等值电路

配电网建设中，因较多感应用电设备、感应电动机运行致使较多无功功率被消耗，成为电网功率因数下降的主要原因，既无法保证设备稳定供电，且可能因电网电压有明显波动，无法达到经济运行目标。从综合功率计算公式能够发现，实际解决负载功率因数问题时，关键在于对无功补偿QC投入量的控制，以此达到变压器负荷负荷侧无功平衡的目的。因此，实际解决负载功率因数问题中，可考虑引入晶闸管投切电容器组TSC，相比传统无功补偿装置，其优势表现为可控性好、响应速度快等，通过动态补偿负荷无功功率变化，使负载功率因数提高。具体设计中，如图2，为具体接线图与等值电路。

图2无功补偿接线图设计与等值电路

2.2变压器投切影响与改进

除负荷功率因数影响外，本次研究中也从变压器投切情况进行分析。若以负荷变化视角出发，在保持经济运行情况下，若进行变压器运行状态的频繁切换，很可能使变压器的可靠运行以及电网稳定运行均受到影响，其意味变压器运行成本因此增加。这就要求通过短期负荷预测，对变压器投切情况进行判断。这种短期负荷预测方法，主要强调划分为三个分段负荷，包括高峰、低谷与腰荷。研究中取某工作日变压器全天运行情况为例，选取其中48个采样点做短期负荷预测，假定利用坐标表示，负荷变化向量M为纵坐标，采样点个数为横坐标，各采样间隔保持30min，具体如图3，为负荷最终划分示意图。

图3负荷划分示意图

根据图3，取三个时段进行负荷时段划分，分为：①取15-42时刻，该时间内负荷保持上升，与临界负荷值比较负荷较高，备用变压器可投入使用1次，且不再退出；②以46-47、0-11为时间段，观察可见与临界负荷值比较负荷较低，备用变压器可退出；③取43-45、12-14时刻为时间段，负荷保持不变，变压器可在该范围内运行。利用这种控制方法，及时运行方式有一定变化，也保持在0.35-0.60经济负载系数之间，不会对开关电动、变压器带来较大冲击。同时，通过该种方式下处理无功负荷问题，可使电容器投切次数补偿目标得以实现[2]。

3提高变压器功率因数仿真分析

为验证变压器功率因数提高方法是否可行，本文考虑引入MATLAB仿真方式，主要从分析变压器是否保持经济运行方面着手。具体仿真参数，取变压器容量20MVA，变压器阻抗电压10.4%，变压器空载损耗12kW，频率50Hz，TSC电容器组合方式选择3×50kvar。仿真中仍利用负荷变化曲线观察，取500ms作为采样间隔，观察48个采样点变化情况[3]。具体如图4、图5。从中能够判断，补偿后综合功率损耗有明显下降，同时对比投切次数优化前后投切波形，发现投切次数补偿目标能够实现。这些均说明本次研究中为使变压器保持经济运行状态，通过提高变压器功率因数、解决变压器投切次数问题，可行，对实现变压器稳定可靠运行能够发挥重要作用

图4补偿前后变压器综合功率损耗变化表

图5投切次数优化前后变压器投切波形变化比较

结论：变压器功率因数问题的解决是保证变压器稳定、可靠、经济运行的关键。从变压器经济运行角度出发，其影响因素主要表现在负载功率因数以及变压器投切次数变化等影响，本文在研究中针对两种影响因素均提出相应的解决措施，如TSC补偿负荷侧无功功率方法，并根据负荷预测优化投切，通过仿真验证，能够发现取得的效果均较为理想。

参考文献：

[1]李春杰,黄文新,李朋,等.一种基于磁组合式变压器的AC-DC高频变换器[N].电工技术学报,2016,31(08):19-26.

[2]韩继业,李勇,曹一家,等.基于模块化多电平型固态变压器的新型直流微网架构及其控制策略[J].电网技术,2016,40(03):733-740.

[3]尹璐,赵争鸣,贺凡波,等.具有高功率因数的三相光伏并网逆变器控制算法[J].电力自动化设备,2012,32(10):1-5+11.