配電網無功優化及無功補償技術

周玉軍 盧春紅

摘 要：無功電源如同有功電源一樣，是保證電力系統的電壓質量、降低網絡損耗以及系統安全經濟運行必不可少的重要組成部分。網絡元件及負載所需要的無功功率來源于網絡中的某個地方，如果要網絡所需的無功功率都由發電機提供并跨過各個電壓等級系統長距離傳輸顯然是不合理的，不符合科學規律也很難做。科學合理的方法應該是在有無功功率需求的地方產生相適應的無功功率，即我們所說的無功補償。在電力系統中，解決好無功補償問題，對提高系統電能質量、保證安全經濟運行、降損節能等方面都有著極為重要的意義。該文主要針對電力系統無功補償的原則、方式、容量確定以及經濟效益等做出論述和分析。

關鍵詞：無功補償 方式 容量 效益

中圖分類號：TM714.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-02

1 無功補償的作用及無功補償原則

1.1 電網中的無功電源

1.1.1 同步發電機同步發電機既是有功電功率電源，同樣也是電網無功功率的來源，額定功率因數一般為0.8。

1.1.2 同步調相機同步調相機是連接在電力系統中的同步電動機。它的主要用途是產生無功功率，提高電力系統功率因數，提高電能質量和系統運行的穩定性。

1.1.3 輸電線路充電電容高壓輸電線路不僅產生電感，消耗無功，同時具有相線對地電容，產生無功。

1.1.4 電容器靜止電容器按照連接方式分為并聯電容器補償和串聯電容補償，采用電容器進行無功補償是系統中廣泛采用的一種方式。

1.2 無功補償的作用

（1）在系統中三相負載不平衡的情況下（如電氣化鐵道等），應進行適當的無功補償，這樣可以平衡三項的負載。（2）穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。為了提高輸電系統的穩定性和輸電能力，輸電線路應適當設置動態無功補償裝置；（3）提高電力系統及其負載的功率因數，降低設備容量，減少設備功率損耗；

1.3 配電網無功補償的原則

（1）無功補償的方式有以下幾種：高壓補償與低壓補償相結合，以低壓補償為主；集中補償與分散補償相結合，以分散補償為主；調壓與降損相結合，以降損為主。（2）無功補償應合理布局，統一規劃，分級補償，就地平衡。

2 無功補償容量的計算

2.1 確定補償容量的方法

確定補償容量的目的是要提高配電網的某種運行指標，下面介紹幾種常用的確定補償容量的方法。

2.1.1 從提高功率因數需要確定補償容量假設電網最大負荷月的平均有功功率為Pp，補償前的功率因數為，補償后的的功率因數為，則補償容量計算式為：（Kvar）或（Kvar）

式中：—所需補償容量，Kvar；—最大負荷日平均無功功率，Kvar；—最大負荷日平均有功功率，KW。

通常將功率因數從0.9提高到1所需的補償容量，與將功率因數從0.72提高到0.9所需的補償容量相當。因此補償容量即。

2.1.2 從降低線損需要確定補償容量線損率是電力網經濟運行的一項重要指標，在技術條件一定的情況下，線路損失與流過電流的平方成正比。

補償容量計算式為：

式中：—補償前線損；—補償后線損；—補償后線損降低百分點；—補償容量；U—線路電壓；P—有功功率；—補償前后容性電流差值；

2.1.3 從提高電網運行電壓需要確定補償容量

在配網線路的末端電壓會有一定的損失，尤其是大負荷，小截面導線的線路，這就需要選擇加裝適當容量的補償電容器來提高線路末端電壓。同時也要考慮網絡電壓正常時，裝設補償電容不能使網絡電壓的升高越限，因此，必須確定補償容量與網絡電壓增量之間的關系。

單相容量（Kvar）

式中：—投入電容器后的母線電壓，KV；—投入電容器后電壓增量，KV。

三相所需總電容量為：（Kvar）

式中：—投入電容后線電壓增量；

可見，除所包含的電壓和電壓的增量是線電壓和相電壓的區別外，三相補償容量的表達式與單相補償容量的表達式是一樣的。

2.1.4 用無功補償經濟當量確定補償容量無功補償經濟當量計算式得知：當采用無功補償當量確定補償容量時，可將線路分成n段，算出每段的有功損耗值，計算式為：

式中：—第i段線路的補償容量，Kvar；—第i段線路的無功功率，Kvar；Ri—第i段線路的電阻，Ω。

則n個線段有功損耗的減少總容量為：（KW）

因此，補償電容容量為：

2.2 低壓電網無功補償的常用方法

低壓電網無功補償常用的三種方式是：隨機補償、隨器補償和跟蹤補償，目的是實現無功的就地平衡，

2.2.1 隨機補償隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制保護裝置與電動機同時投切。為防止電動機退出運行時產生自激過電壓，補償容量一般不應大于電動機的空載無功，即

通常推薦

式中：Ue—額定電壓，KV；Io—電動機容載電流，A；—補償電容器容量，Kvar。

如排灌電動機等所帶機械負荷軸慣性較大的電機，補償容量可適當加大，大于電機空載無功負荷，要注意額定無功負荷。

對于排灌用普通電機，可按下式確定補償容量：（Kvar）

式中：Pe—排灌用電機額定有功功率，KW。

一般電機功率運行小時數大于1000h時，選用隨機補償方式更經濟。

2.2.2 隨器補償隨器補償是指將低壓電容器通過低壓熔斷器接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配電變壓器在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功，計算公式：

（Kvar）

式中：—變壓器空載勵磁無功功率，（Kvar）；—變壓器空載電流百分數；Se—變壓器額定容量，KVA。

配電變壓器空載無功是網載功負荷的主要部分。是目前補償配電變壓器無功的有效手段之一。

隨器補償只能補配電變壓器的空載無功。如果補償容量，則配電變壓器接近空載時造成過補償，經驗表明，在此條件下，當出現配電變壓器非全相運行時，易產生鐵磁諧振，因此推薦選用。

2.2.3 跟蹤補償跟蹤補償是以無功補償投切裝置作為控制保護裝置將低壓電容器組補償在用戶0.4 kV母線上的補償方式（稱為跟蹤補償方式）。其固定連接組可起到隨器補償的作用，補償用戶的無功基荷；投切連接組用于補償無功峰荷部分。跟蹤補償適用于100 kVA以上專用配電變壓器的用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式。在跟蹤補償與隨機隨器補償的經濟性接近時，應優先選用跟蹤補償方式。

2.3 隨機隨器補償的節能效益

安裝隨機隨器電容器補償后可提高功率因數，并降低電動機和變壓器的可變損耗，當功率因數從補償前的，提高到補償后的時，可變損耗降低的百分數計算式為：

式中：—補償前線損；—補償后線損；—補償后線損降低百分點；R—繞組電阻，Ω；P—有功功率，KW；—補償前功率因數；—補償后功率因數；

從上式計算可知，功率因數由提高到時對降低可變損耗的效益。

2.4 配電網無功補償配置技術原則

（1）配電網的無功補償以配電變壓器低壓側集中補償為主，以高壓補償為輔。（2）配電變壓器的無功補償容量可按變壓器最大負載率為75 %，負荷自然功率因數為0.85考慮，補償到變壓器最大負荷時其高壓側功率因數不低于0.95，或按變壓器容量的20%～40%進行配置。（3）配電變壓器的電容器組應裝設以電壓為約束條件，根據無功功率（或無功電流）進行分組自動投切的控制裝置。（4）配電線路分散補償，無功補償裝置安裝地點的選擇應符合無功就地平衡的原則，盡可能減少主干線上的無功電流為目標。一般對于均勻分布無功負荷的配電線路，其補償容量和安裝位置按[2n/（2n+1）]（其中n為不小于1的整數）規則，求得最優補償方案。考慮到無功補償裝置的運行維護、補償效益及投資回收期限，因此，沿線的無功補償點以安裝一處為適宜，最多不應超過二處，可以直接連接于主干線上和較大的分支線上，每個補償點的容量不宜超過100～150 kvar。配電線路上無功補償容量應適當控制，并且在線路負荷低谷時，不應出現過補償向系統倒送無功。負荷在線路上的分布狀況不同，安裝地點也不相同，具體位置應根據負荷分布特點和容量的大小計算確定見表1

所示。

3 結語

無功優化已是配網系統安全經濟運行的核心問題之一，它的目標是在滿足約束條件的前提下，使系統的某個指標或多個指標達到最優，在現代化的能量管理系統（EMS）中占有重要地位。配網系統電壓/無功優化在保證滿足運行約束的同時，用盡量少的無功投入（或盡量少的無功補償設備投資），最大限度地改善電壓質量、降低網損。隨著電力科學技術的不斷進步，配電網無功補償技術必定會再上新臺階，滿足新需求！

參考文獻

[1] 王合貞.高壓并聯電容器無功補償實用技術[M].中國電力出版社，2006-09.