浅析电力系统无功补偿方式及措施

　　摘要：现今随着我国电力事业快速的发展,电网日趋复杂,低压用电负荷日益增长,大量的无功功率在电网中流动形成线损,降低了电能的电压质量和电网经济效益。为此，本文主要对电力系统无功补偿原理、控制策略、经济效率及措施进行了阐述。
　　关键词:电力系统；功率；无功补偿；控制措施
　　1无功功率补偿原理
　　在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流滞后电压900，纯电容负载中电流超前电压900，也就是说纯电容中电流与纯电感中的电流相位差为1800，可以相互抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量由容性负荷储存起来；当感性负荷需要能量时，再由容性负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷间互相交换，感性负荷所需要的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。
　　2电力无功自动补偿的控制策略
　　按电压无功综合控制，采取的控制策略如附图所示：

电压无功综合控制原理
　　① 运行点在0区，即电压合格，无功也合格，不动作。
　　②运行点在1区，即电压越上限，控制策略为切电容。
　　③运行点在2区，即电压合格但接近于上限，与电压上限的距离小于UC，无功越上限，此时控制策略为不动作。
　　④运行点在3区，即电压合格且远离电压上限，无功越上限，此时应进一步考虑功率因数的值，如果功率因数小于功率因数下限(无功越大，则功率因数越小)，则投电容，否则，不动作，这样做主要是为了防止负荷较大时投切频繁，类似于按无功和功率因数综合控制。
　　⑤运行点在4区，即电压越下限，控制策略为投电容。
　　⑥运行点在5区，即电压合格但接近于下限，与电压下限的距离小于UC，无功越下限，此时控制策略为不动作。
　　⑦运行点在6区，即电压合格且远离下限，无功越下限，控制策略为切电容。
　　3.无功补偿的经济效益
　　对于电力系统而言,执行无功就地补偿的原则,在高压侧或低压侧均需进行补偿。目前,低压侧的无功补偿严重不足,大量的低压无功集中在10kV变电站才得到补偿,使得10kV变电站10kV母线的无功严重不足,增大了配电变压器、10kV线路和低压线路的损耗,降低了10kV及以下配网的出力和电压质量。如果在低压负荷侧进行补偿,可减少10kV线路、配电变压器和低压线路的损耗,又可提高配电变压器、10kV线路和低压线路的利用率及负载端的端电压,所以补偿电容器的安装越靠近负载端,供电部门和用户可获取的经济效益越大。尤其在农网中,低压台区供电半径较大,低压网线路残旧,要彻底改造投资很大,就地安装低压无功补偿装置,效益更加显著。
　　因为在低压侧装上了电容器,无功电流由电容器提供,所以在进行电网设计时,仅考虑有功电流即可,如此可大大节省变压器及输电线路的投资。对于已有的电网,也能够提高电网的出力。例如:一条配电线路线损率为10%,功率因数由0.7提高到0.95,线损率减少4.57%;一台容量为630kVA的进线变压器功率因数由0.7提高到0.95,变压器可增容25%,按每kVA为4000元计算,可节省63万元。还有,可节约低功率因数用户所增加的力率电费,此外,每年还可节约一笔额外的线损电费。
　　4.无功功率补偿措施
　　无功功率补偿的方法很多，对于感性负荷电力企业通常采用并联电容器进行补偿。安装并联电容器进行无功补偿时，电容器安装容量的选择，可根据不同目的来确定。补偿方式可采取集中、分散或个别补偿三种方式。
　　4.1补偿容量的确定
　　4.1.1按提高功率因数确定补偿容量
　　设最大负荷月的平均有功功率为P（KW），cosφ1;为补偿前的功率因数，cosφ2为补偿后的功率因数，则补偿容量可用下述公式计算
　　QC=P（√1/cos2φ1-1-√1/cos2φ2-1）
　　=P（tgφ1-tgφ2）
　　当需要功率因数，提高到大于cosφ2，小于cos2φ3（理想功率因数）时，则补偿容量应满足下述不等式P(tgφ1-tgφ2)≤QC≤P(tgφ1-tgφ32)
　　即√1/cos2φ1-1-√1/cos2φ2-1≤QC≤√1/cos2φ1-1-√1/cos2φ3-1
　　4.1.2按提高运行电压来确定补偿容量
　　按提高电压要求确定补偿容量的方法适用于以调压为主的枢纽变电所和电网末端的用户变电所，其补偿容量按提高电压的要求，采用近似计算法求出
　　Qc=△uu2/x
　　式中△u———需要提高的电压值（V）；
　　u2*———需要达到的电压值（kV）；
　　X———线路电抗（Ω）。
　　4.1.3按降低线损确定补偿容量
　　它可以说明补偿容量与线损降低率之间的关系，cosφ1为补偿前的功率因数，cosφ2为补偿后的功率因数
　　△A(%)=［1-（cosφ1/cosφ2）2］×100%
　　4.1.4按感应电动机空载电流确定补偿容量
　　当对感应电动机进行个别补偿时，应按其空载电流来选择电容器的容量
　　Qc≤√3UeIOkvar
　　式中Ue———电动机额定电压（kV）；
　　I0———电动机空载电流（A）。
　　4.1.5按变压器的容量确定补偿容量
　　在对配电变压器进行补偿时，其补偿容量为
　　Qc≤(IO%+β2Uk%)Se×10-2kvar)
　　式中I0%———空载电流百分值；
　　Se———变压器额定容量（kVA）；
　　UK%———短路电压百分值；
　　S———负载平均功率（kVA）
　　β———负荷率，β=S/Se
　　4.2无功补偿的方式
　　4.2.1负荷的无功功率补偿
　　当无功补偿系统处于独立工作状态时，补偿点的选取直接影响到补偿效果。尤其在距离较长的线路上进行集中补偿，如农电网线路，补偿点的影响更加明显。一些距离很长或带有特殊负荷的线路(如电气化铁路的机车牵引电力线)为保证补偿效果，往往在一条线路上安装多台补偿设备。安装点的选取与线路上负荷的分布情况直接相关。对于低压配电网而言，其负荷一般是沿线路均匀分布的，为使补偿前、后的降损效果最大，必须确定补偿容量和位置，分三种情况。
　　4.2.1.1单点补偿
　　在无功负荷沿线均匀分布的条件下，对单点补偿而言，补偿地点应装设在距线路首端为线路全长的2/3处，补偿容量为全线所需无功容量的2/3时，线损下降值将为最大。在此情况下，线损下降率为

　　4.2.1.2两点补偿
　　可求出极值为Q1=Q2=2/5，L1=2/5，L2=4/5。因此Q1应装设在距首端2/5L处，Q2应装设在距首端4/5L处，Q1、Q2的值为线路所需无功的2/5倍。线损下降率为

　　4.2.1.3n个补偿点
　　具有n个补偿电容时，第i个补偿电容器的安装位置为补偿后的线损值为
　　补偿后的线损值为

　　线损下降率为

　　4.2.2线路及配电变压器中无功损耗的补偿
　　当线路输送功率时，线路感抗上所消耗的无功功率为

　　式中，XL为线路全长的感抗，单位Ω；If为流过线路的负荷电流，单位A；P1,Q1和P2,Q2为线路首端和末端的线电压，单位：kV。对于10kV线路来说感抗值是均匀分布的，因此由线路感抗所造成的无功潮流是均匀递增的变压器励磁无功损耗主要消耗在励磁电抗上，表达式为QT=3l0Xm
　　5实例计算分析
　　某10kv配电线路上共有配变78台，总容量Se=9315KVA，系统平均功率因数cosφ1=0.8，现对配电变压器的空载无功损耗进行补偿，安装容量按配电变压器容量的6%A计算，c=Q%.Se=0/06Se分别对配电变压器进行低压电容器的安装，试计算一年的经济效益（设每千乏电容器综合费用K为50元，年运行小时T年=8000小时，购电价C=0.413元/kWh，负载率β=0.3，综合线△A%=6.7%）。
　　5.1计算补偿后系统的平均功率因数
　　cosφ2=cosφ1/√1+（△Q%/β）2-2△Q%/β√1-cos2φ1
　　=0.8/√1(0.06/0.3)2-20.06/0.31-0.82
　　=0.894
　　5.2计算线损率降低值
　　△A1%=(1-cos2φ1/cos2φ2)×100%=(1-0.82/0.8942)×100%
　　=19.9%
　　5.3计算减少损失电量
　　△A=β.Se.T年.cosφ1.△A%.△A%
　　=0.3×9315×8000×0.8×6.7%×