浅谈电力系统无功功率补偿技术

摘要：近年来,随着电力电网的进一步完善，工农业生产用电规模不断扩大，用电量的日益增长和用电结构的变化，使得电力供需矛盾越来越突出。电力的供不应求迫使人们在降损节能上多做文章。人们根据电力网的运行特点，从无功传输过程消耗的角度，推行了无功补偿。电力系统的无功优化和无功补偿是提高系统运行电压，减小网损，提高系统稳定水平的有效手段。本文对当前国内的无功优化和无功补偿进行了总结，对目前无功补偿和优化存在的问题进行了一定的探讨和研究，供参考。

关键词：无功优化 ；无功补偿 ；非线性 ；网损电压质量 ； 无功功率

Abstract: in recent years, with the further improvement of power grid, industrial and agricultural production of electricity continues to expand the scale, with the growing consumption and changes in the structure of power, the power supply and demand more and more prominent. The power supply is forcing people in loss reduction and energy saving more articles. According to the people of the operation characteristics of power network, consume no power transmission process point of view, the wattless power compensation. Power system reactive power optimization and compensation is to improve the system operating voltage, reduce the loss of network, an effective means to improve the level of system stability. Based on the current domestic reactive power optimization and compensation are summarized, makes some discussion and Research on the present there is no power compensation and optimization problems, for reference.

Keywords: no reactive power optimization; wattless power compensation; nonlinear; voltage quality of network loss; wattless power

中图分类号： TM7文献标识码：A文章编号：

前言

众所周知，电力网在运行时，电源供给的无功功率是电能转换为其他形式能的前提，它为电能的输送、转换创造了条件。没有它，变压器就不能变压与输送电能，没有它，电动机的旋转磁场就建立不起来，电动机就无法转动。为此，我们根据用电设备消耗无功的多少，在负荷较集中、无功消耗较多的地点增设了无功电源点，使无功的需求量就地得到解决，这样不但减少了无功传输过程中造成的能量损耗和电压降落，而且提高了供用电双方和社会的经济效益，可谓一举两得。本文主要从以下内容简述1：无功补偿技术作用；2：无功功率补偿装置；3：无功优化和补偿的原则和类型；4：以及无功补偿带来的经济效益。

1.无功功率补偿的作用1.1、改善功率因数：根据国家水电部,物价局颁布的“功率因数调整电费办法”规定三种功率因数标准值，为此我们改善无功，提高功率因数。

(1)高压供电的用电单位,功率因数为0.9以上。(2)低压供电的用电单位,功率因数为0.85以上。(3)低压供电的农业用户,功率因数为0.8以上。

1.2、降低系统的能耗：

设R为线路电阻,ΔP为原线路损耗,ΔP为功率因数提高后线路损耗,则线损减少

比原来损失减少的百分数为式中,

补偿后,为分析方便,可认为U≈U,则由（2）式知，

当功率因数从0.8提高至0.9时,通过上式计算,可求得有功损耗降低17%左右。在输送功率P= 3UIcosφ不变情况下,cosφ提高,I相对降低,设为补偿前变压器的电流,为补偿后变压器的电流,铜耗分别为,;铜耗与电流的平方成反比,即

由于P=P,认为U≈U时,即 可知,功率因数从0.8提高至0.9时,铜耗相当于原来的80%。1.3、减少了线路的压降由U = （PR + QX）/U知，当补偿无功Q后，使Q减少，线路电压降明显减少。从另一个方面考虑，由于功率因素的提高，线路传送电流小了,系统的线路电压损失相应减小,有利于系统电压的稳定(轻载时要防止超前电流使电压上升过高),有利于大电机起动。

2.无功功率补偿装置及无功补偿中存在问题

近年来,随着国民经济的跨越式发展,电力行业也得到快速发展,特别是电网建设,负荷的快速增长对无功的需求也大幅上升,也使电网中无功功率不平衡,导致无功功率大量的存在。

2.1在实际的无功补偿工作中也存在一些问题:2.1.1补偿方式问题:目前很多电力部门对无功补偿的出发点就地补偿,不向系统倒送无功,即只注意补偿功率因素,不是立足于降低系统网的损耗。2.1.2.谐波问题:电容器具有一定的抗谐波能力,但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响,甚至造成电容器的过早损坏;并且由于电容器对谐波有放大作用,因而使系统的谐波干扰更严重。2.1.3.无功倒送问题:无功倒送在电力系统中是不允许的,特别是在负荷低谷时,无功倒送造成电压偏高。2.1.4.电压调节方式的补偿设备带来的问题:有些无功补偿设备是依据电压来确定无功投切量的,线路电压的波动主要由无功量变化引起的,但线路的电压水平是由系统情况决定的,这就可能出现无功过补或欠补。2.2目前,我国电力系统无功功率补偿主要采用以下几种方式:2.2.1.同步调相机:同步调相机属于早期无功补偿装置的典型代表,它虽能进行动态补偿,但响应慢,运行维护复杂,多为高压侧集中补偿,目前很少使用。2.2.2.并补装置:并联电容器是无功补偿领域中应用最广泛的无功补偿装置,但电容补偿只能补偿固定的无功,尽管采用电容分组投切相比固定电容器补偿方式能更有效适应负载无功的动态变化,但是电容器补偿方式仍然属于一种有级的无功调节,不能实现无功的平滑无级的调节。2.2.3.串联电抗器:目前所用电抗器的容量是固定的,除吸收系统容性负荷外,用以抑制过电压。但主要是抑制谐波，当谐波5次以上时，电抗率需取4%-6%，当需抑制谐波3次以上，电抗率需取13%。以达到抑制谐波要求。

2.2.4.基于智能控制策略的晶闸管投切电容器(TSC)补偿装置将微处理器用于TSC,可以完成复杂的检测和控制任务,从而使动态补偿无功功率成为可能。TSC补偿装置操作无涌流,跟踪响应快,并具有各种保护功能,值得大力推广。2.2.5.静止无功发生器(SVG)静止无功发生器(SVG)又称静止同步补偿器(STATCOM),是采用GTO构成的自换相变流器,通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功,进行无功补偿,若控制方法得当,SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿。

3 无功优化和补偿的原则和类型

3.1无功优化和补偿的原则

全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡，具体内容如下。

总体平衡与局部平衡相结合，既要满足全网的总无功平衡，又要满足分线、分站的无功平衡。

其一，集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主，这就要求在负荷集中的地方进行补偿，既要在变电站进行大容量集中补偿，又要在配电线路、配电变压器和用电设备处进行分散补偿，目的是做到无功就地平衡，减少其长距离输送。

其次，要确定合适的补偿点。无功负荷补偿点一般按以下原则进行确定：

1)根据网络结构的特点，选择几个中枢点以实现对其他节点电压的控制；

2)根据无功就地平衡原则，选择无功负荷较大的节点。

3)无功分层平衡，即避免不同电压等级的无功相互流动，以提高系统运行的经济性。

4)网络中无功补偿度不应低于部颁标准0.7的规定。

3.2 根据补偿原则，确定无功补偿容量

按照上述的基本原则，根据无功在电力系统中的去向，确定几种主要的补偿方式及其容量。

变电站高压集中补偿：这种补偿是在变电站10（6）kV母线上集中装设高压并联电容器组，用以补偿主变的空载无功损耗和线路漏补的无功功率。目前，在农网上，除了大宗用户外，县局基本上采用这种补偿。比如：某县各变电站在未进行人工补偿以前cosφ= 0.85，根据功率因数（0.85）调整电费标准，每月罚款为月总电费的2.5%，经过各站装设了电容器补偿后，平均cosφ=0.9，每月电费减少0.5%，一年下来，功率因数节约电费约为60万元，为企业增加了效益。

随线补偿：将电容器分散安装在高压配电线路上，主要补偿线路上的无功消耗，还可以提高线路末端电压，改善电压质量。其补偿容量一般遵循"三分之二"原则，即补偿容量为无功负荷的三分之二，而电压降为U = （PR + QX）/Ue。

例1：一条10kV线路，长为5km，导线型号LGJ-70，其中g = 0.46W/km，X0 = 0.411Ω/km，所带负荷200 + j150，在线路末端补偿QC= 100kvar，求线路损耗和电压降。

①求线路上的损耗

补偿前：P1 = 3×I2R = 3×（2002 + 1502）/102×5×0.46 = 4313W。

补偿后：P2 = 3×I2R = 3×[2002 +（150 - 100）2]/102×5×0.46 = 2933W。

则一年少损失电量：A = (P1 - P2)T×10-3 = （4313 - 2933）×365×24×10-3 = 12089kWh。

②求电压降

补偿前：U = （PR + QX）/U = （200×0.46×5 + 150×0.411×5）/10 = 77V。

补偿后：U = （PR + QX）/U = [200×0.46×5 + （150 - 100）×0.411×5] /10 = 56V。

所以补偿后电压由9.92kV提高到9.94kV，改善了电压质量。

以上两个算例，充分说明了，补偿带来的经济效益，以及对国家电网稳定起的作用，对节能减排做的贡献。

3.3 随器补偿

将电容器安装在配电变压器低压侧，主要补偿配电变压器的空载无功功率和漏磁无功功率。一般情况下，农网配变负载率较低，轻载或空载时，无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，因此配变无功补偿容量不易超过其空载无功，否则，在配变接近空载时可能造成过补偿，所以应按式Qb ≤ I0%Se/100(其中：I0%是空载电流百分数，从手册中可查出，Se是变压器的额定容量)，但对于工业用户的变压器补偿，因其负荷率高，补偿时应从提高变压器出力的角度考虑。

例2：某县良种场有一台变压器Se = 80kVA，cosφ= 0.8，带一抽水用电动机Pe = 75kW，P = Se×cosφ = 80×0.8 = 64kW < 75kW，可见变压器处于超载运行，若提高cosφ的方法提高变压器出力，设拟增cosφ = 0.95，则P = 0.95×80 = 76kW > 75kW，由公式Qb = P×tgφ可知，应补偿无功Qb = 25kvar。

这个算例告诉我们，补偿无功，提高功率因素，对有功的贡献，可以提高变压器的承担负荷的能力，节约能源。3.4 随电动机补偿

将电容器直接并联在电动机上，用以补偿电动机的无功消耗。据运行统计，县级农网中约有60%的无功功率消耗在电动机上，因此，搞好电动机的无功补偿，使其无功就地平衡，既能减少配电线路的损耗，同时还可以提高电动机的出力。一般对7.5kW以上电动机进行补偿时，确定容量应按QC ≤ 3UeI0。另外，对于排灌所带机械负荷较大的电动机，补偿容量可适当加大，大于电动机的空载无功，但要小于额定无功负荷，即Q0 ≤ QC ≤ Qe。

例3：涉县自来水公司，一条线路长1km，导线型号LGJ-70，其中g = 0.46W/km，X0=0.411Ω/km，带一抽水用电动机Pe = 95kW，实用负荷为100 + j60，由于长期超载，在电动机上补偿无功QC = 30kvar，求补偿前后线路的损耗和电动机的出力。

视在功率S=（1002+602）1/2= 116.26kVA

①求线路上的损耗

补偿前：P1 = 3×I2R = （1002 + 602）/0.382×1×0.46 = 43.32kW。

补偿后：P1 = 3×I2R = [1002 + （60 - 30）2]/0.382×1×0.46 = 34.72kW。

P1 - P2 = 43.32 - 34.72 = 8.6 kW，则一年少损失电量8.6×24×365 = 75.33MWh。

②求电动机出力

补偿前：PN = 95kW < 100kW，电动机处于超载运行。

补偿后：PN = 112kW > 95kW，电动机运行正常，提高了电动机的出力。

3.5 低压集中补偿

在低压母线上装设自动投切的并联电容器成套装置主要补偿变压器本身及以上输电线路的无功功率损耗，而在配电线路上产生的损耗并未减少，因此，补偿不宜过大，否则变压器轻载或空载运行时，将造成过补偿，补偿容量应以变压器额定容量的30%至40%确定，即：Qb = （0.3 - 0.4）SN，或从提高功率因数的角度考虑Qb = P（tgφ1 - tgφ2），其中tgφ1 、tgφ2是补偿前后功率因数角的正切值。

4 补偿后带来的经济效益

从电压质量上来说，如例1，末端电压由9.92kV提高到9.94kV，保证了产品质量，给用户带来了直接经济效益。

从降损节能上来说，降低了电能损耗，减少了电费的支出，同样给用户带来经济效益。如例3，年节能7.533万kWh，按电价0.5857元/kWh，年节约电费7.533×0.5857=4.4万元。

从提高变压器的处理上来说，由于减少了无功电流，所以提高了变压器的出力。如例2，良种场若不是进行无功补偿，变压器长期处于超载运行，会因长期过热而烧坏变压器，而新安装一台变压器（100kVA），需投资1.3万元，但经过补偿，只需要投资近1000元就解决了变压器超载运行的问题，给良种场增创了1.2万元的经济效益。

结语

总之，无功补偿不仅能改善农网功率因数和电压质量，而且可以使无功负荷就地平衡，提高农网的经济运行水平，同时降低电费支出，减轻工农业生产的负担，所以进行无功补偿是利国利民的好事，我们应下决心去抓，真正让用户得到实惠。

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