关于电气无功补偿的分析

摘要：本文作者主要分析和探讨了无功补偿技术在电气自动化中的应用，供大家参考借鉴。

关键词：电气；无功补偿；分析

中图分类号：F407.67 文献标识码：A文章编号：

随着电力电子器件技术的发展，在大宾馆、大饭店里，大量安装了大型空调系统、供水系统、供汽系统，这些设备所采用的电动机容量大、数量多，还大量使用荧光灯照明，使这些单位的自然功率因数也很低，况且当前这些单位的用电负荷并不亚于大中型企业的用电负荷。未来的功率器件容量，将逐步得到提高，应用有源滤波器进行谐波抑制，柔流输电系统技术，进行无功功率补偿，将成为电力自动化系统的发展方向。因此，大力宣传、推广使用无功功率的就地补偿对提高各行各业的经济效益，缓解供电紧张局面，具有十分重要的意义。

1 无功补偿的特点

所谓无功功率补偿，就是在用户变电所或在用电设备等处装设无功功率电源，以改变电力系统中无功功率的流动，从而提高电力系统的电压水平，减小网络损耗和降低配电线路的成本节约电能，保证电网安全稳定和经济地运行。又称无功支持服务或无功电压控制服务，指发电机组（或无功补偿设备）向电网注入或吸收无功功率，以维持系统正常运行时节点电压波动水平在允许范围内，在电力系统故障后提供足够的无功支持以防止系统电压崩溃的服务。电力系统中各种用电设备吸收的无功功率，大多数与所加电压有关，如表1所示。

表1 负荷的电压特征

在额定电压附近，无功功率随电压上升而增加，随电压下降而减小。当系统出现无功功率缺额，亦即无功电源不能提供足够的无功功率时，系统所接的各负荷的电压将下降，减少其向系统吸取的无功功率，才能获得无功功率平衡。因此，需要进行无功功率补偿。无功电压调整作为一种辅助服务，是保证电力系统安全、稳定运行的前提条件之一，保证电能交易顺利实施的一个重要条件；同时也是提高电能质量、降低电网的有功损耗和提高传输效率，从而提高供电质量和电网运行的经济效益的有效手段。与有功服务相比，无功服务的特点是：

1.1 分析的复杂性。有功的费用主要是发电费用，而无功的运行费用很小，但投资费用很大，分析起来比有功复杂。无功的生产不消耗燃料，但却与机组的同步运行合为一体，所以要把无功的相关费用从总的费用中分离出来是比较困难的。在电网中，由于电网电压的控制需要各参与者共同承担，即发电厂和用户都应满足自己的电压和功率因数限制，同时由于无功调整的地域性和多样性，使得无功的最优定价问题比有功电价复杂得多。

1.2 手段的多样性。有功只能由发电机提供，而无功除发电机和负荷提供外，还可以由调相机和静止无功补偿器甚至输电线路等无功源提供。

1.3 控制的分散性。与频率控制需要有功平衡类似，电压控制需要无功的平衡。只是频率是全网统一的，依赖于全网的有功平衡，而电压是各节点不同的，就是必须依赖于该节点的电压控制。

1.4 供应有地域性。由于远距离输送无功需要发电和受电之间有较大的电压差，并且会引起有功功率的损耗，很不经济，所以无功功率不适于远距离传输而具有就地平衡的特点。

2 电力负荷的功率因数

2.1 无功功率

接在电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。例如，通过磁场，变电器才能改变电压并且将能量送出去，电动机才能转动并带动机械负荷。磁场所具有的磁场能是由电源供给的，电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫做感性无功功率。

2.2 负荷的自然功率因数

所谓自然功率因数是指供用电设备在没采取任何补偿手段的情况下，设备本身固有的功率因数，称自然功率数。也可以说在没有投入无功补偿装置前，设备本身有功功率与现在功率的比值称为自然功率因数，未经补偿的综合负荷的自然功率因数一般为1.6～0.9。电负荷是综合性的用电负荷，包括有各种类型的用电设备，其自然功率因数的高低，主要取决于设备的特性及其负荷率。

3 无功补偿容量和安装位置的优化

无功补偿容量的优化法则是从网损最小、年运行费最小、年支出费用最小的观点，求出最佳补偿容量的算法，以及在考虑负荷沿线分布情况下，求得最佳补偿容量和补偿位置的算法。这些算法的共同特点是：当求得所要求的量值的数学表达式以后，采用求函数极值的方法，来求得补偿容量和位置的数学表达式。从数学的观点来看，是一些古典的算法，故将其称为经典优化法。时至今日，这种方法仍被用在确定网络补偿容量和位置的实践中。

3.1 计算机监控配电网补偿电容器的方案

时控方式和电流控制方式是控制补偿电容器的2种基本方式，它们各有优缺点。SCADA 功能在电力系统中的应用，提供了采用计算机监控补偿电容器的控制方式。计算机根据SCADA系统所采集到的有效数据、实际出口的电流和时间，来控制电容器的投切。此方式更精确、科学；而且调节灵活、可靠，并可监视电容器的运行状况。

3.2 系统的硬件配置

选用新型的计算机作为中央控制系统，配备无线通讯监控系统与SCADA主机相连，用于监控配电网上各补偿点的投切装置。每个补偿点均装设数字无线接收器 1 台，并与自锁式继电器连接，作为补偿电容器的操作开关。同时还要配有计数器，记录操作次数。每台接收器都由 9 位滑动开关设定的编码，可设定512个补偿点，基本上能满足县级电网补偿点的要求。监控电容器计算机的指令可借助 SCADA 系统的音频振荡器和发射器发出。

3.3 对无功补偿新的要求

传统的无功收费方法是按功率出数进行考核和奖惩，对功率因数达不到规定值要求的进行经济惩罚。这种方法既没有给出合理的费用补偿办法，也没提供无功价格随无功需求波动而变化的经济信号，不利于调动各方参与系统无功/电压调整的积极性。在电力业放松管制后，电压/无功支持被纳入辅助服务之一。运行费用低的特点，通常无功的价格应包括容量价格和电量价格。

其中容量价格是为了实现无功补偿设备的投资回收和无功备用的价值回收，电量价格则是为了补偿无功设备的总运行费用。从各国电力市场的具体实践来看，对无功辅助服务的划分范围、补偿对象、费用机理和补偿程度各不相同。在美国，各电力市场的独立系统运营商（ISO）一般把发电机因提供无功支持导致有功损失而带来的机会成本纳入无功补偿的范围；澳大利亚的ISO把发电机及同步电容器纳入无功补偿的范畴，对发电机仅补偿其损失的机会成本，而对电容器的补偿为授权付费加电量付费；而英国国家电网公司（NGC）规定对无功的付费为电量付费加容量付费。电网公司作为单一的无功购买者，应该向发电厂支付无功费用，使其能够从无功容量付费和无功电量付费中得到完全补偿。

3.4 系统的软件配置

计算机控制电容器系统的主要软件功能：调整SCADA系统软件，设定SCADA系统的周期性数据转入暂存区。系统数据库按变电所、馈出线、配电网中电容器的顺序依次设定。数据库中每组补偿电容器附有冬、夏两季与负荷电流和时间对应的电容器投切关系表。同时还存储有各补偿点的负荷电流上、下限范围。当从 SCADA 系统传入数据后，电容器监控系统将此数据与补偿电容器投切关系表进行对比，以决定是否需要投切电容器。为避免 SCADA 系统发生故障影响电容器的操作，选用时控方式作为后备保护。

3.5 分散补偿电容器组的分布

为了使主干线少传输无功负荷，应尽量减少主干线的汇流密度，从而达到降损的最大效益；同时也为防止电压过高致使电容器过高发热，配电网的主干线，尤其是其前中段不宜装设电容器。为了防止电压过低而影响电容器的有效出力，配电线路的末端也不宜装设电容器。应视具体线路的电压监测情况，分散安装在各大小分支线上。安装点的电压水平应不超过电容器额定电压值的1.05倍，一般应位于分支线长度的1/3～2/3之间。

4 结语

近几年来，由于我国电网存量不断的增加，对电网无功要求也与日俱增。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时会导致设备损坏、系统解列。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题，对网络降损节能有着极为重要的意义。

参考文献：

[1] 孙，陈学林.220kV单相牵引系统负序电流计算及分析方法[J].江西电力职业技术学院学报，2011，（2）.

[2] 姚金雄，张涛，林榕，罗迪.牵引供电系统负序电流和谐波对电力系统的影响及其补偿措施[J].电网技术，2009，（9）.