配电网无功优化及无功补偿技术

周玉军 卢春红

摘 要：无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统的电压质量、降低网络损耗以及系统安全经济运行必不可少的重要组成部分。网络元件及负载所需要的无功功率来源于网络中的某个地方，如果要网络所需的无功功率都由发电机提供并跨过各个电压等级系统长距离传输显然是不合理的，不符合科学规律也很难做。科学合理的方法应该是在有无功功率需求的地方产生相适应的无功功率，即我们所说的无功补偿。在电力系统中，解决好无功补偿问题，对提高系统电能质量、保证安全经济运行、降损节能等方面都有着极为重要的意义。该文主要针对电力系统无功补偿的原则、方式、容量确定以及经济效益等做出论述和分析。

关键词：无功补偿 方式 容量 效益

中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-02

1 无功补偿的作用及无功补偿原则

1.1 电网中的无功电源

1.1.1 同步发电机同步发电机既是有功电功率电源，同样也是电网无功功率的来源，额定功率因数一般为0.8。

1.1.2 同步调相机同步调相机是连接在电力系统中的同步电动机。它的主要用途是产生无功功率，提高电力系统功率因数，提高电能质量和系统运行的稳定性。

1.1.3 输电线路充电电容高压输电线路不仅产生电感，消耗无功，同时具有相线对地电容，产生无功。

1.1.4 电容器静止电容器按照连接方式分为并联电容器补偿和串联电容补偿，采用电容器进行无功补偿是系统中广泛采用的一种方式。

1.2 无功补偿的作用

（1）在系统中三相负载不平衡的情况下（如电气化铁道等），应进行适当的无功补偿，这样可以平衡三项的负载。（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。为了提高输电系统的稳定性和输电能力，输电线路应适当设置动态无功补偿装置；（3）提高电力系统及其负载的功率因数，降低设备容量，减少设备功率损耗；

1.3 配电网无功补偿的原则

（1）无功补偿的方式有以下几种：高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；调压与降损相结合，以降损为主。（2）无功补偿应合理布局，统一规划，分级补偿，就地平衡。

2 无功补偿容量的计算

2.1 确定补偿容量的方法

确定补偿容量的目的是要提高配电网的某种运行指标，下面介绍几种常用的确定补偿容量的方法。

2.1.1 从提高功率因数需要确定补偿容量假设电网最大负荷月的平均有功功率为Pp，补偿前的功率因数为，补偿后的的功率因数为，则补偿容量计算式为：（Kvar）或（Kvar）

式中：—所需补偿容量，Kvar；—最大负荷日平均无功功率，Kvar；—最大负荷日平均有功功率，KW。

通常将功率因数从0.9提高到1所需的补偿容量，与将功率因数从0.72提高到0.9所需的补偿容量相当。因此补偿容量即。

2.1.2 从降低线损需要确定补偿容量线损率是电力网经济运行的一项重要指标，在技术条件一定的情况下，线路损失与流过电流的平方成正比。

补偿容量计算式为：

式中：—补偿前线损；—补偿后线损；—补偿后线损降低百分点；—补偿容量；U—线路电压；P—有功功率；—补偿前后容性电流差值；

2.1.3 从提高电网运行电压需要确定补偿容量

在配网线路的末端电压会有一定的损失，尤其是大负荷，小截面导线的线路，这就需要选择加装适当容量的补偿电容器来提高线路末端电压。同时也要考虑网络电压正常时，装设补偿电容不能使网络电压的升高越限，因此，必须确定补偿容量与网络电压增量之间的关系。

单相容量（Kvar）

式中：—投入电容器后的母线电压，KV；—投入电容器后电压增量，KV。

三相所需总电容量为：（Kvar）

式中：—投入电容后线电压增量；

可见，除所包含的电压和电压的增量是线电压和相电压的区别外，三相补偿容量的表达式与单相补偿容量的表达式是一样的。

2.1.4 用无功补偿经济当量确定补偿容量无功补偿经济当量计算式得知：当采用无功补偿当量确定补偿容量时，可将线路分成n段，算出每段的有功损耗值，计算式为：

式中：—第i段线路的补偿容量，Kvar；—第i段线路的无功功率，Kvar；Ri—第i段线路的电阻，Ω。

则n个线段有功损耗的减少总容量为：（KW）

因此，补偿电容容量为：

2.2 低压电网无功补偿的常用方法

低压电网无功补偿常用的三种方式是：随机补偿、随器补偿和跟踪补偿，目的是实现无功的就地平衡，

2.2.1 随机补偿随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制保护装置与电动机同时投切。为防止电动机退出运行时产生自激过电压，补偿容量一般不应大于电动机的空载无功，即

通常推荐

式中：Ue—额定电压，KV；Io—电动机容载电流，A；—补偿电容器容量，Kvar。

如排灌电动机等所带机械负荷轴惯性较大的电机，补偿容量可适当加大，大于电机空载无功负荷，要注意额定无功负荷。

对于排灌用普通电机，可按下式确定补偿容量：（Kvar）

式中：Pe—排灌用电机额定有功功率，KW。

一般电机功率运行小时数大于1000h时，选用随机补偿方式更经济。

2.2.2 随器补偿随器补偿是指将低压电容器通过低压熔断器接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，计算公式：

（Kvar）

式中：—变压器空载励磁无功功率，（Kvar）；—变压器空载电流百分数；Se—变压器额定容量，KVA。

配电变压器空载无功是网载功负荷的主要部分。是目前补偿配电变压器无功的有效手段之一。

随器补偿只能补配电变压器的空载无功。如果补偿容量，则配电变压器接近空载时造成过补偿，经验表明，在此条件下，当出现配电变压器非全相运行时，易产生铁磁谐振，因此推荐选用。

2.2.3 跟踪补偿跟踪补偿是以无功补偿投切装置作为控制保护装置将低压电容器组补偿在用户0.4 kV母线上的补偿方式（称为跟踪补偿方式）。其固定连接组可起到随器补偿的作用，补偿用户的无功基荷；投切连接组用于补偿无功峰荷部分。跟踪补偿适用于100 kVA以上专用配电变压器的用户，可以替代随机、随器两种补偿方式。在跟踪补偿与随机随器补偿的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。

2.3 随机随器补偿的节能效益

安装随机随器电容器补偿后可提高功率因数，并降低电动机和变压器的可变损耗，当功率因数从补偿前的，提高到补偿后的时，可变损耗降低的百分数计算式为：

式中：—补偿前线损；—补偿后线损；—补偿后线损降低百分点；R—绕组电阻，Ω；P—有功功率，KW；—补偿前功率因数；—补偿后功率因数；

从上式计算可知，功率因数由提高到时对降低可变损耗的效益。

2.4 配电网无功补偿配置技术原则

（1）配电网的无功补偿以配电变压器低压侧集中补偿为主，以高压补偿为辅。（2）配电变压器的无功补偿容量可按变压器最大负载率为75 %，负荷自然功率因数为0.85考虑，补偿到变压器最大负荷时其高压侧功率因数不低于0.95，或按变压器容量的20%～40%进行配置。（3）配电变压器的电容器组应装设以电压为约束条件，根据无功功率（或无功电流）进行分组自动投切的控制装置。（4）配电线路分散补偿，无功补偿装置安装地点的选择应符合无功就地平衡的原则，尽可能减少主干线上的无功电流为目标。一般对于均匀分布无功负荷的配电线路，其补偿容量和安装位置按[2n/（2n+1）]（其中n为不小于1的整数）规则，求得最优补偿方案。考虑到无功补偿装置的运行维护、补偿效益及投资回收期限，因此，沿线的无功补偿点以安装一处为适宜，最多不应超过二处，可以直接连接于主干线上和较大的分支线上，每个补偿点的容量不宜超过100～150 kvar。配电线路上无功补偿容量应适当控制，并且在线路负荷低谷时，不应出现过补偿向系统倒送无功。负荷在线路上的分布状况不同，安装地点也不相同，具体位置应根据负荷分布特点和容量的大小计算确定见表1

所示。

3 结语

无功优化已是配网系统安全经济运行的核心问题之一，它的目标是在满足约束条件的前提下，使系统的某个指标或多个指标达到最优，在现代化的能量管理系统（EMS）中占有重要地位。配网系统电压/无功优化在保证满足运行约束的同时，用尽量少的无功投入（或尽量少的无功补偿设备投资），最大限度地改善电压质量、降低网损。随着电力科学技术的不断进步，配电网无功补偿技术必定会再上新台阶，满足新需求！

参考文献

[1] 王合贞.高压并联电容器无功补偿实用技术[M].中国电力出版社，2006-09.