电力系统无功补偿点及其补偿容量的确定

潘国能

（舟山中际化工有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

在社会经济不断发展背景下，智能电网建设也更加完善，并且在实际应用中取得了不菲的成效。但在电力系统运行中，由于电网负荷性能、承载容量有限，不同地区电网承载性、容量也有差异。一般情况下，电网承受的负荷越大，电网的容量就越高，同时也对电网运行的安全性、经济性提出了更高要求。因此，为了保证电力系统运行效率，降低电网运行的无功损耗，提高电力供给质量，必须做好电力系统无功补偿点和补偿容量的确定工作，发挥电力系统运营的整体效益。

1 无功补偿

无功补偿称为无功功率补偿，在电力系统中可以提升电网运行功率、改善供电环境，同时还可以降低输电线路损耗和变压器损耗。无功补偿作为电力系统不可或缺的装置，需要对无功补偿点和补偿容量进行分析，保证电网运行质量。如果无功补偿点、补偿容量计量不当，很可能造成电力系统出现电压波动、谐波增大等情况。

随着智能电网在电力系统应用得愈加广泛，提高了无功补偿技术的普及率。但任何一项技术都存在弊端，无功补偿技术也是如此。如单相电力牵引负荷变化、负序增加、无功功率增加等，都会给电力系统的运行带来一定负面影响，影响电力系统运行的稳定性。而无功、负序、谐波等问题也是当今电网建设中需要重点关注的问题。

2 无功补偿点的确定

无功补偿是电网建设和改造的重要组成部分，它是保持网络无功平衡，提高电压质量，降低网络损耗的有效措施，是降损措施中投资少、回报高的方案。通过无功补偿降低网损和提高电压是一种投资少回报高的方案。而无功补偿点的确定是实现无功补偿的前提条件，掌握好无功补偿点才能实现最优的无功补偿。

2.1 无功裕度

根据电网运行特性，需要先了解电网网络结构特性，在电网负荷达到一定限度后，电网局部就会产生电压的点崩溃情况，因此要在确保电压稳定的基础上，还要满足无功裕度大于0的条件。计算各个负荷节点局部电压指标，从而确定每个负荷点电压稳定裕度。其中，稳定裕度值直接影响负荷点电压的稳定度，稳定裕度越低，系统电压失稳可能性越高，所以稳定裕度可以找出电压稳定弱节点。对于给定的系统状态，可以设定一个最大的电压稳定裕度门槛，根据裕度大小排列，即可构建电压稳定裕度小于最大与裕度值的负荷节点，这些节点即可作为无功补偿点。

2.2 节点无功裕度值的确定

无功裕度值和无功补偿容量之间有着直接联系，通常情况下二者之间的关系为负相关，也就是无功裕度越高，无功补偿容量要求就越小；反之无功裕度越小，则无功补偿容量需求就越大。采用科学的方法确定无功补偿点，精准的计算无功裕度。无功裕度计算通常要注意3 个方面。

（1）结合电力系统自身特性，结合线路参数、结构点，即可计算电网潮流，获取不同节点功率、电压。

（2）结合无功裕度定义，可以计算每个节点无功裕度，并无功裕度排列组合。

（3）根据计算出的无功裕度值，由大到小的顺序排列，这些数值作为后续无功补偿容量确定的重要依据。

合理的选择无功补偿点、无功补偿措施、补偿装置，可以有效维护系统电压水平，提升系统电压的稳定性，避免产生大量的无功远距离传输，降低有功损耗和发电成本。

3 无功补偿容量的确定

某变电厂（500 kV·A 变压器）在人工补偿前功率因数为0.85，根据功率因数调整电费标准，每月罚款为总电费的2.5%，在人工补偿中根据变电厂运作情况，结合相关标准确定无功补偿量，加装电容器补偿后，平均功率因数为0.9，每月电费降低0.5%，功率因数提升使电费降低了近60 万元。

3.1 无功规划数学模型

电力系统无功规划作为一种不连续的多目标优化内容。目标函数可以降低有功损耗、提升电压水平、最小化安装额外无功容量费用，保证电力系统运行费用最低。无功优化模型，就是以无功能规划内容为基础，通过计算机技术构建无功补偿模型，采用仿真技术判定模型运行效果，并进行针对性优化。

3.2 无功补偿量计算方法

结合无功优化特性，采用传统搜索技术、改进遗传技术，通过改进遗传算法作为一阶搜索，在指定时间、范围内得出无功补偿范围，之后通过二阶局部搜索方案，将无功补偿范围逐次减少（每次减少上一个可行域的50%），即可在较少的计算工作量基础上得到最优数值。

根据无功优化特性，应用浮点数编码方案，即每个个体的基因值都在取值范围内用一个浮点表示，个体编码长度与控制变量个数相等。根据编码内容对无功补偿范围节点进行选择，构建可行性补偿节电的数据库，从数据库中挑选无功补偿容量。理论上是负载需要多少无功功率，就补偿多少无功功率。所以可以从负载设备的参数计算出来。在实际中，设备的负荷是波动的，所以必须随时调整补偿容量，与负载相匹配，才能实现功率因数最佳，否则就会出现欠补偿，或者过补偿，都会导致被罚款。这就是补偿柜都采用自动控制的方式。剩下的，只要确定最大的补偿需量就可以了。

最大的补偿需量可以用设备参数计算，实际中多采用经验数据：变压器容量的30%～40%。案例中500 kV·A 的变压器，补偿柜配置150～200 kVar 即可。按用户负载特点、路数等，最终确定一个数值。初始设计，通常取大一些。

3.3 电气设备补偿量确定

单台电机补偿容量应以将电机空载时的功率因数补偿到1或接近于1 来确定。因为电机空载时的功率因数为1，则满载时的功率因数必然滞后。如果把电机满载时的功率因数补偿到1，则电机空载或轻载时功率因数就会变成超前，也就说会出现过补偿的情况。这种过补偿的电机，在切断电源后，由于电容器的放电，能使仍在旋转着的电机成为感应发电机，而使电压超过额定电压好多倍，对电机和电容器都有害。另外，若在电机仍转动时重新合闸，将会产生相当大的电流冲击和瞬时转矩，容易造成电机的机轴损坏。所以对单台电机的补偿容量，应根据电机的运行工况确定。

此外，对于机械负荷惯性较小的电机（如风机等），补偿容量≈0.9×电动机空载无功功率；对于水泵、球磨机等机械负荷惯性较大的用电设备的电机，电源断开后电动转速迅速下降，随即补偿并联电容器容量稍大于电机空载励磁功率时也不会产生自激过电压，为增加补偿效果以及有利于电机启动，其补偿容量可选得较大些。

总之，通过计算出控制变量值变压器就接头数值、网损和补偿量、补偿无功总量，加入补偿电容，对发电机电压、变压器变比调节，即可有效降低电力系统网损，并且采用更小的无功补偿容量得到更优的电力系统网损值。

4 电力系统无功补偿应用要点

4.1 确定补偿方案

在电力系统评价中，电能质量是评价核心参数，电压直接影响电能质量，而造成无功功率受到功率、阻抗等影响。通过对电力系统进行分析，针对性选择电力系统无功补偿技术，如SCOTT 变压器、晶闸管电子开关控制电容投切等。结合以往工作经验可知，选择科学的补偿方法即使在线路跨度较长的区域，也可以有效控制并降低负序量。

4.2 无功补偿共性问题

电力系统应用无功补偿技术可以有效提升系统运行的安全性，还可以提升电能使用率。结合电力系统无功损耗等问题，从经济层面考虑可以降低电网事故处理成本，即可实现预算系统经济利益的有序增长。在电力领域，变电站无功补偿技术应用十分广泛。发电厂传输到变电站间的无功电流，而无功电流通过线路进入到低压线时会增加传输量，提升电能损耗。因此在变电站规划中，可以在区域内设置多个无功补偿变电站。当今220 kV智能变电站的调节功能更加丰富，可以灵活调节容量，甚至可以调节最大的符合功率值（0.98）。因此，在无功补偿技术应用中，要判定当地变电站是否增设了无功补偿，并调整补偿变压器，从而实现无功补偿目标。

4.3 智能补偿选择

在智能补偿选择中，要保证达到“布局合理、系统平衡、分级补偿”的要求，以提升无功补偿效益。通常可以从以下3 点出发：

（1）电力系统与用户系统补偿结合。在用户供电系统中加入无功功率补偿，提升电气设备在实际运行中的功率总量，减少用户日常用电时的无功损耗，有效降低了用户的用电成本。据不完全调查显示，有40%以上的无功损耗都是在配电变压器、线路方面，剩余60%为无功损耗在用户用电系统领域。因此要注重用户用电系统无功补偿。

（2）集中与分散补偿结合。在变电站集中无功补偿中，还需要注重其他方面的分散补偿，包括电网线路、变压器、电气设备等，并且是以分散补偿为主，这样可以更好的降低无功损耗率。再者，无功补偿值并非越高越好，因此分散补偿也要合理布置、确定合理的补偿容量值。同时还要考虑分散补偿维护十分困难，因此要在适宜的部位设置分散补偿。

（3）降损和调压结合。降损是直接减少电力系统运行损耗的方法，同时还要合理调压，确保满足用户用电需求。如用电高峰期电压会增高，同时也会提升电力系统电能损耗量，严重的会产生线损情况。此时就要在无功补偿基础上进行调压，提高电网功率因数，实现降损目标。

5 结束语

综上所述，针对电力系统无功损耗问题，分析无功补偿点和补偿容量的确定方法，应用混合改进遗传算法得出每个补偿点的无功补偿容量，该方法在实际应用要求获取节点最佳补偿，无功补偿效益更高。在此基础上，提出电力系统无功补偿技术的应用要点，需要结合当地电网实际表现情况合理进行无功补偿，以实现无功优化目标，提升电网运行的安全性和节能性。