电网无功补偿的意义和方式 于洪涛

电网无功补偿的意义和方式于洪涛一无功及其对电网的影响电源能量与感性负载线圈中磁场能量或容性负载电容中的电场能量之间进行着可逆的能量交换而占有的电网容量叫无功。

它是交流电路中，电压U与电流I存在一相角差时，电流流过容性电抗(XC)或感性电抗(XL)时所形成的功率分量。

一方面，无功功率可以用来产生用电设备所需要的磁场，比如电动机等电感性设备。

另一方面，这种功率在电网中会造成电（感性电抗时）或电压升高（容性电抗时）和焦耳（电阻发热）损失，却不能做出有效的功。

电压质量对电网稳定、电力设备安全运行以及工农业生产具有重大影响，无功是影响电压的一个重要因素。

尤其对确定规模的电网络终端系统，无功过剩一方面会提高系统运行电压，导致运行中的用电设备的运行电压超出额定工况，缩短设备的使用寿命；另一方面，也会影响线路传输的安全稳定性，导致系统的输送容量下降，给电网运行调度带来不利的影响。

而系统无功不足时，一方面会降低电网电压，另一方面，电网中传送的无功功率还增加了电能传输时的网络损耗，加大了电网的运行成本[1]。

因此，无功的合理调整在提高电能质量、降低网损、操作电网运行的稳定性和安全性等方面具有极为重要的意义。

二无功补偿及其作用2.1无功补偿的概念无功要在电路中产生电流，这种电流称之为电感电流。

电感电流同样会增加电气线路和变压设备的负担，降低电气线路和变压设备的利用率，增加电气线路的发热量。

但没有它，用电设备（特别是电动机等电感性设备）又不能正常工作。

因此，就需要找一种电器件接在线路上，这个器件在同一电源下，所产生的电流与电感电流方向相反，可以用来抵消电感电流。

这样，既不影响电动机产生磁场，又能消除或减少线路上的电感电流，这种电容器就叫补偿电容器，也叫电力电容器, 它在线路上的电流正好与电感电流相反。

只要在线路上接的电容数量与负载的电感分量向匹配，他产生的电容电流就能非常有效地消除或减少线路上的电感电流，也就是消除或减少负载向电网吸取无功功率。

这样就能减少电气线路和变压设备的负担，提高电气线路和变压设备的利用率，降低电气线路的发热量。

这种在电气线路上安装补偿电容器以减少无功功率方式就称为无功补偿。

2.２无功补偿的作用随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。

由于负荷的不断增加，以及电源的大幅增加，不但改变了电力系统的网络结构，也改变了系统的电源分布，造成系统的无功分布不尽合理，甚至可能造成局部地区无功严重不足、电压水平普遍较低的情况。

随着系统结构日趋复杂，当系统受到较大干扰时，就可能在电压稳定薄弱环节导致电压崩溃。

合理的无功补偿点的选择以及补偿容量的确定，能够有效地维持系统的电压水平，提高系统的电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用。

采用无功补偿可以收到以下效果：①减少电力损失，一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗约2%--3%左右，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失。

②改善供电品质，提高功率因数，减少负载总电流及电压降。

于变压器二次侧加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。

③延长设备寿命。

改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可以降低温升增加寿命（温度每降低10°C，寿命可延长1倍）④最终满足电力系统对无功补偿的监测要求，消除因为功率因数过低而产生的罚款三我国目前无功补偿的方式及适用场合目前，国内电网采用的无功补偿技术主要有：变电站集中补偿方式、低压集中补偿方式、杆上无功补偿方式和用户终端分散补偿方式。

３.１变电站集中补偿方式针对输电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿（如图1的方式1），补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是改善输电网的功率因数、提高终端变电所的电压和补偿主变的无功损耗。

这些补偿装置一般连接在变电站的10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，但是这种方案对电网的降损起不到什么作用。

图1 配电网系统各种无功补偿方式示意图为了实现变电站的电压控制，通常无功补偿装置（一般是并联电容器组）结合有载调压抽头来调节。

通过两者的协调来进行电压/无功控制在国内已经积累了丰富的经验，九区图便是一种变电站电压/无功控制的有效方法。

然而操作上还是较为麻烦的，因为由于限值需要随不同运行方式进行相应的调整；在某些区上会产生振荡现象；而且由于实际操作中抽头调节和电容器组投切次数是有限的，但九区图没有相应的判断。

而现行九区图的调节效果也不是数学上证明的最好效果，因此九区图的应用还有待进一步改善。

利文献［2］用模糊数学的概念建立了数学模型，得出了模糊边界的无功调节判据，它的特点是将九区图中固定的无功上下限边界改变成受电压影响的模糊边界，其边界的斜率可根据具体的投切边界条件进行调整。

所设计的一种新型的变电站电压无功微机综合控制装置，在保证电压合格和无功最佳补偿效果的情况下，有载变压器分接头的调节次数比同类装置或人工调节约减少1/3，提高了变电站电压合格率，线损降低20%左右。

3.2低压集中补偿方式目前国内较普遍采用的另外一种无功补偿方式是在配电变压器380V侧进行集中补偿（如图1的方式2），通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百千乏不等，根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。

目前国内各厂家生产的自动补偿装置通常是根据功率因数来进行电容器的自动投切的，也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控制的。

这虽然有助于保证用户的电能质量，但对电力系统并不可取。

因为虽然线路电压的波动主要由无功量变化引起，但线路的电压水平是由系统情况决定的。

当线路电压基准偏高或偏低时，无功的投切量可能与实际需求相去甚远，出现无功过补偿或欠补偿。

对配电系统来说，除了专用变之外，还有许多公用变。

而面向广大家庭用户及其他小型用户的公用变压器，由于其通常安装在户外的杆架上，进行低压无功集中补偿则是不现实的：难于维护、控制和管理，且容易成为生产安全隐患。

这样，电网的补偿度就受到了限制。

3.3杆上补偿方式文献［3，4］提出了进行配电系统杆上无功补偿的必要性和方法。

由于电网中大量存在的公用变压器没有进行低压补偿，使得补偿度受到限制。

由此造成很大的无功缺口需要由变电站或发电厂来填，大量的无功沿线传输使得电网网损仍然居高难下。

因此可以采用 10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上（或另行架杆）进行无功补偿（如图1的方式 3），以提高电网功率因数，达到降损升压的目的。

由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境和空间等客观条件限制等工程问题。

显然，杆上无功补偿主要是针对10kV馈线上沿线的公用变所需无功进行补偿，文献［4］提出了这种补偿方式的最优地点和容量的算法。

因其具有投资小，回收快，补偿效率较高，便于管理和维护等优点，适合于功率因数较低且负荷较重的长配电线路，但是因负荷经常波动而该补偿方式是长期固定补偿，故其适应能力较差，主要是补偿了无功基本负荷，在线路重载情况下补偿度一般是不能达到0.95。

应该开发电容器组能自动投切的杆上自动无功补偿技术。

3.4用户终端分散补偿方式目前在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿（如图1的方式4）将最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。

《供电系统设计规范》（GB50052-1995）指出，容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备无功负荷宜单独就地补偿。

故对于企业和厂矿中的电动机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿；针对小区用户终端，由于用户负荷小，波动大，地点分散，无人管理，因此应该开发一种新型低压终端无功补偿装置，并满足以下要求：①智能型控制，免维护；②体积小，易安装；③功能完善，造价较低。

四发展趋势随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，无功补偿的发展趋势主要有以下几点：①在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问题。

②快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况(如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合)。

随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制等。

③目前无功补偿技术还主要用于低压系统。

高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制，是通过变压器降压接入的，如用于电气化铁道牵引变电所等。

研制高压动态无功补偿的装置则具有重要意义，关键问题是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压，即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制的同步性等。

④由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。

随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。

研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。

参考文献【1】夏文雄，刘勇，赵鸿．电网电压控制方案的探讨［J］．广东电力，2002年8月，V ol．15，No．4，pp：23～25。

【2】厉吉文, 孔庆军, 张连宏. MCVQ-1变电站电压无功微机综合控制系统［J］.山东电力技术1999(5): 60-63。

【3】张勇军, 任震, 廖美英等. 10kV长线路杆上无功优化补偿［J］. 中国电力, 2000, 33(9): 50-52。

【4】张勇军, 任震, 李本河等. 基于配网潮流计算的杆上无功补偿优化算法研究。