浅谈无功补偿

浅谈无功补偿

摘要：在实际电力系统中，异步电动机作为传统的主要负荷使电网产生感性无功电流；电力电子装置大多数功率因数都很低，导致电网中出现大量的无功电流。无功电流产生无功功率，给电网带来额外负担且影响供电质量。因此，无功功率补偿(以下简称无功补偿)就成为保持电网高质量运行的一种主要手段之一，这也是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临发展的一个重大课题，且正在受到越来越多的关注。

关键词：电网无功补偿

中图分类号：u665文献标识码： a 文章编号：

一、无功功率产生的原因及影响

无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。电感性电气设备如异步电动机和变压器等由于在运行时需要建立磁场，此时所消耗的能量不能转化为有功功率，故被称为无功功率q。电感性设备是电网中消耗无功功率的主要部分，另外，目前应用越来越广泛的电力电子装置等非线性装置也会消耗大量的无功功率。

无功功率的大量存在会严重影响电网的供电质量。无功功率的存在增加了设备的容量，进而增加了设备的用电量，输电线路上电流的增加会加大电压降落，大量无功功率在电网中传输更会造成输电线路及变压器损耗的增加，由此降低了系统的经济效益及可靠性。

二、无功补偿的原理及补偿原则

从电网中获取大量的无功功率会造成供电质量的下降，因此如果由无功补偿装置获取无功功率就可以大大提高系统的功率因数，改善电网的供电质量。

1、功率因数

正弦交流系统中，纯感性负荷的电流滞后其电压90度的相角，纯容性负荷的电流超前其电压90度的相角。如果一个系统中感性负荷的数量大于容性负荷的数量，那么此系统的负荷主要呈现感性，则系统电流就会滞后系统电压某一角度，这一角度的余弦值就称为功率因数（滞后）。相反，一个系统主要为容性负荷，系统电流会超前电压某一角度，这一角度的余弦值就称为功率因数（超前）。功率因数符号表示为cosψ，其中ψ为电流与电压的相角差，后面注明超前或滞后以示区别。由于大部分系统呈现感性，因此功率因数默认为滞后。另外，经过推导，功率因数还可以表示为有功功率p与视在功率s的比值，即cosψ=p/s，因此，功率因数可以反映有功功率在视在功率中的比重。

2、无功补偿原理及补偿装置

无功补偿的基本原理就是在系统的低压或高压侧装设并联电容器组等可以产生无功功率的装置，系统的大部分无功功率由产生无功功率的装置处获得，以减少由电网获取无功功率的量，从而提高系统的功率因数。

无功补偿的装置很多，主要有以下几种：1并联电容器组，2同步调相机，3静止无功补偿器，4静止无功发生器等。其中，并联

电容器组是一种静态的无功补偿装置，用它进行的补偿称为并联电容补偿，后三者属于动态的无功补偿装置。并联电容器组本身功耗很小，装设灵活，节省投资，是目前使用最广泛的一种无功电源，因此本文将以并联电容器组为例介绍其无功补偿的原理。

并联电容器组主要由电抗器和电容器两部分串联组成，一般分为若干组，根据系统的实际功率因数分组投切进行补偿。补偿级数(即补偿电容器的分组数量)越多，补偿的精度越高，但随着补偿级数的增加，装置的成本会大幅度提高，而且箱壳的体积也会增大。综合考虑补偿精度、成本、箱体体积等因素，一般采用11级分级容量补偿，前9级为等容量以满足基本补偿，后2级为小容量以提高补偿精度。以1台180kvar的补偿装置为例：①前9级为每级

18kvar，9×18=162kvar；②后2级为每级9kvar；9×2=18kvar，合计180kvar。电抗器的作用是防止由于系统的高次谐波产生串联或并联谐振，但不能完全避免谐振。目前生产并联电容器组用于无功补偿的厂家，将电抗器的阻抗定为电容器的6%或7%（基波频率下），当取6%时，即 =6% ，由谐振频率的计算公式可得：其中为谐振频率，即在频率为204时，并联电容器组将发生串联谐振，当高于204 时，由于并联电容器组与系统一样呈现感性，所以系统不会发生谐振，但低于204 时，并联电容器组仍呈现容性，因此还有发生谐振的可能。谐振点的值取决于所串电抗器的阻抗相对于电容器阻抗的百分比，例如当 =7% 时， =189 ，高于189 的谐波系统就都不会发生谐振，因此选择电抗器阻抗百分比应根据系

统存在高次谐波的实际情况而定。

3、无功补偿方式

理论上而言，无功补偿最好的方式是在哪里需要的无功，就在哪里补偿，整个系统将没有无功电流的流动。但在实际电网当中这是不可能做到的。因为无论是变压器、输电线路还是各种负载，均会需要无功。就工程设计而言，应遵循以下内容：采用并联电力电容器作为人工无功补偿装置时，为了尽量减少线损和电压损失，宜就地平衡补偿，即低压部分的无功功率宜由低压电容器补偿，高压部分的无功功率宜由高压电容器补偿。当无高压负荷时不得在高压侧装设并联电容器装置。对于容量较大，负荷平衡且经常使用的用电设备的无功功率，宜单独就地补偿。补偿基本无功功率的电容器组宜在配变电所内集中补偿，在环境正常的车间内低压电容器宜分散补偿;高压电容器组在配、变电所内集中装设，当对电动机用电设备采用就地单独补偿时，补偿电容器的额定电流不应超过电动机励磁电流的0.9倍。在进行用电负荷计算时，应计入补偿后的无功功率。

三、无功补偿容量的计算及补偿特性

1、无功补偿容量的计算

无功补偿容量的计算需要知道以下参数：系统的有功功率p （kw）、目标功率因数cosψ1（补偿后的功率因数）、系统补偿前功率因数cosψ0或补偿前的无功功率数q0（kvar），或知道了系统有功功率p及补偿前后的功率因数角ψ1、ψ0也可以进行计算。

计算公式如下：

○1

○2

○3

其中，（kvar）表示系统所需补偿的无功功率数。公式1适用于知道了系统的有功及补偿前后功率因数角的情况下进行计算，而一般补偿前后的功率因数角不能直接得到，因此一般不用此公式计算。公式2是在知道了有功功率及补偿前后功率因数情况下的计算公式。公式3适用于知道了系统的有功功率、原无功功率及补偿后功率因数情况下的计算公式。

2、无功补偿特性

由无功补偿的计算公式可知，无功补偿容量与各个参数之间并不是成正比的关系。下面以一个实际的系统为例说明无功补偿的特性。

假设一个系统的有功功率为10kw，当其功率因数为0.1时，如果目标功率因数为0.11，则须补偿的无功功率根据公式可计算出为9.14kvar。当其功率因数为0.11时。如果目标功率因数为0.12，则须补偿的无功功率为7.62kvar，以此为规律依次计算可得到功率因数在原基础上每升高0.01所需补偿的无功功率数，将数据描点可绘制出一张曲线图，如图1所示：

图1

此图表示的意义为：功率因数为横坐标上的值时，功率因数在