配電網(wǎng)無功優(yōu)化及無功補償技術(shù)

周玉軍 盧春紅

摘 要：無功電源如同有功電源一樣，是保證電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行必不可少的重要組成部分。網(wǎng)絡(luò)元件及負(fù)載所需要的無功功率來源于網(wǎng)絡(luò)中的某個地方，如果要網(wǎng)絡(luò)所需的無功功率都由發(fā)電機提供并跨過各個電壓等級系統(tǒng)長距離傳輸顯然是不合理的，不符合科學(xué)規(guī)律也很難做?？茖W(xué)合理的方法應(yīng)該是在有無功功率需求的地方產(chǎn)生相適應(yīng)的無功功率，即我們所說的無功補償。在電力系統(tǒng)中，解決好無功補償問題，對提高系統(tǒng)電能質(zhì)量、保證安全經(jīng)濟運行、降損節(jié)能等方面都有著極為重要的意義。該文主要針對電力系統(tǒng)無功補償?shù)脑瓌t、方式、容量確定以及經(jīng)濟效益等做出論述和分析。

關(guān)鍵詞：無功補償 方式 容量 效益

中圖分類號：TM714.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-02

1 無功補償?shù)淖饔眉盁o功補償原則

1.1 電網(wǎng)中的無功電源

1.1.1 同步發(fā)電機同步發(fā)電機既是有功電功率電源，同樣也是電網(wǎng)無功功率的來源，額定功率因數(shù)一般為0.8。

1.1.2 同步調(diào)相機同步調(diào)相機是連接在電力系統(tǒng)中的同步電動機。它的主要用途是產(chǎn)生無功功率，提高電力系統(tǒng)功率因數(shù)，提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

1.1.3 輸電線路充電電容高壓輸電線路不僅產(chǎn)生電感，消耗無功，同時具有相線對地電容，產(chǎn)生無功。

1.1.4 電容器靜止電容器按照連接方式分為并聯(lián)電容器補償和串聯(lián)電容補償，采用電容器進行無功補償是系統(tǒng)中廣泛采用的一種方式。

1.2 無功補償?shù)淖饔?/p>

（1）在系統(tǒng)中三相負(fù)載不平衡的情況下（如電氣化鐵道等），應(yīng)進行適當(dāng)?shù)臒o功補償，這樣可以平衡三項的負(fù)載。（2）穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。為了提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力，輸電線路應(yīng)適當(dāng)設(shè)置動態(tài)無功補償裝置；（3）提高電力系統(tǒng)及其負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少設(shè)備功率損耗；

1.3 配電網(wǎng)無功補償?shù)脑瓌t

（1）無功補償?shù)姆绞接幸韵聨追N：高壓補償與低壓補償相結(jié)合，以低壓補償為主；集中補償與分散補償相結(jié)合，以分散補償為主；調(diào)壓與降損相結(jié)合，以降損為主。（2）無功補償應(yīng)合理布局，統(tǒng)一規(guī)劃，分級補償，就地平衡。

2 無功補償容量的計算

2.1 確定補償容量的方法

確定補償容量的目的是要提高配電網(wǎng)的某種運行指標(biāo)，下面介紹幾種常用的確定補償容量的方法。

2.1.1 從提高功率因數(shù)需要確定補償容量假設(shè)電網(wǎng)最大負(fù)荷月的平均有功功率為Pp，補償前的功率因數(shù)為，補償后的的功率因數(shù)為，則補償容量計算式為：（Kvar）或（Kvar）

式中：—所需補償容量，Kvar；—最大負(fù)荷日平均無功功率，Kvar；—最大負(fù)荷日平均有功功率，KW。

通常將功率因數(shù)從0.9提高到1所需的補償容量，與將功率因數(shù)從0.72提高到0.9所需的補償容量相當(dāng)。因此補償容量即。

2.1.2 從降低線損需要確定補償容量線損率是電力網(wǎng)經(jīng)濟運行的一項重要指標(biāo)，在技術(shù)條件一定的情況下，線路損失與流過電流的平方成正比。

補償容量計算式為：

式中：—補償前線損；—補償后線損；—補償后線損降低百分點；—補償容量；U—線路電壓；P—有功功率；—補償前后容性電流差值；

2.1.3 從提高電網(wǎng)運行電壓需要確定補償容量

在配網(wǎng)線路的末端電壓會有一定的損失，尤其是大負(fù)荷，小截面導(dǎo)線的線路，這就需要選擇加裝適當(dāng)容量的補償電容器來提高線路末端電壓。同時也要考慮網(wǎng)絡(luò)電壓正常時，裝設(shè)補償電容不能使網(wǎng)絡(luò)電壓的升高越限，因此，必須確定補償容量與網(wǎng)絡(luò)電壓增量之間的關(guān)系。

單相容量（Kvar）

式中：—投入電容器后的母線電壓，KV；—投入電容器后電壓增量，KV。

三相所需總電容量為：（Kvar）

式中：—投入電容后線電壓增量；

可見，除所包含的電壓和電壓的增量是線電壓和相電壓的區(qū)別外，三相補償容量的表達(dá)式與單相補償容量的表達(dá)式是一樣的。

2.1.4 用無功補償經(jīng)濟當(dāng)量確定補償容量無功補償經(jīng)濟當(dāng)量計算式得知：當(dāng)采用無功補償當(dāng)量確定補償容量時，可將線路分成n段，算出每段的有功損耗值，計算式為：

式中：—第i段線路的補償容量，Kvar；—第i段線路的無功功率，Kvar；Ri—第i段線路的電阻，Ω。

則n個線段有功損耗的減少總?cè)萘繛椋海↘W）

因此，補償電容容量為：

2.2 低壓電網(wǎng)無功補償?shù)某Ｓ梅椒?/p>

低壓電網(wǎng)無功補償常用的三種方式是：隨機補償、隨器補償和跟蹤補償，目的是實現(xiàn)無功的就地平衡，

2.2.1 隨機補償隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制保護裝置與電動機同時投切。為防止電動機退出運行時產(chǎn)生自激過電壓，補償容量一般不應(yīng)大于電動機的空載無功，即

通常推薦

式中：Ue—額定電壓，KV；Io—電動機容載電流，A；—補償電容器容量，Kvar。

如排灌電動機等所帶機械負(fù)荷軸慣性較大的電機，補償容量可適當(dāng)加大，大于電機空載無功負(fù)荷，要注意額定無功負(fù)荷。

對于排灌用普通電機，可按下式確定補償容量：（Kvar）

式中：Pe—排灌用電機額定有功功率，KW。

一般電機功率運行小時數(shù)大于1000h時，選用隨機補償方式更經(jīng)濟。

2.2.2 隨器補償隨器補償是指將低壓電容器通過低壓熔斷器接在配電變壓器二次側(cè)，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配電變壓器在輕載或空載時的無功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵磁無功，計算公式：

（Kvar）

式中：—變壓器空載勵磁無功功率，（Kvar）；—變壓器空載電流百分?jǐn)?shù)；Se—變壓器額定容量，KVA。

配電變壓器空載無功是網(wǎng)載功負(fù)荷的主要部分。是目前補償配電變壓器無功的有效手段之一。

隨器補償只能補配電變壓器的空載無功。如果補償容量，則配電變壓器接近空載時造成過補償，經(jīng)驗表明，在此條件下，當(dāng)出現(xiàn)配電變壓器非全相運行時，易產(chǎn)生鐵磁諧振，因此推薦選用。

2.2.3 跟蹤補償跟蹤補償是以無功補償投切裝置作為控制保護裝置將低壓電容器組補償在用戶0.4 kV母線上的補償方式（稱為跟蹤補償方式）。其固定連接組可起到隨器補償?shù)淖饔?，補償用戶的無功基荷；投切連接組用于補償無功峰荷部分。跟蹤補償適用于100 kVA以上專用配電變壓器的用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式。在跟蹤補償與隨機隨器補償?shù)慕?jīng)濟性接近時，應(yīng)優(yōu)先選用跟蹤補償方式。

2.3 隨機隨器補償?shù)墓?jié)能效益

安裝隨機隨器電容器補償后可提高功率因數(shù)，并降低電動機和變壓器的可變損耗，當(dāng)功率因數(shù)從補償前的，提高到補償后的時，可變損耗降低的百分?jǐn)?shù)計算式為：

式中：—補償前線損；—補償后線損；—補償后線損降低百分點；R—繞組電阻，Ω；P—有功功率，KW；—補償前功率因數(shù)；—補償后功率因數(shù)；

從上式計算可知，功率因數(shù)由提高到時對降低可變損耗的效益。

2.4 配電網(wǎng)無功補償配置技術(shù)原則

（1）配電網(wǎng)的無功補償以配電變壓器低壓側(cè)集中補償為主，以高壓補償為輔。（2）配電變壓器的無功補償容量可按變壓器最大負(fù)載率為75 %，負(fù)荷自然功率因數(shù)為0.85考慮，補償?shù)阶儔浩髯畲筘?fù)荷時其高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95，或按變壓器容量的20%～40%進行配置。（3）配電變壓器的電容器組應(yīng)裝設(shè)以電壓為約束條件，根據(jù)無功功率（或無功電流）進行分組自動投切的控制裝置。（4）配電線路分散補償，無功補償裝置安裝地點的選擇應(yīng)符合無功就地平衡的原則，盡可能減少主干線上的無功電流為目標(biāo)。一般對于均勻分布無功負(fù)荷的配電線路，其補償容量和安裝位置按[2n/（2n+1）]（其中n為不小于1的整數(shù)）規(guī)則，求得最優(yōu)補償方案?？紤]到無功補償裝置的運行維護、補償效益及投資回收期限，因此，沿線的無功補償點以安裝一處為適宜，最多不應(yīng)超過二處，可以直接連接于主干線上和較大的分支線上，每個補償點的容量不宜超過100～150 kvar。配電線路上無功補償容量應(yīng)適當(dāng)控制，并且在線路負(fù)荷低谷時，不應(yīng)出現(xiàn)過補償向系統(tǒng)倒送無功。負(fù)荷在線路上的分布狀況不同，安裝地點也不相同，具體位置應(yīng)根據(jù)負(fù)荷分布特點和容量的大小計算確定見表1

所示。

3 結(jié)語

無功優(yōu)化已是配網(wǎng)系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的核心問題之一，它的目標(biāo)是在滿足約束條件的前提下，使系統(tǒng)的某個指標(biāo)或多個指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，在現(xiàn)代化的能量管理系統(tǒng)（EMS）中占有重要地位。配網(wǎng)系統(tǒng)電壓/無功優(yōu)化在保證滿足運行約束的同時，用盡量少的無功投入（或盡量少的無功補償設(shè)備投資），最大限度地改善電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)損。隨著電力科學(xué)技術(shù)的不斷進步，配電網(wǎng)無功補償技術(shù)必定會再上新臺階，滿足新需求！

參考文獻

[1] 王合貞.高壓并聯(lián)電容器無功補償實用技術(shù)[M].中國電力出版社，2006-09.