摘要：隨著城市發(fā)展的不斷擴(kuò)大，電力的需求也越來越高，舊的城市電網(wǎng)已不能滿足現(xiàn)階段的電力需求，對城市電網(wǎng)的改造已十分緊迫，需要及時解決城市電網(wǎng)對現(xiàn)階段供電質(zhì)量的高要求。文章初步分析無功補(bǔ)償?shù)幕�本原理、�?jīng)濟(jì)意義等，以準(zhǔn)確計算補(bǔ)償容量，最終合理選擇無功補(bǔ)償方式。

　　關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償,基本原理,線損,電容器容量,補(bǔ)償方式

　　前 言

　　隨著我國城網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展，城市電網(wǎng)的改造工作也在不斷地推進(jìn)。而電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償又能夠有效地提高系統(tǒng)運(yùn)行電壓、減小網(wǎng)損，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償是電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究的一個重要組成部分。通過對電力系統(tǒng)無功電源的合理配置和對無功負(fù)荷的最佳補(bǔ)償，不僅可以維持電壓水平和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，而且可以降低有功網(wǎng)損和無功網(wǎng)損，使電力系統(tǒng)能夠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

　　1.無功補(bǔ)償?shù)幕�本原�?/p>

　　電網(wǎng)輸出的功率包括兩部分;一是有功功率;二是無功功率。直接消耗電能，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，熱能，化學(xué)能或聲能，利用這些能作功，這部分功率稱為有功功率;不消耗電能;只是把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能，這種能作為電氣設(shè)備能夠作功的必備條件，并且，這種能是在電網(wǎng)中與電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換，這部分功率稱為無功功率，如電磁元件建立磁場占用的電能，電容器建立電場所占的電能。電流在電感元件中作功時，電流滯后于電壓90℃。而電流在電容元件中作功時，電流超前電壓90℃。在同一電路中，電感電流與電容電流方向相反，互差180℃。如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件，使兩者的電流相互抵消，使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小，從而提高電能作功的能力，這就是無功補(bǔ)償?shù)牡览怼?/p>

　　2.無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)意義分析

　　對于電網(wǎng)而言，在高壓電源側(cè)或低壓用戶側(cè)均可進(jìn)行無功補(bǔ)償。但是，在低壓用戶側(cè)進(jìn)行無功補(bǔ)償，不但可以減少變壓器和輸電線路上的損耗，還可以提高變壓器容量和輸電線路的利用率以及減少負(fù)載端的電壓變化率。所以，無功補(bǔ)償裝置的安裝選擇方案應(yīng)該是安裝在越靠近負(fù)載端越好。也即，我們考慮為達(dá)到降低用戶用電成本的目的，應(yīng)在配電網(wǎng)用戶端適時安裝無功補(bǔ)償電容器，進(jìn)行無功補(bǔ)償是較好的補(bǔ)償選擇。

　　(1)安裝無功補(bǔ)償器可以減少變壓器和輸電線路的投資裝設(shè)無功補(bǔ)償器后，在確保電網(wǎng)輸送有功功率P不變的情況下，由于負(fù)載側(cè)功率因素的提高，可以減少電網(wǎng)對視在功率的供給。如圖1所示，裝設(shè)補(bǔ)償電容器后，改善了負(fù)荷側(cè)的功率因素，用電負(fù)荷所需要的無功功率由無功補(bǔ)償電容器提供，使電網(wǎng)視在功率減小，S〃

　　S'為無功補(bǔ)償前的視在功率;S"為無功補(bǔ)償后的視在功率;Q'為無功補(bǔ)償前的感性無功功率;Q"為無功補(bǔ)償后的感性無功功率;Qc為無功補(bǔ)償提供的容性無功補(bǔ)償功率;P為負(fù)載所需的有功功率;Φ1為無功補(bǔ)償前的功率因數(shù)值;Φ2為無功補(bǔ)償后的功角

　　圖1　 有功功率一定下的無功補(bǔ)償原理

　　則 < 式中，

        為補(bǔ)償前的線路電流; 為補(bǔ)償后的線路電流;IR為線路有功電流分量;IX為補(bǔ)償前無功電流分量;(IX—IC)為補(bǔ)償后線路無功電流分量;IC為補(bǔ)償電容器提供的無功容性補(bǔ)償電流。

　　因為在低壓側(cè)裝設(shè)了電容器補(bǔ)償無功功率，使變壓器容量得到了節(jié)約，同時減小了線路電流，故在電網(wǎng)改造設(shè)計時，可大大節(jié)省變壓器及輸電線路的投資。而對已有的電網(wǎng)也可提高電網(wǎng)傳送能力及容量的利用率。

　　(2)通過無功補(bǔ)償可以降低線損及變壓器損耗

　　設(shè)Zl為輸電線路等效阻抗，Zl=R+jX;△P'為原線路的損耗，△P"為無功補(bǔ)償后線路損耗;I'為原線路電流;I"為補(bǔ)償后線路電流。

的67.9%。

　　(3)安裝無功補(bǔ)償裝置有利于改善供電質(zhì)量

　　在配電網(wǎng)中裝設(shè)無功補(bǔ)償電容器，還可以改善供電質(zhì)量。線路電壓的變化量可按下式計算：

　　

　　式中，U為線路電壓;P為線路輸送的有功功率;Q為線路輸送的無功功率;R為線路等效電阻;X為補(bǔ)償前輸電線路等效電抗。

　　安裝無功補(bǔ)償電容器后，線路電壓的變化量用△U'表示，則：

　　顯然，△U'<△U，即安裝無功補(bǔ)償電容器后，電壓的變化量(降低量)減小了，使得網(wǎng)絡(luò)供電質(zhì)量得到提高。

　　(4)通過無功補(bǔ)償能夠提高變壓器及輸電線路的利用率

          

　　式中，Ul為網(wǎng)絡(luò)線電壓;Il為網(wǎng)絡(luò)線電流。

　　可見，在一定的電壓和電流下， 越高，其輸出的有功功率就越大。在輸出有功功率P不變，電壓Ul不變的情況下，提高功率因數(shù)進(jìn)行無功補(bǔ)償，將使視在功率下降，使變壓器的利用率得到提高。

　　在設(shè)備容量不變的條件下，由于安裝無功補(bǔ)償電容器使功率因數(shù)得以提高，這樣可以減少總的無功功率，增加有功功率的傳送，如圖2所示。有功功率△P計算如下：

　　P'為無功補(bǔ)償前的有功功率;p"為無功補(bǔ)償后的有功功率;Q'為無功補(bǔ)償前的感性無功功率;Q"為無功補(bǔ)償后的感性無功功率;Qc為無功補(bǔ)償提供的容性無功補(bǔ)償功率;P為負(fù)載所需的有功功率;S為變壓器容量;Φ1為無功補(bǔ)償前的功率因數(shù)值;Φ2為無功補(bǔ)償后的功角

　　圖2　 視在功率一定下的無功補(bǔ)償原理

　　如需要的有功功率不變，由于無功補(bǔ)償使總的無功功率減小，故所需要的配變?nèi)萘恳蚕鄳?yīng)減少，減少量△S計算如下：

　　(5)通過無功補(bǔ)償有利于提高電網(wǎng)的傳輸能力

　　根據(jù)視在功率與有功功率之間的關(guān)系P=S ，在傳送一定有功功率P的條件下，功率因數(shù) 越大，也即無功補(bǔ)償越強(qiáng)，所需視在功率就越小。因此，無功補(bǔ)償可以提高電網(wǎng)的傳輸能力。

　　3.無功補(bǔ)償電容器容量的確定

　　無功補(bǔ)償容量的確定是正確合理實施配網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)闹匾�前提，選擇不同的補(bǔ)償側(cè)重點，計算補(bǔ)償容量的方法也不盡相同。

　　(1)按配變?nèi)萘亢吞岣吖β室驍?shù)確定補(bǔ)償容量

　　補(bǔ)償容量QC可按下式計算：

　　式中，QC為需要補(bǔ)償?shù)娜萘縆var;S為配變額定容量KVA; 補(bǔ)償前功角的正弦值; 補(bǔ)償后功角的正弦值。

　　考慮到動力類負(fù)荷，一般配變器的功率因數(shù)在0.75左右，設(shè)計在滿負(fù)荷狀態(tài)下功率因數(shù)提高到0.90。按上式計算補(bǔ)償百分比為QC/S×100%=22.5%。

　　根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗可以知道，補(bǔ)償容量一般為變壓器額定容量的20%～30%。

　　(2)按補(bǔ)償電網(wǎng)壓降確定補(bǔ)償容量

　　補(bǔ)償容量按提高電壓的要求，采用近似法計算：

　　式中，U為需要達(dá)到的電壓值KV;△U為需要提高的電壓值V;X為線路等效電抗Ω。

　　(3)按電動機(jī)空載電流確定補(bǔ)償容量

　　感應(yīng)電動機(jī)隨機(jī)補(bǔ)償時，應(yīng)按其空載電流來選擇補(bǔ)償電容器的容量。補(bǔ)償容量一般不應(yīng)大于電動機(jī)的空載無功功率，即：

       通常采用：

　　式中，UN為電動機(jī)的額定電壓kV;I0為電動機(jī)的空載電流kA;

　　4.無功補(bǔ)償方式

　　無功補(bǔ)償最常用的方法是在供用電線路中加裝并聯(lián)的電力電容器，以補(bǔ)償感性負(fù)載所需要的感性無功功率。理論上而言，無功補(bǔ)償最好的方式是，在哪里需要無功，就在哪里補(bǔ)償，整個系統(tǒng)將沒有無功電流的流動。但在實際電網(wǎng)當(dāng)中，這是不可能做到的。因為無論是變壓器、輸電線路還是感性負(fù)載，均會需要無功功率。所以實際城市電網(wǎng)當(dāng)中就補(bǔ)償裝置的安裝位置而言有如下幾種補(bǔ)償方式：(1)變電所集中補(bǔ)償;(2)配電線路分散補(bǔ)償;(3)負(fù)荷側(cè)集中補(bǔ)償;(4)用戶負(fù)荷就地補(bǔ)償。

　　對于城市低壓配電網(wǎng)無功補(bǔ)償，通常采用負(fù)荷側(cè)集中補(bǔ)償方式。即在變壓器低壓側(cè)利用自動功率因數(shù)調(diào)整裝置，隨著負(fù)荷的動態(tài)變化，自動地投入或切除電容器的部分或全部容量進(jìn)行補(bǔ)償。

　　補(bǔ)償方式就相間關(guān)系而言，又可分為三種方式：三相共補(bǔ)、分相補(bǔ)償和混合補(bǔ)償(即共補(bǔ)與分補(bǔ)結(jié)合)。一般而言，當(dāng)需要補(bǔ)償?shù)娜萘砍�過60Kvar時，采用混合補(bǔ)償比較合適，既可照顧到相間平衡，又可以降低成本，而補(bǔ)償效果則與分相補(bǔ)償?shù)男Ч�完全相同�?/p>

　　由于補(bǔ)償過程中補(bǔ)償電容器的分組數(shù)即補(bǔ)償級數(shù)的多少，影響著補(bǔ)償?shù)木�度。補(bǔ)償級數(shù)越多，補(bǔ)償精度就越高。但隨著補(bǔ)償級數(shù)的增加，補(bǔ)償裝置成本會大幅度提高，而且補(bǔ)償裝置體積也會增大。因此城網(wǎng)應(yīng)綜合考慮補(bǔ)償精度、成本、裝置體積等因素，建議采用11級非等容量補(bǔ)償。前9級為等容量補(bǔ)償，以滿足基本補(bǔ)償，后2級為小容量補(bǔ)償，以提高補(bǔ)償精度。

　　綜上所述，根據(jù)城市配電網(wǎng)的特點，補(bǔ)償方式的選擇應(yīng)遵循集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，以分散補(bǔ)償為主的原則;高壓側(cè)補(bǔ)償與低壓側(cè)補(bǔ)償相結(jié)合，以低壓側(cè)補(bǔ)償為主的原則;分相補(bǔ)償與三相補(bǔ)償相結(jié)合，以分相補(bǔ)償為主的原則;調(diào)壓與降損相結(jié)合，以降損為主的原則，并根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r適時采用目前最先進(jìn)的FACTS相關(guān)裝置。

　　5.需要注意的幾個問題

　　(1)準(zhǔn)確計算，合理確定補(bǔ)償容量

　　無功補(bǔ)償過程中，如果補(bǔ)償容量確定不合適，則會造成欠補(bǔ)償和過度補(bǔ)償帶來的問題。欠補(bǔ)償時將不能完全達(dá)到補(bǔ)償降損的目的。過度補(bǔ)償一方面會導(dǎo)致無功倒送，無功倒送是電網(wǎng)所不允許的，因為它會增加線路和變壓器的損耗;另一方面會使功率因數(shù)過高，由于功率因數(shù)過高時，單位補(bǔ)償容量減少損耗的作用將大幅變小，反而使補(bǔ)償成本上升。

　　(2)選擇合理的投切方式

　　無功補(bǔ)償可以通過一定的無功補(bǔ)償裝置來實現(xiàn)，裝置的投切控制方式，可根據(jù)其補(bǔ)償容量的大小選擇，對補(bǔ)償容量不大的，可選擇等比的循環(huán)投切方式;對補(bǔ)償容量較大的，可通過控制器的軟件對電容器組進(jìn)行排列組合投切。

　　(3)確定合適的控制目標(biāo)

　　無功補(bǔ)償通常的控制目標(biāo)為;功率因數(shù)、無功功率、無功電流和電壓。無功補(bǔ)償應(yīng)根據(jù)具體情況，以挖掘配變器的容量為主要目的，所以電壓不應(yīng)該成為控制目標(biāo)。以功率因數(shù)為檢測量，缺點是輕載時容易產(chǎn)生投切振蕩，重載時補(bǔ)償不充分;以無功功率為檢測量，則檢測量與控制目標(biāo)量相同，監(jiān)測精度低。所以應(yīng)采用以無功電流為檢測量，無功功率為控制目標(biāo)。

　　(4)有效防治系統(tǒng)諧波

　　由于無功補(bǔ)償裝置為電力電容器，電容器對高次諧波具有強(qiáng)烈的導(dǎo)通作用，所以無功補(bǔ)償過程中將會使電網(wǎng)的諧波干擾變得更加嚴(yán)重。另一方面諧波對系統(tǒng)電力設(shè)備具有一定的破壞力，造成電力設(shè)備技術(shù)狀況惡化，過早損壞。而動態(tài)無功補(bǔ)償柜的控制系統(tǒng)也容易受諧波干擾，造成控制失靈。因而在有較大諧波干擾，又需要無功補(bǔ)償?shù)牡胤剑瑧?yīng)考慮安裝濾波裝置。

　　6.結(jié)論

　　綜上所述，城網(wǎng)改造對配電網(wǎng)適時采用無功補(bǔ)償可以減少電能損耗，改善城網(wǎng)供電質(zhì)量，增加設(shè)備利用率，降低網(wǎng)改成本，是一項投資少，收效快，惠及廣大用戶的降損節(jié)能好措施。準(zhǔn)確計算補(bǔ)償容量，合理選擇無功補(bǔ)償方式，適時進(jìn)行城市配電網(wǎng)無功補(bǔ)償對城網(wǎng)運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

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