廣東省輸變電工程有限公司 凌正茂

提高運(yùn)行電網(wǎng)的功率因數(shù)對(duì)于減少能耗損失和提升運(yùn)行穩(wěn)定性都具有較大意義，我國(guó)目前主流補(bǔ)償方式是在變電所電容器組集中補(bǔ)償和面向用戶(hù)的組合就地補(bǔ)償二種方式相結(jié)合，但電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多種多樣，不能完全補(bǔ)償?shù)蛪弘娋W(wǎng)中的無(wú)功損耗和電壓下降。本文通過(guò)分析低壓電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架特點(diǎn)，提出了低壓線路首端、末端二種補(bǔ)償方法，定量分析線路電壓降和功率損耗，并通過(guò)MATLAB仿真計(jì)算潮流，結(jié)果證明在低壓線路末端投入無(wú)功補(bǔ)償后，能更加有效降低線損，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

引言：功率因數(shù)的物理含義是指：有功功率除以視在功率的比值，既cosΦ=P/S。要提高功率因數(shù)，就必須盡可能地增加有功功率的占比，減少無(wú)功功率在使用和傳輸過(guò)程的消耗。

功率因數(shù)高時(shí)有功電流占比高，無(wú)功電流減少，從而線路總傳輸電流減少，線路的功率載荷提高。反之功率因數(shù)降低，線路的電流增量會(huì)導(dǎo)致電壓降落增加，因而負(fù)載端的電壓低于正常電壓值，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)、空調(diào)及其它用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，給居民的正常用電帶來(lái)不良影響。

在配電網(wǎng)絡(luò)中，由于輸電線路存在較大對(duì)地電容，線路越長(zhǎng)，容性無(wú)功電流越大，往往會(huì)將線路末端電壓抬升。而電網(wǎng)中的大部分用電負(fù)荷均為感性負(fù)荷，如電動(dòng)機(jī)、變壓器等。此類(lèi)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生感性電流，吸收容性無(wú)功，消耗掉大量無(wú)功電流。因此積極干預(yù)，人為設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，可以使得負(fù)載的容性、感性無(wú)功平衡，提高電能質(zhì)量。同時(shí)補(bǔ)償最好選擇為就地補(bǔ)償，在用戶(hù)端因地制宜，到達(dá)感性、容性電流平衡。本文對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆N類(lèi)、特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合低壓配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行仿真分析，綜合分析補(bǔ)償效果，后對(duì)所取得的效果等進(jìn)行了論述。

1.電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償原理

電網(wǎng)系統(tǒng)中的用電設(shè)備分為：容性負(fù)載和感性負(fù)載兩類(lèi)，如果在同一個(gè)電路中并聯(lián)有容性、感性二種負(fù)載，則感性負(fù)載可以吸收容性負(fù)載輸出的無(wú)功功率，之后感性電流與容性電流相互補(bǔ)償，無(wú)功功率即在電路內(nèi)部完成交換，同時(shí)外部電路的輸入的無(wú)功電流減小。無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砣鐖D1所示：

圖1 無(wú)功補(bǔ)償原理圖

圖1中Q為未補(bǔ)償之前系統(tǒng)從電源吸取的無(wú)功功率，即：感性負(fù)荷需要從電源獲取數(shù)值為Q的無(wú)功功率。加裝的無(wú)功補(bǔ)償裝置可補(bǔ)償功率為Qc，則補(bǔ)償后無(wú)功功率降低至，功率因數(shù)由cosφ提高到，視在功率S減少到，減少量ΔS為：

當(dāng)加裝就地?zé)o功補(bǔ)償之后，無(wú)功功率及視在功率都相應(yīng)減少，這對(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷電流的降低是非常有效的。例如供電部門(mén)一臺(tái)容量為5000千伏安的變壓器，當(dāng)負(fù)荷的功率因素為0.7時(shí)，能提供3500千瓦的有功功率；而補(bǔ)償后負(fù)荷的功率因素為0.9時(shí)，能提供4500千瓦的有功功率。同一臺(tái)的變壓器在負(fù)荷的功率因數(shù)提高時(shí)，能輸出的有功負(fù)荷明顯增加，從而提高了供電效率。同時(shí)輸電線路由于無(wú)功電流的減小，有效載荷增加，從而增大了輸送容量。

電壓損耗計(jì)算公式：

由上式可見(jiàn)：加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置后，伴隨著無(wú)功功率的減少，線路電壓損耗也在一定程度降低，電網(wǎng)內(nèi)的電壓質(zhì)量得以提升。

我們常采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償原理如圖2所示。

圖2 并聯(lián)電容器補(bǔ)償電流原理圖

由圖2可見(jiàn)：總負(fù)荷電流I 可矢量分解為有功電流分量IP，和無(wú)功電流分量IQ(呈感性)。當(dāng)并聯(lián)補(bǔ)償電容器裝置投運(yùn)后，由于電容器產(chǎn)生的容性無(wú)功電流IC與IQ方向相反，故經(jīng)過(guò)容性無(wú)功電流補(bǔ)償后的IQ降低為，總電流由I 降為，功率因數(shù)由cosφ提高到。當(dāng)達(dá)到時(shí)，感性電容與容性電流達(dá)到平衡，負(fù)荷所需的無(wú)功功率全部由補(bǔ)償電容補(bǔ)償完畢，電網(wǎng)只需供給有功功率。

2.目前常用的電容補(bǔ)償方式

根據(jù)電力用戶(hù)對(duì)無(wú)功功率的需求情況和負(fù)荷性質(zhì)，配電系統(tǒng)目前常用的電容補(bǔ)償方式有如下幾種：變電站集中補(bǔ)償、組合就地補(bǔ)償(分散就地補(bǔ)償)、單獨(dú)就地補(bǔ)償?shù)葞追N。

（1）變電站、配電所集中補(bǔ)償

在變電站、配電所內(nèi)設(shè)置若干個(gè)并聯(lián)電容器組，用硬導(dǎo)線或高壓電纜將電容器組與配電母線相連接，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償器進(jìn)行選擇性投入，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站、配電所內(nèi)所有負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償。其主要目的是提高配電網(wǎng)的功率因數(shù)及終端電壓，并對(duì)主變壓器的無(wú)功損耗進(jìn)行補(bǔ)償，平衡該用電區(qū)域內(nèi)的無(wú)功功率需求。此種補(bǔ)償方法具有較好的電壓改善效果和較高的設(shè)備利用率，設(shè)備維護(hù)和管理也較為方便，但缺點(diǎn)是投資較大，補(bǔ)償范圍較小，對(duì)10kV配電網(wǎng)的降損作用不大。

（2）組合就地補(bǔ)償(分散就地補(bǔ)償)

組合就地補(bǔ)償是針對(duì)專(zhuān)用變等特定用戶(hù)進(jìn)行無(wú)功功率的就地平衡，一般在配電變壓器0.4kV側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償。組合式就地補(bǔ)償具有較好的電壓改善效果和較高的設(shè)備利用率，設(shè)備維護(hù)和管理也較為方便，但投資較大，對(duì)補(bǔ)償裝置安裝點(diǎn)到負(fù)荷段的設(shè)備功率因數(shù)不能進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）單獨(dú)就地補(bǔ)償

單獨(dú)就地補(bǔ)償方式針對(duì)終端用電客戶(hù)，將箱式并聯(lián)電容器布置在生產(chǎn)車(chē)間的動(dòng)力母線橋架上，對(duì)車(chē)間范圍的用電設(shè)備無(wú)功補(bǔ)償，稱(chēng)為單獨(dú)就地補(bǔ)償。需要經(jīng)常進(jìn)行投切操作時(shí)采用接觸器；非經(jīng)常操作可采用手動(dòng)分合式空開(kāi)對(duì)補(bǔ)償電容器進(jìn)行投切；面向用戶(hù)的單獨(dú)就地補(bǔ)償，是用戶(hù)大型用電設(shè)備的重點(diǎn)補(bǔ)償方式。就地補(bǔ)償可有效降低線損率，改善電壓質(zhì)量，提高線路供電能力。補(bǔ)償裝置一般裝設(shè)在需要無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠秒娫O(shè)備旁邊，具有較好的電壓改善效果，同時(shí)改善用電設(shè)備的起動(dòng)和運(yùn)行條件。

3.10KV配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償效果和損耗分析

我們以某變電所10KV線路的無(wú)功補(bǔ)償為例，分析給定運(yùn)行條件和潮流網(wǎng)絡(luò)情況下，計(jì)算電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況，同時(shí)確定補(bǔ)償前后有功損耗和電壓降。

選取一條10KV配電線路，畫(huà)出網(wǎng)絡(luò)參數(shù)圖，如圖3所示。

圖3 10KV配電線路網(wǎng)絡(luò)參數(shù)圖

我們忽略變壓器內(nèi)部損耗，在未經(jīng)無(wú)功補(bǔ)償時(shí)線路電壓降ΔU1和功率損耗ΔP1為：

（1）補(bǔ)償電容設(shè)在線路首端時(shí)，電壓下降值ΔU2為：

則線路首端補(bǔ)償后，電壓損耗減少量ΔU為：

補(bǔ)償之后，功率損耗ΔP2為：

通過(guò)上式進(jìn)行結(jié)論分析：無(wú)功補(bǔ)償電容位于變壓器二次側(cè)近端時(shí)，用戶(hù)端0.4KV線路的電壓損耗和功率損耗并沒(méi)有改變，但10KV線路上的電壓損耗和功率損耗得到了改善。補(bǔ)償電容位于近變壓器二次端的電壓損耗曲線如圖4所示。

圖4 補(bǔ)償點(diǎn)不同電壓損耗曲線比較

（2）補(bǔ)償電容位于變壓器二次側(cè)近用戶(hù)端時(shí)，電壓損耗為：

經(jīng)線路末端補(bǔ)償后，電壓損耗減少量ΔU為：

通過(guò)上式進(jìn)行分析可知：無(wú)功補(bǔ)償電容位于變壓器二次側(cè)近用戶(hù)端時(shí)，不僅變壓器、10KV線路電壓損耗及功率損耗得到了改善，同時(shí)0.4KV市電線路的損耗也得到了改善，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：0.4KV線路末端電壓有顯著的提高。補(bǔ)償電容設(shè)置在線路首端或末端的電壓損耗曲線及對(duì)比圖如圖4所示。