配電網中低壓無功補償優化建模分析

張勁

(四川省電力公司自貢電業局，四川 自貢 643000)

目前狀況下，經濟的不斷發展促使人們的用電量大大增加，與之相對應的，電網的負荷也有著較大程度上的增加。這就給相關的供電企業提出了更為嚴格的要求。要求其對電能的質量、電壓的質量以及供電的可靠性進行一定的保證。無功電源很好的做到了這一點，它不僅可以進行對于電網電能質量的保證，還在一定程度上實現了電力網絡損耗的降低以及運行安全性的提高。在相應的電力網絡系統之中，一旦發生了功率因數降低的情況，就會很容易導致相應電器設備的利用程度不高。這樣一來，就造成了其網絡傳輸能力的大幅下降，進而致使損耗發生一定程度上的增加。不僅如此，如果情況較為嚴重，甚至還會對相關設備造成較大程度上的損壞以及系統出現癱瘓的現象。所以，實現對于無功補償問題的有效解決，能夠給相應的配電網絡帶來不小的便利，有助于其降低損耗、節約能源。

1 低壓無功補償的結構與原理

無功補償系統包含了多個組成部分，分別是控制器、補償單元、配電管理系統以及相應的電源底座等。其原理主要如下圖所示：

首先需要進行的是對于電壓以及電流的輸入，然后再將之轉換成相應的弱信號，并經過CPU處理運算進行對于配電網絡各個基本參數的測算，測出其相應的三相電壓、電流、功率因數值。接著，將當前狀態下的功率因數與所設定的功率因素的最大值與最小值進行一定程度的比較，并由此將配電網絡之中的無功負荷計算出來。除此之外，還需要運用邏輯學的相關知識進行判斷，然后根據所判斷的結果進行固態繼電器控制的觸發，實現電力電容器容量以及電力電容器的組數的投切。同時在這一過程之中，相應的控制器會進行對于配電網絡負荷情況的監測，并將所監測的情況及時上傳到系統之中，相關的系統會根據之前所設定的參數來進行對于物理量的有效處理，并通過一系列的操作實現對于電力電容投切組合的改變，以此來保證配電網絡的穩定有效的運行。

2.1 控制器

控制器是由多個部分組成的，主要部分是控制器主板、信號板以及顯示和控制信號面板，除此之外，還有一些小的部件：控制器電源、輸入輸出接口以及通訊接口等。控制其的主板主要采用的是工業級80C196的單片機作為其主要核心，并依托于這一核心實現對于信號的一系列操作，主要是信號的變換、處理、運算以及相應的邏輯判斷。除此之外，它還通過控制信號來實現對于固態繼電器開關以及電容器投切的有效控制。而對于顯示和控制面板來說，其主要的功能就是實現所設定參數值、工作的狀態以及電網運行實時數據的顯示。輸入接口的主要作用是進行對于電壓以及相應的電流信號的輸入，使之進入到控制器之中，然后再通過CPU處理器實現各種處理操作。而輸出接口的主要作用是進行控制信號的輸出。并利用RS232實現控制器與抄表機之間的相互通訊。

1.2 無功補償單元

相應的補償單元主要是由兩部分組成的，分別是固態繼電器以及電力電容器。使用功率較大的固態繼電器來實現對于投切的開、關，它存在兩個十分突出的特點，分別是過零投切以及不存在涌流沖擊的現象。而對于補償電容器來說，它主要是使用在式金屬膜電容之中，最大的特定就是擁有一定的自愈功能。依據所檢測出的無功負荷的大小來進行對于電容器投切的控制。當相應的無功負荷量達到一定程度時，就可以將其全部投入到一級電容之中。與之相反的是，如果無功負荷不斷減少，并達到一定的程度時，就很據級別的由高到低的順序來進行對于電容的切除，這樣一來，才能有效的實現補償，達到所期望的效果。同時，一般情況下進行每次投切之時都會存在一定的延時以此來進行投切過程穩定的保證。

2 無功補償容量的確定

主要存在著兩種方法來確定相應的補償容量，分別是依據提高功率因數的需要來進行對于補償容量的確定以及依據有關規定和經驗來進行對于補償容量的確定，下面我們進行分別闡述：

①依據提高功率因數的需要來進行對于補償容量的確定。將相應的補償容量按照如下的方法進行計算：

描述：在這一式子中，cos1與cos2分別指的是補償前后的平均功率參數；而 α主要指的是年平均有功負荷系數，一般情況下，它的值保持在0.70到0.75之間；而β主要指的是年平均無功負荷系數，一般情況下，它的值保持在0.76到0.82之間。

②依據有關規定和經驗來進行對于補償容量的確定。相關部分做出了如下的規定：1O0kVA及其以上的配電變壓器應該采用自動跟蹤補償，并采取一定的就地補償與就地平衡機制。一般情況下，進行對于配電變壓器的無功補償的配置主要是按照其容量的15%到30%來實現。

3 無功補償與供電質量

3.1 提高設備的利用率

功率因數還存在如下的一種形式：

描述：在這一式子中，U主要指的是線電壓（kv）；I主要指的是線電流（A）。

從上面的式子中，我們可以發現：保證一定程度上的電流與電壓穩定的前提下，進行對于cos的提高，可以促使其有功功率增大。所以，實現對于功率因數的改善，可以在很大程度上發揮相關設備的潛力，同時也在一定程度上提高了設備的利用效率。

3.2 減少電壓損失

配電網絡電壓損失計算公式為：

從這一式子中，可以發現：主要是由4個因素對U造成一定程度上的影響，分別是有功功率P、無功功率Q、電阻R以及相應的電抗x。如果運用電容xc來對電抗x進行補償，那么相關配電網絡的電壓損失又可以寫為：

所以，運用相應的補償電容來進行對于功率因素的提高之后，電壓損失就會發生一定程度上的減小。這樣一來，就對電壓的質量起到一定的改善作用。

3.3 減小線路損耗

當相應的線路通過電流I時，有功損耗就為:

或者，

由此可見，相關線路的有功損失與cos2之間存在著一定的反比例關系。所以，線路有功損失 P隨著cos的變大而減小。

3.4 提高電網的傳輸能力

視在功率與有功功率之間存在著一定的關系，其關系主要通過以下式子表現：

從這一式子中，可以發現：視在功率與cos之間存在著反比例的關系，當cos越高時，視在功率也就越小。

4 經濟效益分析

4.1 供電部門的經濟效益

如果一臺變壓器的容量為250kVA，那么在用電高峰時期，其功率因數就會達到0.70。而如果進行增容，將原有的變壓器換為315kVA的變壓器，就需要花費一筆資金，具體的費用類型為增容費、變壓器購置費、材料費以及施工費，這顯然不是合理的方法。但是如果進行對于功率因數的提高，將其提高至0.90，那么就可以將相應的配變供電能力提升70kVA，這樣就節約了一筆資金。

4.2 工業企業的經濟效益

根據國家的相關規定，如果企業的平均功率因數在0.95之下，需要進行一定的罰款。但是如果把相應的功率因數由原來的0.80提升到0.95以上，那么一年就可以節省下2到3萬元的調整電費。

4.3 居民用戶的經濟效益

一般情況下，電器的使用壽命主要受到三個因素的影響，分別是電器的本身性能、電器的自然損耗以及供電的質量與電壓性質。一項研究表明：白熾燈等家用電器的使用壽命在一定程度上受到電壓變化的影響。

在上面的式子中，我們可以發現：若能在一定程度上進行對于電壓合格率的提高，只要將原來的95%提高到99%，就可以使得家用的電器使用壽命延長10個百分點。這樣一來，就帶來了巨大的社會經濟效益。

結語

隨著社會的發展，配電網中低壓無功補償會發揮越來越重要的作用。我們進行這一課題的研究，希望使得人們對于配電網中低壓無功補償有更深層次的了解，并在一定程度上為同行提供了參考。

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