電網(wǎng)無功補償?shù)墓β蕮p耗及電壓降分布式仿真分析

廣東省輸變電工程有限公司 凌正茂

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

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，減少無功功率在使用和傳輸過程的消耗。

功率因數(shù)高時有功電流占比高，無功電流減少，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，線路的電流增量會導(dǎo)致電壓降落增加，因而負載端的電壓低于正常電壓值，嚴重影響電動機、空調(diào)及其它用電設(shè)備的穩(wěn)定運行，給居民的正常用電帶來不良影響。

在配電網(wǎng)絡(luò)中，由于輸電線路存在較大對地電容，線路越長，容性無功電流越大，往往會將線路末端電壓抬升。而電網(wǎng)中的大部分用電負荷均為感性負荷，如電動機、變壓器等。此類設(shè)備在運行時會產(chǎn)生感性電流，吸收容性無功，消耗掉大量無功電流。因此積極干預(yù)，人為設(shè)置無功補償，提高功率因數(shù)，可以使得負載的容性、感性無功平衡，提高電能質(zhì)量。同時補償最好選擇為就地補償，在用戶端因地制宜，到達感性、容性電流平衡。本文對無功補償?shù)姆N類、特點，同時結(jié)合低壓配電網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用進行仿真分析，綜合分析補償效果，后對所取得的效果等進行了論述。

1.電網(wǎng)無功補償原理

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

圖1 無功補償原理圖

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

當加裝就地無功補償之后，無功功率及視在功率都相應(yīng)減少，這對于電網(wǎng)負荷電流的降低是非常有效的。例如供電部門一臺容量為5000千伏安的變壓器，當負荷的功率因素為0.7時，能提供3500千瓦的有功功率；而補償后負荷的功率因素為0.9時，能提供4500千瓦的有功功率。同一臺的變壓器在負荷的功率因數(shù)提高時，能輸出的有功負荷明顯增加，從而提高了供電效率。同時輸電線路由于無功電流的減小，有效載荷增加，從而增大了輸送容量。

電壓損耗計算公式：

由上式可見：加裝無功補償裝置后，伴隨著無功功率的減少，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)電容器進行無功補償，補償原理如圖2所示。

圖2 并聯(lián)電容器補償電流原理圖

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

2.目前常用的電容補償方式

根據(jù)電力用戶對無功功率的需求情況和負荷性質(zhì)，配電系統(tǒng)目前常用的電容補償方式有如下幾種：變電站集中補償、組合就地補償(分散就地補償)、單獨就地補償?shù)葞追N。

（1）變電站、配電所集中補償

在變電站、配電所內(nèi)設(shè)置若干個并聯(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，通過無功補償器進行選擇性投入，實現(xiàn)對變電站、配電所內(nèi)所有負荷進行補償。其主要目的是提高配電網(wǎng)的功率因數(shù)及終端電壓，并對主變壓器的無功損耗進行補償，平衡該用電區(qū)域內(nèi)的無功功率需求。此種補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)備維護和管理也較為方便，但缺點是投資較大，補償范圍較小，對10kV配電網(wǎng)的降損作用不大。

（2）組合就地補償(分散就地補償)

組合就地補償是針對專用變等特定用戶進行無功功率的就地平衡，一般在配電變壓器0.4kV側(cè)進行補償。組合式就地補償具有較好的電壓改善效果和較高的設(shè)備利用率，設(shè)備維護和管理也較為方便，但投資較大，對補償裝置安裝點到負荷段的設(shè)備功率因數(shù)不能進行補償。

（3）單獨就地補償

單獨就地補償方式針對終端用電客戶，將箱式并聯(lián)電容器布置在生產(chǎn)車間的動力母線橋架上，對車間范圍的用電設(shè)備無功補償，稱為單獨就地補償。需要經(jīng)常進行投切操作時采用接觸器；非經(jīng)常操作可采用手動分合式空開對補償電容器進行投切；面向用戶的單獨就地補償，是用戶大型用電設(shè)備的重點補償方式。就地補償可有效降低線損率，改善電壓質(zhì)量，提高線路供電能力。補償裝置一般裝設(shè)在需要無功補償?shù)挠秒娫O(shè)備旁邊，具有較好的電壓改善效果，同時改善用電設(shè)備的起動和運行條件。

3.10KV配電網(wǎng)無功補償效果和損耗分析

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

選取一條10KV配電線路，畫出網(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)無功補償時線路電壓降ΔU1和功率損耗ΔP1為：

（1）補償電容設(shè)在線路首端時，電壓下降值ΔU2為：

則線路首端補償后，電壓損耗減少量ΔU為：

補償之后，功率損耗ΔP2為：

通過上式進行結(jié)論分析：無功補償電容位于變壓器二次側(cè)近端時，用戶端0.4KV線路的電壓損耗和功率損耗并沒有改變，但10KV線路上的電壓損耗和功率損耗得到了改善。補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 補償點不同電壓損耗曲線比較

（2）補償電容位于變壓器二次側(cè)近用戶端時，電壓損耗為：

經(jīng)線路末端補償后，電壓損耗減少量ΔU為：

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