電力系統無功補償點及其補償容量的確定

潘國能

（舟山中際化工有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

在社會經濟不斷發展背景下，智能電網建設也更加完善，并且在實際應用中取得了不菲的成效。但在電力系統運行中，由于電網負荷性能、承載容量有限，不同地區電網承載性、容量也有差異。一般情況下，電網承受的負荷越大，電網的容量就越高，同時也對電網運行的安全性、經濟性提出了更高要求。因此，為了保證電力系統運行效率，降低電網運行的無功損耗，提高電力供給質量，必須做好電力系統無功補償點和補償容量的確定工作，發揮電力系統運營的整體效益。

1 無功補償

無功補償稱為無功功率補償，在電力系統中可以提升電網運行功率、改善供電環境，同時還可以降低輸電線路損耗和變壓器損耗。無功補償作為電力系統不可或缺的裝置，需要對無功補償點和補償容量進行分析，保證電網運行質量。如果無功補償點、補償容量計量不當，很可能造成電力系統出現電壓波動、諧波增大等情況。

隨著智能電網在電力系統應用得愈加廣泛，提高了無功補償技術的普及率。但任何一項技術都存在弊端，無功補償技術也是如此。如單相電力牽引負荷變化、負序增加、無功功率增加等，都會給電力系統的運行帶來一定負面影響，影響電力系統運行的穩定性。而無功、負序、諧波等問題也是當今電網建設中需要重點關注的問題。

2 無功補償點的確定

無功補償是電網建設和改造的重要組成部分，它是保持網絡無功平衡，提高電壓質量，降低網絡損耗的有效措施，是降損措施中投資少、回報高的方案。通過無功補償降低網損和提高電壓是一種投資少回報高的方案。而無功補償點的確定是實現無功補償的前提條件，掌握好無功補償點才能實現最優的無功補償。

2.1 無功裕度

根據電網運行特性，需要先了解電網網絡結構特性，在電網負荷達到一定限度后，電網局部就會產生電壓的點崩潰情況，因此要在確保電壓穩定的基礎上，還要滿足無功裕度大于0的條件。計算各個負荷節點局部電壓指標，從而確定每個負荷點電壓穩定裕度。其中，穩定裕度值直接影響負荷點電壓的穩定度，穩定裕度越低，系統電壓失穩可能性越高，所以穩定裕度可以找出電壓穩定弱節點。對于給定的系統狀態，可以設定一個最大的電壓穩定裕度門檻，根據裕度大小排列，即可構建電壓穩定裕度小于最大與裕度值的負荷節點，這些節點即可作為無功補償點。

2.2 節點無功裕度值的確定

無功裕度值和無功補償容量之間有著直接聯系，通常情況下二者之間的關系為負相關，也就是無功裕度越高，無功補償容量要求就越小；反之無功裕度越小，則無功補償容量需求就越大。采用科學的方法確定無功補償點，精準的計算無功裕度。無功裕度計算通常要注意3 個方面。

（1）結合電力系統自身特性，結合線路參數、結構點，即可計算電網潮流，獲取不同節點功率、電壓。

（2）結合無功裕度定義，可以計算每個節點無功裕度，并無功裕度排列組合。

（3）根據計算出的無功裕度值，由大到小的順序排列，這些數值作為后續無功補償容量確定的重要依據。

合理的選擇無功補償點、無功補償措施、補償裝置，可以有效維護系統電壓水平，提升系統電壓的穩定性，避免產生大量的無功遠距離傳輸，降低有功損耗和發電成本。

3 無功補償容量的確定

某變電廠（500 kV·A 變壓器）在人工補償前功率因數為0.85，根據功率因數調整電費標準，每月罰款為總電費的2.5%，在人工補償中根據變電廠運作情況，結合相關標準確定無功補償量，加裝電容器補償后，平均功率因數為0.9，每月電費降低0.5%，功率因數提升使電費降低了近60 萬元。

3.1 無功規劃數學模型

電力系統無功規劃作為一種不連續的多目標優化內容。目標函數可以降低有功損耗、提升電壓水平、最小化安裝額外無功容量費用，保證電力系統運行費用最低。無功優化模型，就是以無功能規劃內容為基礎，通過計算機技術構建無功補償模型，采用仿真技術判定模型運行效果，并進行針對性優化。

3.2 無功補償量計算方法

結合無功優化特性，采用傳統搜索技術、改進遺傳技術，通過改進遺傳算法作為一階搜索，在指定時間、范圍內得出無功補償范圍，之后通過二階局部搜索方案，將無功補償范圍逐次減少（每次減少上一個可行域的50%），即可在較少的計算工作量基礎上得到最優數值。

根據無功優化特性，應用浮點數編碼方案，即每個個體的基因值都在取值范圍內用一個浮點表示，個體編碼長度與控制變量個數相等。根據編碼內容對無功補償范圍節點進行選擇，構建可行性補償節電的數據庫，從數據庫中挑選無功補償容量。理論上是負載需要多少無功功率，就補償多少無功功率。所以可以從負載設備的參數計算出來。在實際中，設備的負荷是波動的，所以必須隨時調整補償容量，與負載相匹配，才能實現功率因數最佳，否則就會出現欠補償，或者過補償，都會導致被罰款。這就是補償柜都采用自動控制的方式。剩下的，只要確定最大的補償需量就可以了。

最大的補償需量可以用設備參數計算，實際中多采用經驗數據：變壓器容量的30%～40%。案例中500 kV·A 的變壓器，補償柜配置150～200 kVar 即可。按用戶負載特點、路數等，最終確定一個數值。初始設計，通常取大一些。

3.3 電氣設備補償量確定

單臺電機補償容量應以將電機空載時的功率因數補償到1或接近于1 來確定。因為電機空載時的功率因數為1，則滿載時的功率因數必然滯后。如果把電機滿載時的功率因數補償到1，則電機空載或輕載時功率因數就會變成超前，也就說會出現過補償的情況。這種過補償的電機，在切斷電源后，由于電容器的放電，能使仍在旋轉著的電機成為感應發電機，而使電壓超過額定電壓好多倍，對電機和電容器都有害。另外，若在電機仍轉動時重新合閘，將會產生相當大的電流沖擊和瞬時轉矩，容易造成電機的機軸損壞。所以對單臺電機的補償容量，應根據電機的運行工況確定。

此外，對于機械負荷慣性較小的電機（如風機等），補償容量≈0.9×電動機空載無功功率；對于水泵、球磨機等機械負荷慣性較大的用電設備的電機，電源斷開后電動轉速迅速下降，隨即補償并聯電容器容量稍大于電機空載勵磁功率時也不會產生自激過電壓，為增加補償效果以及有利于電機啟動，其補償容量可選得較大些。

總之，通過計算出控制變量值變壓器就接頭數值、網損和補償量、補償無功總量，加入補償電容，對發電機電壓、變壓器變比調節，即可有效降低電力系統網損，并且采用更小的無功補償容量得到更優的電力系統網損值。

4 電力系統無功補償應用要點

4.1 確定補償方案

在電力系統評價中，電能質量是評價核心參數，電壓直接影響電能質量，而造成無功功率受到功率、阻抗等影響。通過對電力系統進行分析，針對性選擇電力系統無功補償技術，如SCOTT 變壓器、晶閘管電子開關控制電容投切等。結合以往工作經驗可知，選擇科學的補償方法即使在線路跨度較長的區域，也可以有效控制并降低負序量。

4.2 無功補償共性問題

電力系統應用無功補償技術可以有效提升系統運行的安全性，還可以提升電能使用率。結合電力系統無功損耗等問題，從經濟層面考慮可以降低電網事故處理成本，即可實現預算系統經濟利益的有序增長。在電力領域，變電站無功補償技術應用十分廣泛。發電廠傳輸到變電站間的無功電流，而無功電流通過線路進入到低壓線時會增加傳輸量，提升電能損耗。因此在變電站規劃中，可以在區域內設置多個無功補償變電站。當今220 kV智能變電站的調節功能更加豐富，可以靈活調節容量，甚至可以調節最大的符合功率值（0.98）。因此，在無功補償技術應用中，要判定當地變電站是否增設了無功補償，并調整補償變壓器，從而實現無功補償目標。

4.3 智能補償選擇

在智能補償選擇中，要保證達到“布局合理、系統平衡、分級補償”的要求，以提升無功補償效益。通常可以從以下3 點出發：

（1）電力系統與用戶系統補償結合。在用戶供電系統中加入無功功率補償，提升電氣設備在實際運行中的功率總量，減少用戶日常用電時的無功損耗，有效降低了用戶的用電成本。據不完全調查顯示，有40%以上的無功損耗都是在配電變壓器、線路方面，剩余60%為無功損耗在用戶用電系統領域。因此要注重用戶用電系統無功補償。

（2）集中與分散補償結合。在變電站集中無功補償中，還需要注重其他方面的分散補償，包括電網線路、變壓器、電氣設備等，并且是以分散補償為主，這樣可以更好的降低無功損耗率。再者，無功補償值并非越高越好，因此分散補償也要合理布置、確定合理的補償容量值。同時還要考慮分散補償維護十分困難，因此要在適宜的部位設置分散補償。

（3）降損和調壓結合。降損是直接減少電力系統運行損耗的方法，同時還要合理調壓，確保滿足用戶用電需求。如用電高峰期電壓會增高，同時也會提升電力系統電能損耗量，嚴重的會產生線損情況。此時就要在無功補償基礎上進行調壓，提高電網功率因數，實現降損目標。

5 結束語

綜上所述，針對電力系統無功損耗問題，分析無功補償點和補償容量的確定方法，應用混合改進遺傳算法得出每個補償點的無功補償容量，該方法在實際應用要求獲取節點最佳補償，無功補償效益更高。在此基礎上，提出電力系統無功補償技術的應用要點，需要結合當地電網實際表現情況合理進行無功補償，以實現無功優化目標，提升電網運行的安全性和節能性。