補償有功與補償無功對低電壓治理效果的探索分析

鄒 宇，車 轍，趙柏峰，陳恒龍，吳立，黃鏡先，趙小龍

（1.廣西電網公司 欽州供電局，廣西 欽州 541001；2.陜西省地方電力集團公司 西安分公司，陜西 西安 710080；3.西安浩源電力科技有限公司，陜西 西安 710069）

0 引 言

隨著我國城鄉經濟的發展，用電負荷急劇增加，在農村配電網和部分城市配電網的末端，常常存在因供電半徑長、無功功率配置不足、三相不平衡、用電季節性高峰等原因而導致供電電壓低的問題。

低壓線路過長會導致電能質量下降，出現配電線路末端電壓偏低、配電線路損耗增加、線路功率因數低、末端無功功率欠補嚴重、固定式電容補償效果差等問題。

基于此，本文探索在低壓線路末端靠近負載處用不同的治理方法調壓的效果；研究無功補償與有功補償對于電壓抬升的差別；再結合自動調壓器，驗證是否可以提高低壓線路調壓器的升壓幅度，以滿足更低的低電壓場景能夠用調壓器實現調壓目標，并驗證樓頂分布式光伏對于低壓線路有功補償、降低損耗、抬升線路末端電壓的作用。

1 臺區無功補償和有功補償的作用分析和應用方案

臺區無功補償可以在提高功率因數的同時降低變壓器和低壓線路的損耗。將低壓無功補償裝置安裝在低壓線路中后段，與低壓線路自動調壓器組合，可以改善線路電能質量。

臺區有功補償時，線路負荷對電源的有功功率需求基本恒定。線路末端接入新電源后，末端對電源功率需求減小、線路電流減小、電壓損失減小、等效電壓降減小，等同于線路電壓抬升。低壓臺區分支多線路復雜、負載變化頻繁、有功功率補償容量不大時，通過理論只能粗略估算線路接入有功補償后接入點的電壓抬升，需要以實測結果予以說明。

2 低壓線路無功補償和有功補償抬升電壓實驗

2.1 電容補償升壓后調壓器升壓總幅度的計算和驗證

在此，以一處低壓線路末端為例，進行電容補償升壓+調壓器升壓的實例分析計算和驗證。

2.1.1 電容器單獨對線路末端電壓的提升量的計算

電容器單獨對線路末端電壓的提升量的計算步驟如下：

（1）35 mm2鋁芯絕緣導線的電阻為0.94 Ω/km，即r0=0.94 Ω/km ；

（2）架空敷設線路電感的感抗取0.3 Ω/km，即x0=0.3 Ω/km ；

（3）由于是單相線路，火線和零線均有電壓差且兩者相等，即線路上的電壓差是單相相線上電壓差的2倍；

（4）線路長度為1.5 km，即線路電阻r=r0l=0.94×1.5=1.41 Ω，線路感抗x=x0l=0.3×1.5=0.45 Ω ；

（5）線路末端加5 kvar電容器后，開始計算末端電壓提升量。設線路末端電壓為U2，首端電壓為U1，則相量關系如圖1所示。由圖1可得：

圖1 電容補償相量關系圖

式中：Ic為電容器電流，Ic=Qc/U2≈Qc/U1，Qc=5 000 var，r=1.41 Ω，x=0.45 Ω，設U1=220 V，則可求得U2=228.1 V；

（6）于是，3 kvar電容器對線路末端電壓的提升量為：

2.1.2 調壓器單獨對線路末端電壓的提升量的計算

低壓線路末端電壓為152 V，也就是調壓器輸入電壓為152 V，調壓器在正常調壓的最大幅度為30%，調壓器輸出端電壓為152+152×30%=198.6 V，即可以調壓到合格電壓范圍。

2.1.3 電容補償升壓+調壓器升壓總幅度計算

由前面計算可知，調壓器可以單獨將輸入的152 V電壓提升到198.6 V；電容器單獨對線路末端電壓的提升量為16.2 V，可得152-16.2 =135.8 V，表明通過電容補償與調壓器的共同作用，電壓從135.8 V升壓到198.6 V，即安裝點調壓器輸出電壓合格。

2.1.4 現場實驗結果

現場實驗測得：電容補償與調壓器共同作用下，安裝點輸出電壓從135 V升壓到198 V，符合理論計算。由此得出，電容補償提高了功率因數，使線路線損減小。

2.2 補償有功實例分析計算和驗證

這里以樓頂分布式光伏發電為例進行試驗，從而驗證有功補償的數據正確性。在西安某小區樓頂安裝上分布式光伏電池板組串，并通過組串式逆變器將光伏電并入網，以實現對電網的有功補償，組串式電網示意圖如圖2所示。

圖2 組串式電網示意圖

接下來測量光伏逆變器發電與停止發電前后用戶電表箱的電壓變化，并分別在重負荷和輕負荷時進行監測。實驗得到2020年8月21日18：20樓頂并網的分布式光伏發電停止發電前后用戶配電箱的電壓，具體數據為：光伏工作時，空載為229 V，帶載（1 850 W燒水壺）為224 V，光伏關機后，帶載為219 V，關掉負載電壓變為225 V；并網逆變器處一整天光伏空載電壓大概范圍為225～234 V。實驗數據呈現兩種情況：第一種情況，帶載有光伏與無光伏電壓差為（224-219） V=5 V，空載有光伏與無光伏電壓差為（229-225） V=4 V；第二種情況，有光伏帶載與空載電壓差為（224-229） V=-5 V，無光伏帶載與空載電壓差為（219-225） V=-6 V。前者（5-4） V=1 V，后者（6-5） V=1 V。

以上實驗表明光伏發電的有功補償對電網電壓起到了提升作用，但因光伏功率最大只有10 kW，所以抬升電壓幅度有限。如果低電壓線路上有樓頂分布式光伏群接入，便可以得到很好的調壓效果。

3 臺區線路末端組合治理裝置解決方案

在以上實驗的基礎上，本文提出一種臺區線路末端組合治理裝置解決方案。該方案使用電容補償無功，并自動調節三相負載平衡，同時利用調壓器調壓自動融合的方式進行組合治理，自動調節提升末端電壓，降低線損，提高功率因數，提高變壓器的承載能力，改善臺區電能質量。組合治理裝置降低線損同時，通過自動調節三相負載平衡及無功補償，消除零序電流線損和三相線路附加損耗，當自動調節三相負載趨于平衡后，能大幅度降低線損、減少能耗、提高電網經濟運行效益的效果。圖3為裝置原理示意圖。

圖3 無功補償調壓器一體化裝置原理示意圖

4 無功補償調壓器組合治理裝置驗證數據分析

欽州市欽南區尖山鎮西三隊9號公變，臺區變壓器容量為630 kVA，在距離500 m配電線路主干線安裝帶自動無功補償與自動調壓器一體化裝置一套，并采樣投入前后各一天的三相電壓數據。結果顯示投入運行后，末端電壓得到顯著提升。投入前后三相電壓的對比曲線如圖4～圖6所示。

圖4為A相電壓的對比曲線：黑色曲線為投入前電壓曲線，投入前最低電壓167.9 V，灰色曲線為投入后電壓曲線，投入后最低電壓201.2 V。

圖4 A相電壓曲線

如圖5為B相電壓的對比曲線：黑色曲線為投入前電壓曲線，投入前最低電壓為175.4 V，灰色曲線為投入后電壓曲線，投入后最低電壓為200.4 V。

圖5 B相電壓曲線

如圖6為C相電壓的對比曲線：黑色曲線為投入前電壓曲線，投入前最低電壓184.7 V，灰色曲線為投入后電壓曲線，投入后最低電壓205.9 V。

圖6 C相電壓曲線

5 結 語

本文針對低壓電壓在電網實際運行中出現的問題，采用有功補償或無功補償+調壓組合的兩種方式，進行試驗驗證。結果表明，運用無功功率補償和有功功率補償的兩種實施方案，提了高功率因數，減小了三相不平衡，同時降低了變壓器和低壓線路的損耗，可以很大程度地減少電量損耗，從而達到提高電壓的效果，同時損耗達到最低。由于無功補償進行的線路壓降計算與實際差距比較大，存在多重影響因素，低壓線路分支多，接頭多，線損增加等因素，各種因素給試驗驗證帶來較大影響，其升壓幅度主要是調壓器在起作用。對于樓頂分布式太陽能，因功率小，有功功率抬升電壓有限。但樓頂分布式光伏在形成群體效應時，抬升電壓就會比較明顯。對于遠離村中心的家庭，電壓低的情況較多，但其居住的樓頂是筆寶貴的資源，安裝分布式光伏發電，可為其帶來經濟收入的同時，提高供電質量，減少電費負擔，意義特別重大。

注；本文通訊作者為趙小龍