刍议无功补偿技术在配电网中的节能作用

1、概述近年来，连云港地区用电保持高速增长。2007年全社会用电量为52.7417亿千瓦时，同比增长7.27％；2008年最大用电负荷102万千瓦，最大日用电量1856万千瓦时。
随着连云港地区主网结构的不断完善以及地区无功电压优化运行控制系统的投入，35kV及以上电网的线损率逐年下降，功率因数合格率及电压合格率得到进一步的提高。但10kV及以下配电网的线损率仍然较高,10kV及以下配电网中线损占地区总线损电量的70%左右,部分线路功率因数偏低，配变供电能力受限，另外部分区域还存在低电压问题。
这其中的原因之一是随着居民家用电器的普及以及小工业用户的增多，尤其是各类电力电子装置的大量应用，低压配网中无功功率的需求日益增大。据相关研究表明，日光灯负载的功率因数仅为0.54左右，电风扇、洗衣机、电冰箱等的功率因数仅在0.65～0.85左右；而与其相对应的用户侧随器无功补偿装置安装容量严重不足，低压配网中缺少大量无功补偿容量。
受电网投资资金规模的限制，前些年供电公司对低压电网的无功补偿重视不足，系统无功补偿设备安装较少。为解决这一问题，连云港供电公司近年来为近200台柱上变压器和100处小区变电所安装了低压无功补偿装置，采用的方式为配电变压器低压侧集中补偿和线路三分之二处根据电压补偿无功两种。实践表明由于缺少对低压网络运行参数的监控，对于补偿效果很难进行科学的评估，从而很难指导下一步的无功优化工作。
目前省内还未形成统一的低压无功补偿设备配置标准，有必要对典型地区低压无功补偿的试点安装和实际运行情况进行分析，研究低压无功补偿设备的配置位置、配置容量、配置方式的优化及其改善电压质量和降损节点的效果，为今后中低压网络无功补偿设备的配置优化工作提供依据。
2、无功补偿原则
电力网除了要承担用电负荷的有功功率P，还要负担负荷的无功功率Q。有功功率P、无功功率Q和视在功率S之间存在下述关系，即： ，而 被定义为电力网的功率因数。在电力网的运行中，我们希望功率因数越大越好，如能做到这一点，电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。
提高功率因数具有重要的意义：
（1）改善设备的利用率
功率因数可表示成 ，其中U、I为线电压、线电流。即在一定的电压和电流下，提高 ，其输出的有功功率变大。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备利用率的有效方法。
（2）减少电压损失
电力网的电压损失 ，影响△U的因素有四个：线路的有功功率P、无功功率Q、电阻R、电抗x。如果采用容抗为Xc的电容来补偿，则电压损失变为 ，即采用补偿电容提高功率因数后，电压损失△U减小，改善了电压质量。
（3）降低线路电能损耗
当线路通过电流I时，其有功损耗：

可见，线路有功损失△P与 成反比， 越高，△P越小。
（4）提高电力网的传输能力
视在功率与有功功率关系 ，可见在传输一定有功功率P的条件下， 越高，所需视在功率越小。
根据《电力系统安全稳定导则》、《电力系统电压和无功电力管理条例》、《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》等一系列规程导则的技术规定，结合江苏电网的实际情况，江苏省电力公司制定了《江苏电网“十一五”电压质量和无功电力规划》，其中对于无功补偿总的配置原则如下：
（a）坚持长远目标和近期需求相结合的原则，统一规划，统一标准，突出重点，循序渐进，优化资源配置。
（b）综合利用调压和无功补偿手段，实现电网电压质量和无功电力平衡综合治理，改善电网电压质量，提高电网经济运行水平，实现企业经济效益和社会效益的共同提高。
（c）坚持调压与降损相结合，以降损为主；集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主，实行分级补偿，实现无功动态就地平衡。
（d）坚持科技创新的原则，加大资金投入，积极研究开发和推广应用先进适用的新技术、新设备，提高电网电压无功管理的科技水平。

3、低压无功补偿配置方式
低压电网处于电网的最末端，直接面向众多用户，做好低压无功补偿工作，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，还可以提高配变利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失，减少用户电费，这对用户和系统均有益。
低压无功补偿的目的是实现无功的就地平衡，在进行无功补偿配置时，需要确定两方面内容:①补偿地点和补偿方式的确定；②补偿容量的配置。通常采用的方法有三种：跟踪补偿、随机补偿、随器补偿。
（1）跟踪补偿及随机补偿
跟踪补偿和随机补偿常用于用户端补偿。跟踪补偿是最常用的补偿方式，通过将低压电容器组安装在用户0.4kV母线上，使用自动投切方式跟踪无功负荷的变化。随机补偿常用于大型电动机和电焊机等功率因数很低的设备，通过控制、保护装置与电动机同时投切，对于大型电动机等设备有很好的经济效益。
（2）随器补偿
随器补偿是指将低压电容器接在配电变压器二次侧以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配电变压器，尤其是综合用户配变，普遍存在负荷轻、“大马拉小车”现象，在负荷低谷时接近空载。配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功。
早期的随器补偿多为固定式补偿，只能补配变的空载无功负荷，若补偿容量值过大易引起配变轻载时的过补偿问题。现在则大多将自动无功投切装置作为无功控制保护装置，可根据变压器无功负荷的大小自动投切，这种方式己经成为近年来随器补偿的主要方式。
另外还有一种方式为低压线路“三分二”补偿，即在低压线路的2/3长度处配置总无功负荷的2/3容量。此方法的前提是假设低压线路上的无功负荷沿线路均匀分布。
4、影响功率因数的主要因素
（1）电感性设备影响。异步电动机、感应电炉、交流电焊机等大量的电感性设备是无功功率的主要消耗者。
（2）变压器影响。变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10％～15％，它的空载无功功率只有满载时的1/3。所以，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载状态运行。
（3）供电电压高的影响。供电电压超出规定范围，也会对功率因数造成很大影响。当其高于额定值的10％时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快；当其低于额定值时，无功功率相应减少，从而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。
5、无功补偿的分类
就无功自动补偿性质而言，一般分为三相电容自动补偿和分相电容自动补偿两种。
（1）三相电容自动补偿比较适用于三相负载平衡的供配电系统。因为三相回路是平衡的，回路中无功电流相同，所以在补偿时，调节无功功率参数的信号取自三相中的任意一相即可。然后再根据检测结果，三相同时投切，这样可保证三相电压的质量。
（2）分相电容自动补偿。在民用建筑中大量使用单相负荷，容易造成三相负载的严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡问题更为严重。若用传统的三相无功补偿方式，不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功补偿进行有效补偿。再说，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是给整个电网的正常运行带来了严重的危害。因此，对于三相不平衡及单相配电系统中，均采用分相电容自动补偿，其原理是调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相，然后根据每相感性负载的大小和功率因数的高低作相应的补偿，对别的相不产生相互影响。
6、新旧无功补偿装置性能比较
（1）投切器件。普通型无功补偿装置是通过中间继电器（或同态继电器）接通接触器，控制补偿电容器投入或切除的。投切电容不能保证在零电位瞬间，容易引起浪涌电流或电压，进而引起电气伤害，是供电故障的主要原因。新型无功补偿装置（SVS）采用进口芯片品闸管，电容采用零电位瞬间投切，无尖峰脉冲电流干扰电网，能保证系统安全供电，在有敏感电子设备的场合下应用非常重要。
（2）补偿方式。普通无功补偿装置对三相不对称负荷或单相负荷明显的场所，也只能实行三相等量补偿。新型无功补偿装置（SVS）可根据实际需要自动投入等量或不等量电容，实现三相对称或不对称补偿。
（3）滤波回路。新型无功补偿装置（SVS）带有RC吸收回路，能滤除高次谐波，实现无投切振荡，无补偿呆区，适用于谐波污染严重的三相电网中无功功率的补偿。
（4）投切时间。普通无功补偿装置在投入或切除一步之间需要很长的时间，因此补偿系统的特性受到影响。新型无功补偿装置（SVS）当负载变化需要投切不止一个组数时，可以同时精确控制相应组数。
（5）响应时间。普通无功补偿装置机电开关投切的反应时间很慢，接通一组需要10～30s的时间，完成全部补偿需要几分钟的时间。新型无功补偿装置（SVS）对于50Hz电网，在每个周期内使用快速傅里叶算法，自动响应时间小超过20ms。
（6）补偿精度。普通无功补偿装置精度不高，且跟踪不迅速，容易造成超前或滞后等补偿不精确的现象。新型无功补偿装置（SVS）由于每级电容按照2n-1倍数（1≤n≤4）等容递增配置，可实现瞬时随机组合投切，并可实现三相不对称同时分别补偿，平均功率因数均为0.9～0.99。
（7）运行性能。普通无功补偿装置接触器投切系统的控制器通常情况下需要拨码开关，小的显示让它非常困难地检查系统的特性，没有附加的远程控制和通信，保护功能落后。新型无功补偿装置（SVS）采用先进的微电脑控制器，检测及跟踪投切自动控制完成，无需人工干预，使用大的LCD显示屏，提供非常方便的使用特性，可实现远群控制及报告系统和电网的情况。它具有严格的抗干扰能力，对过压、缺相、欠压及输出端短路等线路故障均具有保护功能。
（8）维护性能。普通无功补偿装置接触器寿命有限，需经常更换接触器通断所引起的浪涌，会导致频繁的设备故障和额外的更换。投入的电容器总是从零电位开始，对电网及电容器本身具有相当大的冲击。新型无功补偿装置（SVS）通过特有的吸收回路，可将回路中的尖峰脉冲吸收，通过特有的充电回路，可将准备投入的电容事先充电而保持一定电位的直流电平，减少对电网的冲击，更好地保护开关模块及电容器，具有很长的使用寿命，从而大大减少现场维护费用。
（9）经济性能。普通无功补偿装置最初成本因为器什的更换和维修而经常改变，一段时间以后评估接触器开关投切系统，实际的费用和间接的损失将比初始的投资大。新型无功补偿装置（SVS）初始投资比接触器系统高，但是当考虑到运行和维护所需要的费用，整体投资比接触器开关投切的系统低。同时因为补偿因数较高，供电部门可能还会有一定的奖励。
7、管理与维护
7.1 动态管理
无功补偿装置安装后，需要使用笔记本电脑进行现场在线动态管理，调出历史资料查看装置是否按照设置方式和参数进行自动投切；还要从变电站观察补偿装置投切时线路上功率因数和电流是否发生了变化，达到了预期的效果。如不理想，应该分析原因，调整设置参数，甚至调整定补和自补容量。
7.2 制定无功补偿管理制度
制定无功补偿管理制度是做好无功管理工作的保障，必须编写详细，责任明确，达到闭环管理。从补偿装置计划提出开始，到对设备的技术要求、选型定货、验收试验、安装施工、运行管理、维护检修、拆迁移位等每个环节都要落实到相关部门，责任到人。
根据比较，新型低压无功动态补偿装置（SVS）的各项技术性能，都优于传统的补偿装置。而且使用寿命还长，维护工作量也小，长期节能效果也好。