略谈电力系统的无功功率补偿

2010-08-15黄宏升

科学之友 2010年12期

黄宏升

（玉林市苏烟水库水电管理处，广西玉林 537000）

在用电量日益增长和用电结构不断变化的时代，电力系统如何有效保持良好的工作状态，降低电能损失，与电网功率因数有很大的影响，为了提高电能的利用率，就要通过无功补偿，提高电网的功率因数。

1 功率因数

无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统电压波动、谐波增大等诸多因素。

在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cosφ，其计算公式为：

cosφ＝P/S

在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好，这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率，但在电路工作中，一般保证cosφ＜0.95，避免电路出现谐振现象，损坏电网供电设备和用电器。下面介绍影响功率因数的三种主要因数：

1.1 感性负载消耗的无功功率

大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等是无功功率的主要消耗者。据有关统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60 %～70 %；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60 %～70 %。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负荷率。

1.2 变压器消耗的无功功率

变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10 %～15 %，而空载无功功率约为满载时的1/3。因此，要改善电网和企业的功率因数，变压器应避免空载运行或长期处于低负载运行。

1.3 电网供电电压不稳定

电网供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当电网供电电压高于额定值的10 %时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110 %时，一般无功将增加35 %左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少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。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

2 无功电源

电力系统的无功电源除了同步电机外，还有电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器，这4种装置又称为无功补偿装置。除电容器外，其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性无功。

2.1 同步电机

同步电机包括补偿机、电动机和发电机这3种。

2.1.1 同步补偿机

同步补偿机又称同期调相机，其实质上是一种不带机械负荷、空载运行的同步电动机，是最早采用的一种无功补偿设备，它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功，装有自励装置的同步补偿机能根据电压平滑地调节输入或输出无功功率，这是其优点。其主要缺点是投资大、有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢，在并联电容器得到大量采用后，已逐渐退出电网运行。

2.1.2 同步电动机

同步电动机实际上就是“异步电动机同步化”。即将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行。

同步电动机过励运行时，“发出”无功功率，相当于无功电源；欠励运行时“吸收”无功功率，相当于无功负荷。通常电网的负荷为感性的，所以一般使同步电动机处于正常励磁或过励磁的情况下运行，以改善电网的功率因数。因此，对于恒速长期运行的大型机构设备可以采用同步电动机作为动力。

2.1.3 同步发电机

同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源，当其在额定状态下运行时，可以发出无功功率：

Q＝S×sinφ＝P×tgφ

其中：Q：无功功率；

S：视在功率；

P：有功功率；

φ：功率因数角。

发电机正常运行时，以滞后功率因数运行为主，向系统提供无功，但必要时，也可以减小励磁电流，使功率因数超前，即所谓的“进相运行”，以吸收系统多余的无功。

2.2 并联电容器

作为无功补偿设备，由它向电网提供无功可以改善功率因数，减少由发电机提供的无功功率。电容器有以下显著优点：安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小、效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0.02 %左右。补偿机除了本身的损耗外，其附属设备还需用一定的所用电，损耗2 %～30 %，远远高于电容器；电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。补偿机为旋转电机，运行维护很复杂；并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90 %的无功补偿设备是并联电容器。苏烟水库的坝后电站就是通过加装并联电容器组来调整发电机的无功不足的，电站有2台200 kW发电机组，1台500 kva主变压器，由于机组老化等多种因素的影响，功率因素常在0.85～0.95之间运行，这样就造成输送无功不足、功率因素不满足系统要求，经常被供电部门罚款，在主变10 kv高压侧加装并联电容器组调整无功后，不但不再被罚款，还提高了发电机的有功出力，保证了机组的稳定运行，减少了发电机的维修次数，从而延长了机组寿命，提高了电站的经济效益。

2.3 静止无功补偿器

静止无功补偿器是运用电力电子技术的可调节无功补偿装置，它由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器，这种方法在许多电站已得到了广泛的应用。

2.4 静止无功发生器

它的主体是一个电压源型逆变器，由可关断晶闸管适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变其运行方式，使其处于容性、感性或零负荷状态。

与静止无功补偿器相比，静止无功发生器响应速度更快，谐波电流更少，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的无功。

3 无功补偿方式

从电网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤其是低压配电网所占比重最大。为了最大限度的减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，全面规划，合理布局。

无功补偿是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低电能的损耗，改善电网电压质量。无功补偿通常采用的方式主要有3种：随机就地补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。

3.1 随机就地补偿

随机就地补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行的无功消耗，以补励磁无功为主。随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。苏烟水库2009年1月份的临时抽水系统就是采用了这种无功补偿的方法，电容器组与3台110 kW电动机并接，通过控制、保护装置与电动机同时投切，提高了电动机功率因数，改善了电压质量，提高了电动机出力，从而减少了电能损耗，减少电费支出，提高了经济效益。

3.2 低压集中补偿

低压集中补偿是指在低压母线上装设自动投切的并联电容器，成套装置主要补偿变压器本身及以上输电线路的无功功率损耗，而在配电线路上产生的损耗并未减少，因此，补偿不宜过大，否则变压器轻载或空载运行时，将造成过补偿，补偿容量应以变压器额定容量的30 %～40 %确定，即：Qb＝（0.3～0.4）SN，其中 Qb是补偿容量、SN是变压器额定容量，也可以从提高功率因数的角度考虑Qb＝P（tgφ1－tgφ2），其中tgφ1、tgφ2是补偿前后功率因数角的正切值。

3.3 高压集中补偿

高压集中补偿是指在变电站10（6）kV母线上集中装设高压并联电容器组，用以补偿主变的空载无功损耗和线路漏补的无功功率。这是目前在农网上常用的补偿方式。比如：某县各变电站在未进行人工补偿以前 cosφ＝0.85，根据功率因数（0.85）调整电费标准，每月罚款为月总电费的2.6 %，在各站装设了电容器补偿后，平均cosφ＝0.91，每月电费减少0.6 %，一年下来，功率因数奖电费约为50万元，为企业增加了效益。