无功功率补偿的作用及经济效益评估

尚慧婷

无功功率补偿的作用及经济效益评估

尚慧婷

阐述了无功功率补偿在大同煤矿集团公司电网中的实际应用，以及无功功率补偿降低电能损耗，改善电能质量，减少电费支出等方面的作用与经济效益评估。

电力系统；电网能耗；电网功率因数；无功功率补偿

0 引言

无功功率补偿（简称无功补偿），就是把具有容性或者感性功率负荷的装置并联在平均功率因数偏低的线路中，使感性或者容性负荷所需要的无功功率可由容性或者感性负荷输出的无功功率来补偿，保持电力系统中无功功率的平衡，从而降低供电变压器及输电线路的损耗，有效地提高电网的功率因数。否则，将会导致系统电压波动，电能质量下降，电网能耗增大，严重时还会引起电网崩溃、系统解列等问题，造成大面积停电。

1 无功补偿的方式

无功补偿并非单一模式。首先，要甄别负荷类型有的放矢地进行补偿，才能取得事半功倍的效果。同煤电网中现行的无功补偿方式主要有：电容器补偿、电抗器补偿、动态无功补偿装置3种。

1.1 电容器补偿

按照电学理论，电网中的电力负荷如电动机、变压器、电焊机、日光灯等大都既具有电阻，又具有电感的感性负载。尤其同煤集团，电网跨度长、负荷密度高、峰谷落差大，而且现代化的综采用电设备趋向于大容量、大功率，它们在运行过程中既要吸取消耗有功功率，同时还要吸取消耗无功功率。所以，通常情况下，在输电线路相对较短、负荷集中且趋于平稳的电网中，安装并联电容器用来提供感性电抗所消耗的无功功率，以减少电网电源向感性负荷提供由线路输送的无功功率；在长距离输电中提高系统输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。

1.2 电抗器补偿

电抗器补偿也是无功补偿的一种方式，在同煤电网中应用较罕见。以2011年6月份投运的同煤夏家河110 kV变电站为例，投运初期，由于结构的特殊性，线路电压高 (110 kV)、供电线路长（27.7 km）、线路截面大（LGJ-240）、负荷为空载状态，所以线路呈容性无功，如图1所示。

图1 2011年8月10日电能量四象限测量示意

经过现状分析，依照图1电能量四象限值等数据（四象限数值大于一象限数值），推导该局域电网的表象特征属于容性负载，所以按照理论投入了具有电感负荷的电抗器以补偿和平衡容性负荷，使功率因数逐步从0.05提高到0.86，稳定了电压，改善了电能质量，减少了力率电费支出。如第28页图2，图3，图4所示。

1.3 动态无功补偿装置

图2 夏家河站2011年有功负荷趋势（7，8，9，10四个月）

图3 夏家河站2011年无功负荷趋势（7，8，9，10四个月）

图4 夏家河站2011年功率因数趋势（7，8，9，10四个月）

随着现代电力电子技术及其控制技术的发展，一种输出的无功功率能跟踪电力系统无功功率变化而变化的动态无功补偿装置应运而生。该装置是将电容器与电抗器相匹配，达到无功补偿双向和动态调节，具有调节速度快、运行维护简单和可靠性高等特点。目前，同煤电网新建变电站均采用该无功补偿装置。

2 无功补偿的方法

同煤电网无功补偿采用的方法主要有变电站补偿、配电线路补偿、随器补偿、随机补偿等。

2.1 变电站补偿

就是在110 kV、35 kV变电站进行集中补偿。补偿装置包括并联电容器、静止补偿器等。这些补偿装置安装在变电站10 kV母线上，根据负荷值的变化自动投切电抗器和电容器，主要目的是平衡电网的无功功率，提高系统终端母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。这种补偿方式因集中在变电站，因此具有管理容易、维护方便等优点。

2.2 配电线路补偿

就是在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿，主要提供线路和公用变压器需要的无功。线路补偿点不宜过多，补偿容量也不宜过大，避免出现过补偿现象。这种补偿方式适用于功率因数低、负荷重的长线路。

2.3 随器补偿

就是将电容器或者无功补偿投切装置并联在配电变压器低压侧，根据低压母线上的无功负荷直接调整电容器的投切，以补偿配电变压器空载时的无功，从而降低无功网损，提高用户的功率因数，改善用户的电压质量。这种补偿方式适用于100 kVA以上的大容量大负荷的配电变压器，能够较好地跟踪无功负荷的变化，运行方式灵活，补偿效果好。

2.4 随机补偿

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联，通过控制、保护装置与电机同时投切，使其无功就地平衡，既能减少配电线路的损耗，同时还可以提高用电设备的出力。这种补偿方式的优点是用电设备与无功补偿装置同步运行，可较好地限制配电网无功峰荷。

2.5 合理选择配变容量

对负载率比较低的配变，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。

3 无功补偿的作用分析及经济效益评估

对感性负荷，有功功率、无功功率和视在功率之间的关系如第29页图5所示。

图5 功率三角形

在同煤电网的实践中，无功补偿具有以下作用。

3.1 改善电能质量

电网中无功补偿设备的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。因此，合理安装无功补偿装置可以改善电能质量。

同煤电网2009年9月份投运的盘道35 kV变电站，装机容量为25 000 kVA×2，正常运行方式为一备一用。并网初期10 kV侧有功负荷为12 259 kW，无功负荷为9 240 kW，因没有配置无功补偿，致使10 kV侧功率因数cosφ1仅为0.8左右，连续4个月累计发生力率电费44.86万元。2010年该站加装1套5 500 kvar磁控式动态无功补偿装置，投运后无功功率负荷得到了充分的补偿。

补偿后的功率因数：

上式表明，盘道变电站合理加装磁控式动态无功补偿装置后，功率因数由0.8提高到0.95，该站10 kV出线到末端用户电压由9.92 kV提高到9.94 kV，改善了用户的电能质量。

3.2 降低电能损耗

从以上公式计算验证，加装无功补偿可以降损节能，如输送的有功P为定值，加装无功补偿设备后功率因数由 cosφ1 提高到 cosφ2。因为 P＝UIcosφ1，负荷电流I与cosφ1成反比；又由于P＝I2R，线路的有功损失与电流I的平方成正比。cosφ1升高，负荷电流I降低，线路有功损耗就成倍降低。功率因数从cosφ1提高到cosφ2，有功负载损耗降低百分率为：

由此看来，盘道变电站投入磁控式动态无功补偿装置后功率因数提高了15个百分点，有功负载损耗降低了21%，每年可减少电能损耗2 100万kW·h。

3.3 减少用户电费支出

从以上2项计算看出，通过采取无功补偿措施，不仅有效地提高了功率因数，由0.8提高到0.95，达到了力率考核标准，使每月力率电费由罚款变为奖励。而且，还可以降低电能损耗2 100万kW·h，2项折合经济效益为1 200万元，给企业带来了显著的经济效益。

随着现代电力电子和综采大功率设备等非线性负荷大量接入电网，使同煤电网的质量受到严重的影响，如功率因数偏低、电网三项不平衡等问题，导致电网电压畸变，传动装置及保护装置无法正常工作甚至停产。因此，对平均功率因数偏低的电网进行合理的无功补偿，不仅可以有效地避免电网无功功率不平衡，系统电压降低，电能质量下降，电网能耗增大，引起电网崩溃、系统解列等问题，而且还可以取得显著经济效益。

[1]金铭.最新电力行业线损及降损措施手册.北京：中国电力出版社，2007.

Roles and Economic Evaluation of Reactive Power Compensation

Shang Huiting

The article describes the practical application of reactive power compensation in power grid of Datong Coal Group Company,introduces the role and economic evaluation of the reactive power compensations,reducing power consumption,improving power quality,reducing electricity costs and other aspects.

power systems;power consumption;power factor;reactive power compensation

TM731

A

1000-4866（2012）01-0027-03

尚慧婷，女，本科学历，经济管理专业，现在大同煤矿集团电业有限责任公司工作，统计师。