无功补偿装置在提升功率因数和解决三相负荷不平衡方面的应用研究

汪 丽，魏振宇，汪泽重，王 宇，张 琪

（1.国网随州供电公司，湖北 随州 441300；2.湖北理工学院，湖北 黄石 435000；3.三峡大学，湖北 宜昌 443000；4.湖北工业大学，湖北 武汉 430068）

0 引言

在电力系统中，因电感和电容元件的存在，有功功率和无功功率在电网中共存［1-5］。虽然无功本身不消耗能量，其能量仅在电源和负载之间传输和交换，但在能量交换过程中会造成电能的损失。

电网视在功率的增加，对系统产生以下负面影响：1）电网的总电流增加。在传输相同功率的情况下，总电流增加将导致线损、线路和变压器电压损失的增加［6-7］。2）电网的无功容量不足会导致负荷端供电电压低；反之，无功容量过剩会导致电网的运行电压过高、电压波动率过大，对正常生产和生活用电产生负面影响［8-10］。3）降低电网的功率因数会导致大量的功率损耗。当功率因数从0.8 降低到0.6 时，功率损耗值将成倍增加［11-14］。

文献［5］探讨了配电网无功补偿方式，分析其主要原理，进行了补偿方式的对比。文献［21］摸清配电线路首端至末端设备的整体损耗，进一步掌握配电电网线路损耗情况，对就地补偿和集中补偿的适宜范围和模式进行合理评价，为配电网分批、分布实施优化补偿提供依据。文献［22］从三相不平衡及无功补偿原理入手，采用相间、分相以及动态补偿的混合补偿策略，并结合混合差分进化法对补偿量进行寻优处理，有效降低配电系统的三相不平衡度。

近年来，随州配电网发展迅速，随着负荷水平不断提升，配网运行存在各方面的问题，截止目前，共有公变10 281台，容量共计183.22万kVA，三相电压不平衡度大于60%的台区有936台，出口低电压台区131台，末端低电压台区1 627台，迎峰度夏期间无功功率因数低于0.9台区41个，功率因数低于0.6台区34个。

1 基本原理

1.1 常见无功补偿装置

常见的无功补偿装置如图1 所示，包括电容补偿器、静止调相机、饱和电抗器、静止无功补偿器SVC 及静止无功发生器STATCOM等。

图1 常见无功补偿装置Fig.1 Common reactive power compensation devices

随着电力电子技术，特别是大功率可关断器件技术的发展和日益完善，国内外还在研制、开发一种更为先进的静止无功补偿装置静止无功功率发生装置（SVG），凭借其优越的性能特点，在电力系统中的应用将越来越广泛［141］。

1.2 无功功率的影响

无功功率不仅影响配电系统的电压质量，而且还导致配电系统供电线损的增加，在配电网中线路的年电能损耗如式（1）所示。

式（1）中，ΔPmax表示一年内线路输送最大负荷时的有功功率（kW）；Imax表示线路中通过的最大负荷电流（A）；τ表示最大负荷损耗时间（h），其值由年负荷曲线决定。

若功率因数发生变化，则线路中功率损失变化率为

若功率因数由0.7 提升至0.9，线路损耗将降低39.5%［16］。

电网在进行功率传输时，电流将在线路的阻抗上产生电压损失ΔU，若起始电压为U1，端电压为U2，则电压损失计算公式为

式（3）中，P为线路传输的有功功率（kW）；Q为线路传输的无功功率（kvar）；UN为线路额定电压（kV）；R、X为线路电阻、电抗（Ω）。

若有功功率保持恒定，R和X不变，无功功率Q越小，则电压损失越小，电压质量越高。当线路安装具有QC容量的并联电容器补偿装置时，线路的电压损失变为：

由式（4）可知，无功补偿后，线路传输的无功功率变小，降低了线路电压损耗，提高了配电网电压质量［17］。

2 无功补偿策略

针对配电台区普遍存在无功不足和三相不平衡的问题，目前配网台区解决无功补偿问题采用的是分相补偿电容和共补电容的补偿策略，然而该策略对配网三相不平衡治理能力有限，基本不能治理三相不平衡问题［18-20］。为了达到无功功率和三相不平衡兼顾治理的目的，并且考虑设备损耗等方面，补偿后系统不平衡度最小为优化目标，提出了智能低压电容器进行动态无功补偿的补偿策略［23］。

2.1 无功补偿规划目标

常见的不平衡度衡量标准规定了变压器的三相负荷应力求平衡，不平衡度不应大于15%，只带少量单相负荷的三相变压器，中性线电流不应超过额定电流的25%。LaLbLc

图2 三相四线制系统补偿模型Fig.2 Compensation model of three-phase four wire system

治理三相不平衡的电容容量配置是一个整体优化的过程，优化后应在不出现过补的情况下到达最佳的不平衡治理目标，同时兼顾提高系统功率因数。优化的目标函数要实现补偿后系统三相不平衡度最小，且满足不平衡度小于15%。但系统功率因数较高且不平衡度较大的区域治理后的不平衡度将仍然大于15%的标准，尤其在纯阻性负载情况下，电容器将不允许投入补偿，此时电容器补偿将达不到治理三相不平衡的要求。所以通过相间和分相电容调节系统的无功功率和三相不平衡具有一定的局限性。

由分析得出通过电容器兼顾无功功率和三相不平衡治理的适用范围包括以下四种情况：1）不平衡度ε≤15%，功率因数cosΦ≤0.9；2）不平衡度ε≤45%，功率因数cosΦ≤0.8；3）不平衡度ε≤53%，功率因数cosΦ≤0.7；4）不平衡度ε≤63%，功率因数cosΦ≤0.6。

2.2 电容调节容量计算

以负载率为30%～70%，不平衡度为0～50%，功率因数0.7～0.9范围内配电台区变压器为分析模型，并计算出电容治理无功功率和三相不平衡时容量配置大小，通过分析补偿电容器容量分图，可得出兼顾无功功率和三相不平衡治理所需要的电容器配置容量如下：1）相间容量为（0.100～0.150 p.u.）×3（以变压器容量为基准）；2）分相容量为（0.0625～0.10 p.u.）×3（以变压器容量为基准）；3）每组电容容量变化梯度：（1～2）×3 kvar。

国家电网有限公司企业标准规定了10 kV及以下电压等级的无功补偿原则，配电变压器无功补偿装置容量可按变压器最大负载率为75%～85%，负荷功率因数为0.75～0.85考虑，补偿到变压器高压侧功率因数不低于0.95，或按照变压器容量的20%～40%进行配置，容性无功补偿容量应按照主变压器实际参数，结合线路及负荷侧无功缺额预测综合考虑。补偿容量计算如式（5）所示

式（6）中，cosΦ1为补偿前功率因数，cosΦ2为补偿以后需要达到的功率因数。

3 实例分析

3.1 随县庞家岩3号台区

随县环潭庞家岩3 号台区电压380 V、容量100 kVA，地处随县环潭镇庞家岩村，以农村居民负荷为主，治理前，三相电流不平衡率8.53%，功率因数为0.837，不平衡度ε≤15%，功率因数cosΦ≤0.9，满足通过电容器兼顾无功功率和三相不平衡治理的适用范围。该台区负载率为59.2%，治理前存在严重的不平衡，不平衡度最高可达到80%以上。

随县环潭庞家岩3 号台区2020 年10 月29 日安装完成了一台产品型号为HD-SPC-75 kVar 的无功电容补偿装置，其额定容量为75 kVar。投入设备补偿后，三相电流不平衡度由8.53%下降至3.85%，而三相电压不平衡度由1.50%下降至0.30%，系统三相电流及电压得到较好的平衡，而整体三相不平衡度ε＜15%，满足标准限值的要求，如图3所示。无功功率改善效果显著，功率因数由0.83提升至0.99，如图4所示。

图3 随县环潭庞家岩3号台区三相不平衡度对比图Fig.3 Comparison of three-phase imbalance in pangjiayan No.3 platform area,Huantan,Suixian County

图4 随县环潭庞家岩3号台区功率因数对比图Fig.4 Comparison of power factors in pangjiayan No.3 station area of Huantan,suixian County

3.2 广水青龙2号台区

广水马坪青龙2 号台区电压380 V、容量50 kVA，地处广水市马坪镇东青村四组，以农村居民负荷为主，治理前，三相电流不平衡率29.56%，功率因数为0.788，不平衡度ε≤45%，功率因数cosΦ≤0.8，满足通过电容器兼顾无功功率和三相不平衡治理的适用范围。该台区负载率39.81%，治理前存在严重的不平衡，不平衡度最高可达到80%以上。

广水马坪青龙2 号台区2020 年11 月27 日安装完成了一台产品型号为KN98M-30 的无功电容补偿装置，其额定容量为30 kVar，投入设备补偿后，三相电流不平衡度由29.56%下降至17.63%，而三相电压不平衡度由2.60%下降至0.46%，系统三相电流及电压得到较好的平衡，三相不平衡度ε＜15%，满足标准限值要求，如图5 所示。无功功率改善效果显著，功率因数由0.788上升至0.98，如图6所示。

图5 广水马坪青龙2号台区三相不平衡度对比图Fig.5 Comparison diagram of three-phase imbalance in Maping Qinglong No.2 platform area,Guangshui

图6 广水马坪青龙2号台区功率因数对比图Fig.6 Comparison of power factors in Maping Qinglong No.2 station area,Guangshui

4 结语

本文以补偿后系统不平衡度最小为优化目标，提出了智能低压电容器进行动态无功补偿的补偿策略，有效降低了配变三相不平衡度、提升了低压台区功率因数水平，降低了电网线路损耗。本文以湖北随州电网为实例，对两个低压台区进行了智能低压电容器动态无功补偿，补偿后效果如下：庞家岩3号台区在智能低压电容器动态无功补偿装置投产后，三相电压不平衡度由1.5%下降至0.3%，三相电流不平衡率由8.53%下降至3.85%，功率因数由改造前0.83 上升至0.99；青龙2号台区在智能低压电容器动态无功补偿装置投产后，三相电压不平衡率由2.6%下降至0.46%，三相电流不平衡率由29.56%下降至17.63%，功率因数由改造前0.788 提升至0.98。湖北随州两个低压台区通过实施智能低压电容器动态无功补偿，三相不平衡度有了明显的降低，功率因数得到显著提升，验证了智能低压电容器动态无功补偿策略的正确性、有效性，建议下一步针对功率因数较低、不平衡度较高的台区推广应用。