无功补偿法在电力系统中的实践应用研究.pdf

Telecom Power Technology 43 Aug.10,2023,Vol.40 No.15 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期电力技术应用DOI：10.19399/ki.tpt.2023.15.014无功补偿法在电力系统中的实践应用研究姚 洋，翁同洋，武 涛，傅维柱（国网六安供电公司，安徽 六安 237006）摘要：在电力系统中，无功补偿的确定是电力系统实施无功优化控制、提升电能质量的关键环节，对改善电网电压分布、降低输电线路电能损耗具有十分重要的推动作用，是电力系统确保电力传输稳定性的重要基础。基于此，对无功补偿法在电力系统中的实践应用进行深入研究，系统论述电力系统中无功补偿的几种措施，深入探寻无功补偿法在电力系统中的实践应用和注意问题，以期为我国电力系统智能电网的高质量发展提供参考。关键词：电力系统；无功补偿法；实践应用；注意问题Research on the Practical Application of Reactive Power Compensation Method in Power SystemYAO Yang,WENG Tongyang,WU Tao,FU Weizhu(State Grid Luan Power Supply Company,Luan 237006,China)Abstract:In the power system,the determination of reactive power compensation is a key link in the power system to implement reactive power optimization control and improve power quality,which plays a very important role in improving the voltage distribution of the grid and reducing the power loss of the transmission line,and is an important basis for the power system to ensure the stability of power transmission.Based on this,this paper conducts an in-depth study on the practical application of reactive power compensation method in power system,systematically discusses several measures of reactive power compensation in power system,and further explores the practical application of reactive power compensation method in power system and the problems to be noted,in order to provide references for the high-quality development of Chinas power system smart grid.Keywords:power system;reactive power compensation method;practical application;pay attention to the problem1 无功补偿技术概述1.1 无功补偿的基本原理电网在输送电力时，其输出的功率包括有功功率和无功功率。前者直接消耗电能并将电能转化为热能、机械能以及化学能等其他形式的有用能，也就是正常用电；后者不消耗电能，只是将电能转化为无用的其他形式的能，难以避免。无功功率补偿即寻找一种无功功率的输出，可以将输出的能量补偿给另一种需要无功功率的装置。以电磁元件为例，当电流在电感元件中做功时，电流滞后于电压 90；在电容元件中做功时，电流超前于电压 901。这种电感电流和电容电流在同一电路中方向相反的情况可以被有效利用：一是可以将一定比例的电容元件安装在电磁元件中，减小电流和电压的矢量夹角；二是将容性功率负荷的装置和感性功率负荷装置并联在同一电路，让容性负荷输出的无功功率补偿感性负荷需要的无功功率。1.2 无功补偿的分类无功补偿的几种方式如图 1 所示。1.2.1 变电站集中补偿变电站集中补偿主要是补偿主变压器本身的无功损耗，减少上级输电线路的无功电能。利用安装在高低压配电线路中的并联电容器组或静止补偿装置，改善电网的功率因数，进而提高终端变电站的母线电压。需要注意的是，电网中配电网的线损一般占总线损的 70%，而这种无功损耗不能通过变电站集中补偿调节，需要使用其他的补偿方式（如分散补偿法）有效降低线损。1.2.2 随器补偿随器补偿是在输电线路的低压侧（用户配电变压器）安装补偿装置，也叫做配变低压补偿。这种补偿方式的安装维护较为简单，节省成本。当用户日负荷变化大时，能够及时跟进补偿，降损节能效果好。此外，还可以采用微机控制跟踪电荷波动，将结果显示在用户端的配电屏上，方便随时分组投切电容器。1.2.3 中压与低压线路补偿如果某些输电线路的低压侧没有安装补偿装置，并且该线路输电距离长、电压负荷重且功率因数低，则其配电网的无功损耗将会非常严重，只能由变电站或发电厂提高能量供应进行弥补。为了解决这种情况，可以将高压并联电容器分散安装在配电线路上，补偿线路上感性电抗消耗的无功功率和配电变压器的无功功率损耗。这种线路补偿方法投资小、回收便捷，使用效果突出。收稿日期：2023-05-06作者简介：姚 洋（1968），男，安徽六安人，本科，助理工程师，主要研究方向为电力计量管理。2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期Aug.10,2023,Vol.40 No.15Telecom Power Technology 44 1.2.4 随机补偿以上都是对配电网输电线路的无功补偿，虽然有效，但是对线路的总无功损耗补偿效果较差，仅占1/3 左右，而实际生产生活中用户设备的无功消耗占据着总无功消耗的 65%，因此设计一种对用户用电设备进行无功补偿的方法十分必要。随机补偿（用电设备就地补偿）是将电容器直接接到用电设备的同一个电气回路上，可以利用设备自带的开关进行同步控制。当设备启动时，电容器同时投运；当设备断开时，电容器同时断开。这种就地平衡无功电流的方法，既避免了无负荷时过量补偿的情况，又可以使有负荷时的电压质量得到保障2。1.3 无功补偿的应用原则无功补偿在实际应用时应该注意以下原则。1.3.1 高压补偿和低压补偿相结合由于电力系统需要向不同类型的用户供应电力，用电需求不同，电压和电流的负荷也不同，仅采取其中一种补偿方式会导致电力供应系统的输电线路无功损耗补偿有时过量、有时不足，使得输电损耗难以控制。高压补偿和低压补偿相结合的方式能更好地适应不同的电量需求场景，从而降低电能损耗。1.3.2 集中补偿和分散补偿相结合集中补偿体现在高压侧，分散补偿体现在低压侧，两者各有作用，结合起来能够极大延长电力传输的距离。1.3.3 无功补偿和有功补偿相结合有功补偿在一些情况下可以提高无功补偿的整体效果，避免无功补偿过度或不足导致配电系统受到影响的情况。1.3.4 整体和局部平衡无功平衡强调的是电力系统在运行时处于最佳状态，一旦局部无功补偿和整体出现失衡状况，就会导致电力系统运行波动。为此，可以在实践中采取降损为主、调压为辅的补偿方式，大大减少整个输电线路的能量损失，提高线路的负荷水平和电力系统的输电能力。2 电力系统中无功补偿的几种措施2.1 装设并联电容器并联电容器构造简单、安装快捷、维护方便、补偿效率高且能源损耗低，因此目前装设并联电容器是电力系统无功补偿的最常用方法。并联电容器的缺点是安装完毕后使用时无法连续调节，只能根据安装前设定的固定参数补偿无功功率，因此很有可能出现过度补偿无功功率的现象，造成系统震荡3。2.2 装设同步调相机同步调相机又可以看作空载的同步电动机，通过调整励磁电流决定向系统供给无功功率或是吸收无功功率。同步调相机的优点是使用平滑，通过调整励磁电流改变无功功率的大小，让电网的功率因数能够经常接近于 1；缺点是投资较大，损耗大且噪声大，维护较为复杂困难，现在电力系统很少使用。2.3 配备静止类无功补偿装置静止类无功补偿装置指实际运行时固定的补偿装置，具有体积小、占地面积小、效率高、动态效应时间短的特点，在电力系统无功功率控制领域的应用十分广泛。3 无功补偿法在电力系统中的实践应用3.1 电网配电线路中的无功补偿应用电网配电线路中，无功补偿的关键在于保持无功功率的平衡性。选择电网分支线路中负荷较大的线路作为无功补偿设置点，负荷大意味着消耗多，无功功率的补偿带来的改善更佳。集中计算分支线路的一部分配电变压器集中计算，平均分配负荷，然后补偿容量。对于电网中以空载无功损耗为主的分支线路和安装负载的线路而言，虽然某一部分线路会使设备投入量处于不足状态，进而使线路处于欠补偿的形式，但是电力系统的总无功补偿率可达 70%，无功功率的平衡性较好4。3.2 电力用户的无功补偿应用电力用户应用无功补偿方法主要从 3 方面入手。一是利用集中补偿的方式，将电容器装设在输电线路110 kV/35 kV380 V/220 V10 kV10 kV0.4 kVMMM变电站集中补偿中压线路补偿低压线路补偿随器补偿随机补偿图 1 无功补偿示意 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期 45 Telecom Power TechnologyAug.10,2023,Vol.40 No.15 姚 洋，等：无功补偿法在电力系统中的 实践应用研究的高压侧，这种方式可以有效减少线路的无功损耗。二是利用分组补偿的方式，将电容器分别装设在输电线路的各个低压侧，这种方式可以实现各个设备的就地平衡，有效减少用户设备的无功损耗。三是在分组补偿的基础上，将电容器并联到各个电气设备上，可以有针对性地帮助用户实现对单个电气设备的无功补偿，让更加频繁运转的设备能够处于高效、低耗的状态，同时也避免了其他停止运作的设备过度补偿。对于用户而言，无功补偿技术能够提高功率因数，减少设备损耗，实现经济用电，极大提高了经济效益。3.3 静止无功补偿器的技术应用静止无功补偿器普遍指使用晶间管的静止无功补偿装置，目前应用十分广泛，大体分为晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器，可以分开使用，也可以混合安装。静止无功补偿器与传统的无功补偿方式存在一定的不同，具有更快的响应速度，可以连续无级调节，并且不会出现涌流、拉弧等情况，适用于大多数工业电力用户，帮助实现节能降损的目标5。例如，电力机车、电弧炉、轧机等工业设备在使用静止无功补偿器后，均能够有效提高功率因数。但是静止无功补偿器也有缺点，如工作时产生谐波，需要进一步研究如何防范或解决此类问题。4 电力系统无功补偿发展中应注意的问题4.1 注意谐振的防护电力系统在非线性负荷运转时很容易产生谐振、谐波，它们对电路系统有极大的危害，出现时会导致过电压和过电流现象，长时间存在还会加剧电力系统负荷，造成电力设备损坏，并且绝缘设备也会存在很大的运转压力。因此，在实际应用无功补偿时，一定要注意谐振和谐波的防护，尽量避免产生谐振和谐波。一旦其出现于电路系统，则代表电路系统存在质量问题，需要及时维修。4.2 有效控制无功补偿的功率因数无功补偿直接作用于功率因数，可以有效提高功率因数，从而减少电能的损耗。在实际应用无功补偿时，适当提高功率因数可以降低输电电流，提高线路使用率，提升整个电气设备的电能利用率。但是要注意不能无节制地增大功率因数，功率因数过高会影响电气设备的绝缘性，并且设备内部温度也会有所升高。一旦温度超过合理范围，设备内部的零件配置会被破坏，从而影响电气设备的使用寿命。在实际无功补偿应用分析中，功率因数从 0.6 提升到 0.7 和从 0.7提升到 0.8 所使用的补偿容量几乎相当，因此这个范围也被认定为最安全的功率因数控制范围。有效控制无功补偿的功率因数，对电力系统的传输安全和电气设备的高效利用有着极大的帮助。4.3 防止电力系统的电压超标电力系统的电压会随着电容器无功补偿的变化而变化，具体表现为正相关，即补偿过多则电压上升，补偿不足则电压下降。在实际应用无功补偿技术时，切断进行补偿的电动机电源后，电力系统还会输送一段时间的无功功率，这部分补偿会导致系统电压容易超出额定值，而电力系统的电压超标会导致变电站、系统装置、终端电气设备均处于危险状态，因此电力系统的无功补偿需要根据整个电力系统的实际情况，把握好补偿因数，从而控制电压超标风险。4.4 考虑无功倒送问题大多数电力用户一般为小个体用户，为了节约成本，往往在应用无功补偿时选择一相进行采样和无功分析。在三相负荷不平衡时，就会出现无功倒送的现象。对于另一部分只采用固定电容器补偿的用户，当电气设备处于负荷低谷时，也会出现无功倒送问题。无功倒送会增加配电网的负担，也会增加输电线路的负荷，对电力系统有一定的危害，需要用户仔细考虑。5 结 论随着电力电气技术的日益进步，我国在无功补偿系统的研究方面实现了很大的发展，为了适应市场对电力系统在装置技术、输电稳定性和电能质量等方面越来越高的要求，未来无功补偿技术仍然需要不断改进。我国一直倡导能源节约，并一直为创造节约型社会而努力，无功补偿技术在电能节约方面有着极大的作用，未来随着无功补偿技术的越发成熟，其对电力系统的无功补偿优化将会愈发高效，在节约电力资源的基础上，促进社会的和谐发展。参考文献：1 高翠芳.智能无功补偿装置在低压配电工程中的运用探究 J.科技与创新，2018（21）：152.2 杨 健，陈建明，李清华.一种改进 SVG 医用电力无功补偿装置 J.电力电容器与无功补偿，2017，38（4）：130-134.3 王剑龙.简析变电设计中无功补偿装置的设计方式 J.通讯世界，2017（11）：174-175.4 劳日志，杨 波.新型电力系统中配网无功补偿的方法研究 J.红河水，2023，42（2）：75-81.5 王 珏，杨文刚.电力系统无功补偿点的确定及其补偿方法 J.电气传动自动化，2020，42（3）：17-19.