无功功率补偿原理及方法分析

无功功率补偿原理及方法分析摘要：无功功率补偿是保障电力系统能源质量的有效方法，其在降低电能消耗以及能源节约方面的效果是非常明显的，所以其在长距离电能运输中的作用是不可忽视的。

为保障电网系统运行的效益，我国加大了对无功功率补偿技术研究的力度，本文通过对电网系统进行研究，探讨一下无功功率补偿的原理和方法以及其在电网系统中的应用。

关键词：无功功率补偿补偿原理补偿方法无功功率补偿是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的一项重大课题，正在受到越来越多的关注。

电网中无功功率不平衡主要有以下两个为一面的原因:一为一面是供电部门传送的电力质量不高；另一为一面是用户的电气性能不够好，这两为一面的综合原因导致无功功率的不均匀分布和各种问题的产生。

显然，这此需要补偿的无功功率如果都要由发电端产生和提供并经过长距离传输是不可能的，最有效的为一法是在大量需要无功功率的地为一安装无功补偿装置并进行无功功率的就地补偿。

1 无功补偿的原理电流在电感元件中做功时，电流滞后于电压90o；而电流在电容元件中作功时，电流超前于电压90o。

在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180o。

如果在电磁元件电路中安装一定的电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小，从而提高电能做功的能力，这就是无功补偿的道理。

图1和图2分别为感性阻抗和容性阻抗中电流、电压和功率的波形变化规则。

在第一个四分之一周期内，电流由零逐渐增大，此时，电感吸收功率，转化为磁场能量，而电容放出储存在电场中的能量；第二个四分之一周期，电感放出磁场能量，电容吸收功率，以后的四分之一周期重复上述循环。

从图3可以看出并联电容器无功补偿原理。

将并联电容器C与供电设备(如变压器)或负荷(如电动机)并联，则供电设备或负荷所需要的无功功率，可以全部或部分由并联电容器供给，即并联电容器发出的容性无功，可以补偿负荷所消耗的感性无功。

图1 电感中电流、电压和功率的变化图2 电容中的电流、电压和功率的变化图3 并联电容器无功补偿原理图4为并联电容器补偿向量图。

当未接电容C时，流过电感L的电流为IL，流过电阻R的电流为IR，电源供给的电流为I1， I1=IR+jIL，此时相位角为φ1，，功率因数为cosφ1；并联接入电容C后，由于电容电流IC与电感电流IL方向相反，使电源供给的电流由I1减小为I2， I2=IR+j(IL-IC)，相角由φ1减小到φ2，功率因数则由cosφ1提高到cosφ2。

设负荷有功功率为P(千瓦)，无功功率为Q(千乏)，视在功率为S(千伏安)，电压有效值为 ，电流有效值为I，功率三角形如图5，则有:图4 并联电容器补偿向量图图5 有功、无功、视在功率向量图2 无功补偿的作用在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。

如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。

但是从发电机和高压输电线供给的无功功率远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。

1)根据用电设备的功率因数，可测算输电线路的电能损失。

通过现场技术改造，可使低于标准要求的功率因数达标，实现节电目的。

2)采用无功补偿技术，提高低压电网和用电设备的功率因数，已成为节电工作的一项重要措施。

3)无功补偿，它就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，降低能耗，改善电网电压质量，稳定设备运行。

4)减少电力损失，一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗约2%--3%左右，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失。

5)改善供电品质，提高功率因数，减少负载总电流及电压降。

于变压器二次侧加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。

6)延长设备寿命。

改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可以降低温升增加寿命（温度每降低10℃，寿命可延长1倍）7)最终满足电力系统对无功补偿监测要求，消除因为功率因数过低而产生的罚款。

8)无功补偿可以改善电能质量、降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力、无功补偿减少用户电费支出，是一项投资少，收效快的节能措施。

9)无功补偿技术对用电单位的低压配电网的影响以及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益，确定无功功率的补偿容量，确保补偿技术经济、合理、安全可靠，达到节约电能的目的。

3 电网系统中的无功补偿类别我国电网系统中的武功功率补偿方法类别是有区分依据的，例如补偿方式、补偿类别以及电网类型等都是无功功率补偿方法的划分标准的所以我国电网系统中的无功功率的补偿类别主要有以下几种表现形式:3.1补偿方式类别按电网系统无功功率补偿方式进行类别的划分主要可分为六个部分:电网随线补偿，其补偿无功功率的方法主要是在电网系统的高压配电线路上以分散并联的方式安装电容器直接提高电网电网运行功率，降低损耗二变电站处集中补偿其补偿方法，即是在高、低压配电线路中采用组装并联的方式安装电容器对主变空载以及输电线路进行无功功率补偿，实现变电站终端电压的提高，随器、随机补偿，此种补偿方法效益比较高，其连接方式简单，安装容易配置灵活，对低压输电线路的作用比较高，但是其产生的谐波较难控制；低压集中式补偿，此补偿方式在用户变压器中应用较多，由于其在管理和维护上存在制约因素，公共变压器中不经常使用；电动机器就地补偿，此补偿方式以单台电动机器为基础，以联动的方式安装电容器，保障电能功率消耗降低的同时，提高输电线路的输电能力，低压分散式补偿此补偿方式没有针对性，而且其降损节能的效果较为明显，但是其在设备利用上容易造成电容器的闲置。

3.2补偿设备类别按电网系统补偿设备类型进行类别的划分主要分为四类：移相电容器，此补偿设备因在电网系统中使用的功耗小利用率高，但是其只能采用分级的方式进行补偿，不能完全吸收无功的功率而，且其对环境和电压的是有一定要求的；静止补偿装置，此补偿装置由电容器和电抗器共同组成，可对无功功率进行调节，可实现电压在周波内迅速调节；同步调相机，此补偿装置主要是以机器的负载为对象，向电网系统提供具备感应性的无功功率，保持电网系统运行的稳定性；同步电动机，此补偿设备与同步调相机类似，不同之处是其作用对象为电网系统的功率因子。

3.3网络目的类别电网系统无功率补偿方式以网络类型进行分类可分为输配电补偿和配电线补偿，其两者的共同目的即是提高电网系统运行的稳定性，理论是以线路环式连接方式为主的，但是以实际电网线路运行来看，为避免线路中产生电磁影响，一般采用开环的方式连接。

4 无功补偿方式4.1变电站集中补偿变电站集中补偿方式指的是在变电站装设无功补偿装置，包括并联电容器、同步调相机、静IF补偿器等等。

通常采用的调节方式是按照九区图的控制策略，将无功补偿装置与有载调压抽头配合调节，实现电压和无功功率的控制。

这种无功补偿方式的优点是维护方便、管理方式简单，但缺点是无法降低配电网的电能损耗厂4.2低压集中补偿低压集中补偿方式主要应用在变压器低压侧，是国内较普遍采用的另一种无功补偿方式。

其中补偿装置通常采用微机控制的低压并联电容器柜，可根据用户负荷水平的波动来投入适当数量的电容器，从而进行跟踪补偿。

这种补偿方式可改善专用变压器用户的功率因数，实现无功功率的就地平衡，进一步降低配电网及变压器的电能损耗，从而保证用户的电压水平。

然而其缺点在于当线路电压基准偏高或偏低时，无功功率的投切量难以满足实际需求量，就有可能出现无功功率补偿过量或不足的情况。

另外，面向用户的公用变压器通常安装在户外杆架上，在这些变压器上安装集中补偿装置则难以维护、控制和管理，容易产生安全隐患。

因此，这种无功补偿有一定的局限性。

4.3杆上无功补偿为了降低线路网损，把l OkV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上进行无功功率补偿，这样可以提高配电网的功率因素，降低线损，提升电压。

为了避免因杆上安装并联电抗器远离变电站而引起的保护不易配置、控制成本高、维护难度大、安装环境受限等问题，杆上无功补偿必须做到:补偿点宜少、控制方式从简、不设分组投切、补偿容量宜小、接线宜简单及保护方式简化等。

杆上无功补偿方式具有投资小、补偿效率高、便于管理和维护等优点。

在负荷波动的情况下，这种固定的补偿方式适应能力较差。

4.4用户终端分散补偿由于低压用户负荷小、波动大、地点分散、管理较难，因此直接在用户末端进行无功补偿将最恰当地维持配电网的电压水平，降低电力系统的电能损耗。

尤其是企业和厂矿中的电动机更应该进行就地无功补偿。

这种补偿方法的无功装置应具有智能型控制、免维护、易安装、占地面积小、功能完善等特点。

分散补偿的优点是:能大幅降低线损，改善电压质量及提高线路输电能力。

缺点是大量电容器轻载时会闲置，设备利用率不高。

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