浅谈无功功率和电压控制

浅谈无功功率和电压控制

随着我国经济建设的蓬勃发展，社会对电力资源的需求日益增长，用户对电力系统的要求也越来越高。供电的可靠性和稳定性已经成为保障经济增长和满足用户需求的重要问题。我国作为装机容量和年发电量均居世界第二位的电力大国，由于国土辽阔、动力资源与用电中心相距遥远、城乡家用电器设备的大量普及，对用户端电力电压的稳定性提出了更高的要求。保障供电的稳定性也是改善内外部投资环境、满足人民日益增长的生活水平以及提升综合国力的重要体现。

电压是衡量电能质量的一个重要指标。电力系统中各种用电设备只有在电压为额定值时才有最好的技术和经济指标。但是在电力系统的正常运行中，用电负荷和系统运行方式是经常变化的，由此引起电压发生变化，不可避免地出现电压偏移。而电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功电源的无功功率输出应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则就会偏离额定值。

总体来说，电力系统有效和可靠的运行，电压和无功功率的控制应满足以下目标：①系统中有所有装置的端电压应在可接受的限制内。②为保证最大限度利用输电系统，应加强系统稳定性。③应使无功功率传输最小，以使得ＲＩ２和ＸＩ２损耗减小到最小。

当负荷变化时，输电系统的无功功率的要求也要变化。由于无功功率不能长距离传输，电压只能通过遍布整个系统的具体装置来进行有效控制。

1 无功功率的产生和吸收

同步发电机可以产生或吸收无功功率，这取决于其励磁情况。当过励时产生无功功率，

当欠励时吸收无功功率。

架空线路产生或吸收无功功率取决于负荷电流。当负荷低于自然负荷（波阻抗），线路产生纯无功功率；当高于自然负荷时，线路吸收无功功率。

地下电缆，由于它们对地电容较大，因此具有较高的自然负荷。它们通常工作在低于自然负荷情形下，因此在所有运行条件下总发生无功功率。

变压器不管其负载如何，总是吸收无功功率。空载时，起主要作用的是并联激励电抗；满载时，起主要作用的是串联漏抗。

电力负荷通常吸收无功功率。由电力系统的供电的典型负荷节点由许多装置所组成。这种组成随日期、随季节和气候的变化而不同。通常负荷节点的负荷特性是吸收无功功率的，复合负荷的有功功率和无功功率都是电压幅值的函数。具有低的滞后功率因数的负荷使传输网络有大的电压降落，因而供电也不经济，对于工业用户，无功功率通常和有功功率一样要计费，这就鼓励企业通过使用并联电容器来提高负荷功率因数。

2 无功功率的补偿

2.1 无功功率不足的危害：交流电力系统需要电源供给两部分能量：一部分将用于做功而被消耗掉，这部分称为“有功功率”；另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有做功，称为“无功功率”，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建立磁场，电动机，变压器等设备就不能运转。其物理意义是：电路中电感元件与电容元件正常工作所需要的功率交换。无功功率不足，无功电源和无功负荷将处于低电压的平衡状态，将给电力系统带来诸如出力不足，电力系

统损耗增加，设备损坏等一系列的损害，甚至可能引起电压崩溃事故，造成电网大面积停电。

2.2 无功补偿原理：在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流滞后电压九十度，纯电容负载中电流超前电压九十度，也就是说纯电容中电流和纯电感中的电流相位差为１８０度，可以互相抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量由容性负荷储存起来；当感性负载需要能量时，再由容性负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷间相互交换，感性负荷所需要的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。

2.3 无功补偿的三种形式：①集中补偿。集中补偿就是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上，这种补偿方式，安装简便，运行可靠，利用率高，但当电气设备不连续运转或轻负荷时，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压升高，电压质量变坏。季节性用电较强，空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。②分散补偿。分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所个分路的出线上，形成低压电网内部的多组分散补偿方式，它能随工厂部分负荷的变动同时投切，适合负荷比较分散的补偿场合，这种补偿方式效果较好，且补偿方式灵活，易于控制。③个别补偿。个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的方法，把电容器直接接到单台用电设备的同一电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开，俗称随机补偿。这种补偿方法的效果最好，它能实现就地平衡无功电流，又能避免无负荷时的过补偿，是农网中对异步电动机进行补偿的常用方法。

2.4 无功补偿设备。根据补偿的效果而言，电容器可以补偿负荷侧的无功功率，提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。电抗器可以吸收电网多余的线路充电功率，改善电网低谷负荷时的运行电压，减少发电机的进相运行深度，提高电网运行性能。

①无源补偿设备装置。并联电抗器，并联电容器和串联电容器。这些装置可以是固定连接式的或开闭式的，无源补偿设备仅用于特性阻抗补偿和线路的阻抗补偿，如并联电抗器用于输电线路分布电容的补偿以防空载长线路末端电压升高，并联电容器用来产生无功以减小线路无功输送，减小电压损失；串联电容器可用于长线路补偿等。电力系统变电站内广泛安装了无功补偿电容器，用来就地无功平衡，减少线损，提高电压水平。②有源补偿装置。通常为并联连接式的，用于维持末端电压恒定，能对连接处的微小电压偏移做出反应，准确地发出或吸收无功功率的修正量。如用饱和电抗器作为内在固有控制，用同步补偿器和可控硅控制的补偿器作为外部控制的方式。

无功补偿对提高功率因数，改善电压质量，降损节能、提高供电设备的出力都有很好的作用。只要依靠科技进步，加大资金投入，优化无功补偿配置，实现无功的动态平衡是完全可能的。

3 无功补偿的效益 在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然平均功率因数在０．７０～０．８５之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的６０～９０％，如果把功率因数提高到０．９５左右，则无功消耗只占有功消耗的３０％左右。减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。

3.1 节省企业电费开支。提高功率因数对企业的直接效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。使用无功补偿不但减少初次费用，而且减少了运行后的基本电费。

3.2 降低系统的能耗。补偿前后线路传送的有功功率不变，Ｐ＝ ＩＵＣＯＳφ，由

于ＣＯＳφ提高，补偿后的电压Ｕ２稍大于补偿前电压Ｕ１，为分析问题方便，可认为Ｕ２≈Ｕ１从而导出I１ＣＯＳφ１＝I２ＣＯＳφ２。即I１／Ｉ２＝ＣＯＳφ２／ ＣＯＳφ１，这样线损 Ｐ减少的百分数为：

ΔＰ％＝（１－I２／Ｉ１）×１００％＝（１－ＣＯＳφ１／ＣＯＳφ２）×１００％ 当功率因数从０．７０～０．８５提高到０．９５时，由上式可求得有功损耗将降低２０～４５％。

3.3 改善电压质量。以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为Ｒ、Ｘ，有功和无功为Ｐ、Ｑ，则电压损失ΔＵ为：△Ｕ＝（ＰＲ＋ＱＸ）／Ｕｅ×１０－３（ＫＶ）两部分损失：ＰＲ／Ｕｅ→输送有功负荷Ｐ产生的；ＱＸ／Ｕｅ→输送无功负荷Ｑ产生的。

配电线路：Ｘ＝（２～４）Ｒ，△Ｕ大部分为输送无功负荷Ｑ产生的。

变压器：Ｘ＝（５～１０）Ｒ ＱＸ／Ｕｅ＝（５～１０） ＰＲ／ Ｕｅ 变压器△Ｕ几乎全为输送无功负荷Ｑ产生的。

可以看出，若减少无功功率Ｑ，则有利于线路末端电压的稳定，有利于大电动机的起动。

3.4 三相异步电动机通过就地补偿后，由于电流的下降，功率因数的提高，从而增加了变压器的容量，计算公式如下：

△Ｓ＝Ｐ／ ＣＯＳφ１×［（ＣＯＳφ２／ ＣＯＳφ１）－１］

如一台额定功率为１５５ＫＷ水泵的电机，补前功率因数为０．８５７，补偿后功率因数为０．９６７，根据上面公式计算其增容量为：（１５５÷０．８５７） ×［（０．９６７ ÷０．８５７）－１］＝２４ＫＶＡ。

4 结束语

在配电网中进行无功补偿、提高功率因数和做好无功优化，是一项建设性的节能措施。本文简要分析了三种无功补偿的方法和两种无功功率补偿容量的选择方法以及无功补偿后的良性影响。在实际设计中，要具体问题具体分析，使无功补偿应用获得最大的效益。