為什麽要進行無功補償？無功補償的原理、形式是什麽？

hth下载地址 陳聰

提及“無功補償(chang) "，首先我們(men) 要了解無功功率的概念，什麽(me) 是無功功率？

人們(men) 對有功功率相對容易理解，因為(wei) 它能做功、產(chan) 生熱量、帶動電機旋轉等。例如，當交流電通過純電阻時，電流能使電阻發熱，是實實在在能感受得到的功率。但“無功功率"一般則難於(yu) 理解，它僅(jin) 存在於(yu) 交流電中，直流電不存在無功功率的問題。例如，當交流電流通過純電容或純電感負載時並不做功，也就是說純電容或者純電感負載不消耗有功功率，但在它們(men) 中流過的電流以及對應電壓就形成了交流功率，這種交流功率即稱為(wei) 無功功率。理論上講，無功功率是不做工的，當然它不應該產(chan) 生光和熱，更不能帶動電機的旋轉。

往往我們(men) 遇到的負載很少有純感性或純容性的，一般都是混合性負載，這樣電流在通過它們(men) 的時候，有部分功率能做功，有部分功率不能做功，不能做功的功率就是無功功率，為(wei) 了直觀的體(ti) 現無功功率和有功功率的關(guan) 係，人們(men) 采用功率因數的概念來表述電能的利用率。功率因數越接近1，說明有功功率的占比高，電能的利用率高；反之，功率因數越接近0，說明有功功率的占比低，電能的利用率則低。為(wei) 了提高電能的利用率，就提出了“無功補償(chang) "的概念。

了解了無功功率、有功功率、功率因數的概念，也知道了無功補償(chang) 的根本目的就是提高電能利用率。接下來我們(men) 具體(ti) 分析下：為(wei) 什麽(me) 要進行無功補償(chang) 、無功補償(chang) 的原理是什麽(me) 、補償(chang) 形式有哪些以及補償(chang) 經濟性的分析等。

一、為(wei) 什麽(me) 要進行無功補償(chang)

無功功率不是無用功率，在交流供電係統中，電感和電容都是不可少的負載，如電動機、變壓器等鐵磁性負載，如果沒有感性無功的勵磁，設備無法正常工作，比如定距離送電的線路本身，就是容性負載，隻要是送電當中就會(hui) 相當於(yu) 電容器在工作。那麽(me) 也就是說在交流供電係統中，無功的存在對功率的傳(chuan) 輸和交換有著巨大意義(yi) ，*，或者說離開無功功率的交換係統就不能正常工作。

那麽(me) ，大量的無功由哪裏來？係統中眾(zhong) 多的無功負載，尤其是感性無功負載，正常來講，這些負載所吸收的無功功率是由發電廠提供的，也就是說發電機在工作時就會(hui) 向係統釋放有功電能，同時對感性負載提供相應的無功電能。發電機運行時需要要保持適當的無功輸出，如果沒有無功輸出就會(hui) 對發電係統造成破壞性的影響,也就是說保護係統的無功平衡至關(guan) 重要。

當係統中無功功率需求增加時，如果不在係統人為(wei) 地安裝無功補償(chang) 裝置，發電廠要通過調相的方式來加大無功功率輸出，由於(yu) 發電機的容量是有限的，那麽(me) 就勢必要減少有功功率的輸出量，也就是降低發電機的輸出能力，為(wei) 滿足用電的要求，發電機、供電線路和變壓器的容量需增加，這樣不僅(jin) 增加供電投資、降低設備利用率，也將增加線路損耗。

為(wei) 了降低發電廠的無功供給壓力，我們(men) 在供電係統中感性負載消耗較大的點投入相應的電容器來為(wei) 感性負載提供無功功率，這樣就減輕了發電廠的無功供給壓力。用戶應在提高用電自然功率因數的基礎上，設計和裝設無功補償(chang) 裝置，並做到隨其負荷和電壓變動及時投入或切除，防止無功倒送。同時將用戶的功率因數達到相應的標準，以避免供電部門加收力率電費。因此，無論對供電部門還是用電部門，對無功功率進行自動補償(chang) 以提高功率因數，防止無功倒送，對節約電能、提高運行質量都具有非常重要的意義(yi) 。

二、無功補償(chang) 的原理是什麽(me)

1、從(cong) 吸收功率和釋放功率角度分析

一般在係統中所說的無功負載大部分是感性無功負載，把具有容性功率負荷的裝置與(yu) 感性功率負荷並聯接在同一電路，當感性無功負載吸收功率時，容性負載釋放功率，而感性負載釋放功率時，容性負荷卻在吸收功率，功率在容性負載和感性負載之間交換，這樣容性負載所吸收的無功功率可以從(cong) 感性負荷裝置輸出的無功功率中得到補償(chang) ，無功功率就地平衡掉，以降低線路損失，提高帶載能力，降低電壓損失及緩和發電廠的供電壓力，這就是無功補償(chang) 的基本原理。

2、從(cong) 相位（感性/容性）角度分析

純電感負載中電流IL滯後電壓90°，其功率稱為(wei) 感性無功功率；而純電容負載中電流Ic則超前電壓90°，其功率稱為(wei) 容性無功功率。

電容中的電流與(yu) 電感中的電流相位相差180°,可以相互抵消。電力係統中的負載大部分是感性負載，因此總電流I將滯後電壓一個(ge) 角度Φ1,如果將並聯電容器與(yu) 負載並聯，這時I′＝I+IC,電容器的電流將抵消一部分電感電流，從(cong) 而使總電流從(cong) I降低到I′，相位角由Φ1減少為(wei) Φ2,可以提高功率因數，無功就地得到治理。

三、無功補償(chang) 的形式有哪些

廣義(yi) 上講，無功補償(chang) 的形式種類較多，比如：

按照補償(chang) 並網點PCC點電壓等級不同，可分為(wei) 高壓補償(chang) 、中壓補償(chang) 、低壓補償(chang) ；

按照補償(chang) 點在輸配電係統中的位置不同，可分為(wei) 設備側(ce) 就地補償(chang) 、區域局部補償(chang) 、變電所集中補償(chang) ；

按照補償(chang) 設備類型，可分為(wei) 投切電容器補償(chang) （FC補償(chang) ）、機械旋轉類補償(chang) （如：同步調相機、同步發電機、同步電動機）、靜止類無功補償(chang) （靜止無功補償(chang) 器：晶閘管投切電容TSC、晶閘管控製電抗器TCR、磁控電抗器MCR；靜止同步補償(chang) 器STATCOM；靜止無功發生器SVG）、複合類無功補償(chang) （FC+TCR、FC+MCR、FC+STATCOM）等。

3.1 按照補償(chang) 位置區分的補償(chang) 形式

接下來主要針對低壓0.4KV係統補償(chang) 點位置不同，無功補償(chang) 的形式做個(ge) 簡單介紹。

1、設備側(ce) 就地補償(chang)

設備側(ce) 就地補償(chang) 就是對單台用電設備所需的無功就近補償(chang) 的辦法，把電容器直接接到單台用電設備的同一個(ge) 電氣回路，用同一台開關(guan) 控製，同時投運或斷開。這種補償(chang) 方法的效果較好，電容器靠近用電設備，就地平衡無功電流，可避免無負荷時的過補償(chang) ，使供電質量得到保證。這種補償(chang) 方式常用於(yu) 高低壓電動機等用電設備。但這種補償(chang) 方式在用戶設備非連續運轉時，電容器利用率低，不能充分發揮其補償(chang) 效益。

2、區域局部補償(chang)

區域局部補償(chang) 是將電容器分組安裝在車間配電室或變電所各分路的出線上，它可以根據係統負荷的變化投入或切除電容器組，補償(chang) 效果也比較好，但造價(jia) 相對較高。

3、變電所集中補償(chang)

變電所集中補償(chang) 是所有電容器組集中安裝在變電所的一次或二次側(ce) 的母線上。這種補償(chang) 方式安裝簡單，運行可靠，可以集中補償(chang) 低壓0.4KV係統的無功功率，對於(yu) 變壓器原邊（一般是10KV計量點）功率因數的提升有比較直接的效果，這類補償(chang) 方式是當前采用廣泛，性價(jia) 比相對比較高的方案。

3.2 按照補償(chang) 設備類型區分的補償(chang) 形式

按照補償(chang) 設備類型細分的設備就非常多了，一般都是按照現場實際運行設備類型，各個(ge) 補償(chang) 設備運行都各有利弊，在本文中我們(men) 主要針對市場上0.4KV配電係統中應用廣泛的兩(liang) 類產(chan) 品——投切電容器補償(chang) （FC補償(chang) ）和靜止無功發生器（SVG補償(chang) ），在此給大家做個(ge) 簡單的介紹。

1、投切電容器補償(chang) （FC補償(chang) ）

投切電容器補償(chang) 也就是傳(chuan) 統的並聯電容器補償(chang) 方式，他的原理是通過增加容性無功補償(chang) 負載的感性無功需求，提升負載電壓的穩定性，提高功率因數。

由於(yu) 早期並聯電容器的投切是通過接觸器來實現，接觸器動作時間都是秒級，所以它的致命缺點是：合閘湧流大，嚴(yan) 重的情況下可以達到補償(chang) 電容器額定電流的50-100倍，會(hui) 產(chan) 生較大的弧光，造成電容器和接觸器的損壞。根據現場負載實際運行情況，市場上逐漸出現同步開關(guan) 、複合開關(guan) 、晶閘管開關(guan) 等替代接觸器的方案，在電壓過零點合閘、電流過零點切斷方麵有了很大的提升，大大降低了投切湧流導致的設備損壞。

為(wei) 了投切控製智能化、采集係統數據多元化、保護功能多樣化、安裝維護簡單化，近些年又衍生出了另一類投切電容器補償(chang) ——智能電容，相比於(yu) 傳(chuan) 統的電容補償(chang) ，它具有多項技術功能是傳(chuan) 統電容器無法實現的。另外，隨著負載設備電力電子化，配電係統諧波影響不容忽視，尤其對電容的影響，所以針對諧波的影響，FC補償(chang) 也做了很多相關(guan) 改進，比如提出串抗率的概念，什麽(me) 情況下用6%、7%的串抗率？什麽(me) 情況下用13%、14%的串抗率？這部分內(nei) 容後期做專(zhuan) 題進一步講解。

2、靜止無功發生器（SVG補償(chang) ）

靜止無功發生器是一種用於(yu) 補償(chang) 無功的新型電力電子裝置，它能對大小變化的無功以及負序進行快速和連續的補償(chang) ，其應用可克服FC補償(chang) 器等傳(chuan) 統的無功補償(chang) 器響應速度慢、補償(chang) 效果不能合理控製、容易與(yu) 電網發生並聯諧振和投切震蕩等缺點。

相比於(yu) FC補償(chang) 大的三點優(you) 勢在於(yu) ：

①線性補償(chang) 無功功率，補償(chang) 階梯小於(yu) 1KVar；

②無木及性補償(chang) ，既可以輸出容性無功，也可以輸出感性無功；

③響應時間快，全響應時間小於(yu) 5ms。

四、無功補償(chang) 的經濟效益

1、補償(chang) 無功功率，提高功率因數

根據《功率因數調整電費辦法》的通知內(nei) 容，不難發現，功率因數以0.9為(wei) 標準值的力率調整規定，提高功率因數可以減少總電費的繳納，甚至功率因數高於(yu) 0.9的配電用戶，還能獲得電力公司力率調整的獎勵費用。

通過合理的補償(chang) ，使計量點的功率因數達到國家標準的要求，可以去除力率電費，從(cong) 而使電力用戶電費支出大幅度降低。

動態無功功率補償(chang) 裝置的有功節能隻是降低了補償(chang) 點至發電機之間的供配電的損耗。所以高壓網側(ce) 的無功補償(chang) 不能減少低壓閥側(ce) 的損耗，亦不能使低壓供電變壓器的利用率提高，根據合適的補償(chang) 理論，就地動態無功功率補償(chang) 節能效果明顯。

另外，市場上很多補償(chang) 設備宣傳(chuan) “節能"“省電"等等概念，也基本上都是從(cong) 無功補償(chang) 入手，提高功率因數，減少力率罰款，或者由力率罰款轉化為(wei) 力率獎勵的方式，實現為(wei) 配電用戶省錢的目的。所以關(guan) 於(yu) 無功補償(chang) ，在自然界功率傳(chuan) 遞的角度認識的話，嚴(yan) 格講並不屬於(yu) “節能"“省電"範疇，但是實實在在可以給配電用戶省錢。

2、降低輸電線路及變壓器的損耗

合理的補償(chang) 可以合理的降低係統電流，以係統自然功率0.7為(wei) 例，如通過補償(chang) 裝置將係統功率因數提高到接近1的水平，係統電流將下降30%左右，即線路和變壓器的損耗可降為(wei) P=I2R＝(1-30%)2R=0.49R，即線路和變壓器損耗可降低51%。用電企業(ye) 的自然功率因數一般在0.7左右，功率因數從(cong) 0.7提高到0.95以上線損降低率和變壓器的銅損降低率如下表：

降低線路及變壓器損耗，節約有功電度，是重要的節能措施。如在石油行業(ye) 中，線路比較長，而且比較複雜，那麽(me) 可以通過增加無功補償(chang) 設備來降低運行電流，從(cong) 而降低線路損耗，節約有功電度，節能效果明顯。

3、增加電網的傳(chuan) 輸能力，提高設備利用率

由於(yu) 補償(chang) 裝置可以合理的降低係統電流和視在功率，故可以合理的降低電網建設中所有相關(guan) 設備的容量，從(cong) 而降低電網建設中的投資。功率因數在0.7左右的係統，由於(yu) 合理的補償(chang) 可使係統電流下降30%，即提高發電廠、變配電設施30%的帶載能力。

如果變壓器及線路小容量不足時，可以通過安裝無功補償(chang) 裝置的方法解決(jue) 。安裝無功補償(chang) 裝置可以使無功功率就地平衡，從(cong) 而減小流過線路及變壓器的電流，減緩導線及變壓器的絕緣老化速度，延長使用壽命。同時可以釋放變壓器及線路的容量，增加變壓器及線路帶負荷能力。如，有一台100KVA變壓器，目前負載率為(wei) 85%，COSΦ=0.7。如果加裝無功補償(chang) 設備，可使變壓器釋放30%的帶載量，用戶可在變壓器不增容的情況下，增加負載，進行擴大生產(chan) 。

4、改良電壓質量

由於(yu) 係統存在的大量感性負載將造成供電線路壓降，尤其在供電線路末端更為(wei) 嚴(yan) 重，通過合理的補償(chang) 可以合理的緩和線路壓降，改良電能質量。

線路中的電壓損失的計算公式如下：

式中：

P —— 有功功率，kW

U —— 額定電壓，kV

R —— 線路總電阻，Ω

Q —— 無功功率，kVar

Xl—— 線路感抗，Ω

由於(yu) 係統的感抗遠遠大於(yu) 阻抗，從(cong) 上式中可以看到,無功的變化會(hui) 引起電壓產(chan) 生很大的變化。當線路中，無功功率Q減小以後，電壓損失也就減少了。

對於(yu) 供電線路末端電壓一般較低，可通過增加無功補償(chang) 裝置來提升線路末端電壓，使用記設備安全可靠運行。

另一方麵，隨著工業(ye) 的發展，大量的自控設備及非線性負載的使用，使大量諧波在供配電網絡中的流動，汙染電網。通過合理的配置補償(chang) 濾波設備，治理或大幅度降低諧波對供電係統和用電設備的影響是改良電能質量的主要手段之一。

電能質量問題隨著新型電力係統的興(xing) 起，必然要麵臨(lin) 很多電能質量相關(guan) 問題，以下幾類問題值得進一步了解、熟悉、探索： 

① 諧振問題分析，什麽(me) 是諧振？

② 什麽(me) 現場經常會(hui) 出現濾波器損壞現象？

③ 濾波器就地補償(chang) 和集中補償(chang) 的區別？

④ 要求諧波治理到5%，如何去理解？

⑤ 加裝濾波器到底能不能起到“節能"的作用？

⑥ 儲(chu) 能、光伏、風電等電力電子器件的並網，對電能質量的影響如何？

⑦ 微電網係統對電能質量的需求是否重要？