为什么要进行无功补偿？无功补偿的原理、形式是什么？

安科瑞 徐涵

说到无功补偿⑨⑤⑥⑤⑨⑧⑥①探讨。

人们相对容易理解有功功率，因为它可以工作，产生热量，驱动电机旋转。例如，当交流电通过纯电阻时，电流会使电阻发热，这是一种真正能感觉到的功率。但无功功率一般难以理解，只存在于交流电中，直流电不存在无功功率问题。例如，当交流电流通过纯电容器或纯电感负载时，它不工作，也就是说，纯电容器或纯电感负载不消耗有功功率，它们的电流和相应的电压形成交流功率，称为无功功率。理论上，无功功率不做工，当然不应产生光和热，更不用说驱动电机旋转了。

通常，我们遇到的负载很少是纯感性或纯容性的，通常是混合负载。这样，当电流通过时，有些功率可以工作，有些功率不能工作。不能工作的功率是无功功率。为了直观地反映无功功率与有功功率之间的关系，人们使用功率因数的概念来表达电能的利用率。功率因数越接近1，有功率占比越高，功率利用率越高；相反，功率因数越接近0，有功率占比越低，功率利用率越低。为提高电能利用率，提出了无功补偿的概念。

了解无功功率、有功功率和功率因数的概念，了解无功补偿的根本目的是提高功率利用率。接下来，让我们具体分析：为什么要进行无功补偿、无功补偿的原则、补偿形式和补偿经济分析。

为什么要进行无功补偿？

无功功率不是无用功率。在交流供电系统中，电感和电容器是必不可少的负载，如电机、变压器等铁磁负载。如果没有感性无功励磁，设备就不能正常工作。例如，固定距离的电源线本身就是容性负载，只要是电源，就相当于电容器在工作。也就是说，在交流供电系统中，无功率的存在对功率的传输和交换具有重要意义，或离开无功率交换系统不能正常工作。

那么，大量的无功由哪里来？系统中的许多无功负载，特别是感性无功负载，通常由发电厂提供，即发电机将向系统释放有功电能，并为感性负载提供相应的无功电能。发电机运行时需要保持适当的无功输出。如果没有无功输出，会对发电系统产生破坏性影响，即保护系统的无功平衡非常重要。

当系统中的无功功率需求增加时，如果无功补偿装置没有人工安装在系统中，发电厂应通过调整来增加无功功率输出。由于发电机容量有限，必然会降低有功功率输出，即降低发电机的输出能力。为了满足用电要求，需要增加发电机、供电线路和变压器的容量，这不仅会增加供电投资，降低设备利用率。线路损耗也会增加。

为了降低电厂的无功供应压力，我们将相应的电容器投入到电源系统中消耗大量感性负载的点，为感性负载提供无功功率，从而降低电厂的无功供应压力。在提高用电自然功率因数的基础上，用户应设计和安装无功补偿装置，并随负荷和电压的变化及时投入或切除，防止无功反转。同时，将用户的功率因数达到相应的标准，避免供电部门收取电费。因此，无论是供电部门还是用电部门，自动补偿无功功率以提高功率因数，防止无功转移，对节约电能、提高运行质量具有重要意义。

二、无功补偿的原则是什么？

1.从吸收功率和释放功率的角度分析

一般来说，系统中提到的无功负载大多是感性无功负载。当感性无功负载吸收功率时，容性负载释放功率，而感性负载释放功率时，容性负载在吸收功率、容性负载和感性负载之间交换，这样，容性负载吸收的无功功率就可以从感性负载装置输出的无功功率中得到补偿，从而减少线路损失，提高负载能力，降低电压损失，缓解电厂的供电压力。这是无功补偿的基本原理。

2.从相位(感性/容性)的角度分析

电流在纯电感负载中IL滞后电压90°，其功率称为感性无功率；纯电容负载中的电流Ic则超前电压90°，其功率称为容性无功功率。

电容中的电流与电感中的电流相差180°,可相互抵消。电力系统中的负载大多是感性负载，因此总电流I将滞后于电压的角度Φ1.如果并联电容器与负载并联，此时I′＝I IC,电容器的电流会抵消部分电感电流，从而将总电流从I降低到I′，相位角由Φ1减少为Φ2.能提高功率因数，无功就地治理。

三、无功补偿的形式是什么？

广义上讲，无功补偿的形式种类较多，比如：

根据补偿和网点PCC点电压等级不同，可分为高压补偿、中压补偿、低压补偿；

根据补偿点在输配电系统中的不同位置，可分为设备侧当地补偿、区域局部补偿和变电站集中补偿；

根据补偿设备的类型，可分为投资电容器补偿（FC补偿）、机械旋转补偿(如同步调相机、同步发电机、同步电机)、静止无功补偿(静止无功补偿器:晶闸管切割电容器TSC、晶闸管控制电抗器TCR、磁控电抗器MCR；静止同步补偿器STATCOM；静止无功发生器SVG）、复合类无功补偿（FC TCR、FC MCR、FC STATCOM）等。

3.1 根据补偿位置区分的补偿形式

接下来主要针对低压0.4KV简要介绍了系统补偿点的不同位置和无功补偿的形式。

1.当地补偿设备侧

设备侧当地补偿是对单台电气设备所需的无功就近补偿的方法。将电容器直接连接到单台电气设备的同一电路，用同一开关控制，同时运行或断开。这种补偿方法的效果较好，电容器靠近用电设备，就地平衡无功电流，可避免无负荷时的过补偿，使供电质量得到保证。这种补偿方法常用于高低压电机等电气设备。但当用户设备不连续运行时，电容器利用率低，不能充分发挥其补偿效益。

2.区域局部补偿

区域局部补偿是将电容器分组安装在车间配电室或变电站的出线路上。它可以根据系统负荷的变化进行投资或切组，补偿效果好，但成本相对较高。

3.变电站集中补偿

变电站集中补偿是所有电容器组集中安装在变电站一次或二次侧的母线上。该补偿方法安装简单，操作可靠，可集中补偿低压0.4KV变压器原边(一般为10)系统的无功功率KV测量点)功率因数的提高有比较直接的效果，这种补偿方法目前应用广泛，性价比较高。

3.2 补偿形式根据补偿设备的类型进行区分

根据补偿设备类型细分的设备很多，一般根据现场实际运行设备类型，各补偿设备运行各有优缺点，本文主要针对市场0.4KV两种产品广泛应用于配电系统-投切电容器补偿（FC补偿)和静止无功发生器（SVG补偿)，这里给大家简单介绍一下。

1.切割电容器补偿（FC补偿）

切割电容器补偿是一种传统的并联电容器补偿方其原理是提高负载电压的稳定性和功率因数，增加容性无功补偿负载的感性无功需求。

由于早期并联电容器的切割是通过接触器实现的，接触器的动作时间为秒，其致命缺点是：关闭流量大，严重时可达到补偿电容器额定电流的50-100倍，会产生较大的弧光，对电容器和接触器造成损坏。根据现场负荷的实际运行情况，同步开关、复合开关、晶闸管开关等替代接触器的方案逐渐出现在市场上，大大提高了电压过零点关闭和电流过零点关闭，大大减少了投切涌流造成的设备损坏。

为了控制智能切割，采集系统数据多样化，保护功能多样化，安装维护简单，近年来出现了另一种切割电容器补偿智能电容器。与传统的电容器补偿相比，它具有许多传统电容器无法实现的技术功能。此外，随着负载设备的电力电子化，配电系统的谐波影响不容忽视，特别是对电容的影响，FC补偿也做了很多相关的改进，比如串抗率的概念，在什么情况下使用6%、7%的串抗率？在什么情况下，串抗率为13%和14%？以后做专题进一步讲解。

2.静止无功发生器（SVG补偿）

静态无功发生器是一种用于补偿无功的新型电力电子设备。它可以快速连续地补偿大小变化的无功和负序，其应用可以克服FC传统的无功补偿器，如补偿器，响应速度慢，补偿效果控制不合理，容易与电网并联谐振切割冲击等缺点。

相比于FC补偿的三个优点是：

①线性补偿无功功率，补偿阶梯小于1KVar；

②无木及性补偿可输出容性无功或感性无功；

<>　　③响应时间快，全响应时间小于5ms。

 

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 四、无功补偿的经济效益

　　1、补偿无功功率，提高功率因数

 

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　　根据《功率因数调整电费办法》的通知内容，不难发现，功率因数以0.9为标准值的力率调整规定，提高功率因数可以减少总电费的缴纳，甚至功率因数高于0.9的配电用户，还能获得电力公司力率调整的奖励费用。

　　通过合理的补偿，使计量点的功率因数达到国家标准的要求，可以去除力率电费，从而使电力用户电费支出大幅度降低。

 

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　　动态无功功率补偿装置的有功节能只是降低了补偿点至发电机之间的供配电的损耗。所以高压网侧的无功补偿不能减少低压阀侧的损耗，亦不能使低压供电变压器的利用率提高，根据合适的补偿理论，就地动态无功功率补偿节能效果显著。

　　另外，市场上很多补偿设备宣传“节能”“省电”等等概念，也基本上都是从无功补偿入手，提高功率因数，减少力率罚款，或者由力率罚款转化为力率奖励的方式，实现为配电用户省钱的目的。所以关于无功补偿，在自然界功率传递的角度认识的话，严格讲并不属于“节能”“省电”范畴，但是实实在在可以给配电用户省钱。

　　2、降低输电线路及变压器的损耗

　　合理的补偿可以合理的降低系统电流，以系统自然功率0.7为例，如通过补偿装置将系统功率因数提高到接近1的水平，系统电流将下降30%左右，即线路和变压器的损耗可降为P=I2R＝(1-30%)2R=0.49R，即线路和变压器损耗可降低51%。用电企业的自然功率因数一般在0.7左右，功率因数从0.7提高到0.95以上线损降低率和变压器的铜损降低率如下表：

 

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　　降低线路及变压器损耗，节约有功电度，是重要的节能措施。如在石油行业中，线路比较长，而且比较复杂，那么可以通过增加无功补偿设备来降低运行电流，从而降低线路损耗，节约有功电度，节能效果明显。

　　3、增加电网的传输能力，提高设备利用率

　　由于补偿装置可以合理的降低系统电流和视在功率，故可以合理的降低电网建设中所有相关设备的容量，从而降低电网建设中的投资。功率因数在0.7左右的系统，由于合理的补偿可使系统电流下降30%，即提高发电厂、变配电设施30%的带载能力。

　　如果变压器及线路小容量不足时，可以通过安装无功补偿装置的方法解决。安装无功补偿装置可以使无功功率就地平衡，从而减小流过线路及变压器的电流，减缓导线及变压器的绝缘老化速度，延长使用寿命。同时可以释放变压器及线路的容量，增加变压器及线路带负荷能力。如，有一台100KVA变压器，目前负载率为85%，COSΦ=0.7。如果加装无功补偿设备，可使变压器释放30%的带载量，用户可在变压器不增容的情况下，增加负载，进行扩大生产。

　　4、改良电压质量

　　由于系统存在的大量感性负载将造成供电线路压降，尤其在供电线路末端更为严重，通过合理的补偿可以合理的缓和线路压降，改良电能质量。

　　线路中的电压损失的计算公式如下：

 

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　　中：

　　P —— 有功功率，kW

　　U —— 额定电压，kV

　　R —— 线路总电阻，Ω

　　Q —— 无功功率，kVar

　　Xl—— 线路感抗，Ω

　　由于系统的感抗远远大于阻抗，从上式中可以看到,无功的变化会引起电压产生很大的变化。当线路中，无功功率Q减小以后，电压损失也就减少了。

　　对于供电线路末端电压一般较低，可通过增加无功补偿装置来提升线路末端电压，使用记设备安全可靠运行。

　　另一方面，随着工业的发展，大量的自控设备及非线性负载的使用，使大量谐波在供配电网络中的流动，污染电网。通过合理的配置补偿滤波设备，治理或大幅度降低谐波对供电系统和用电设备的影响是改良电能质量的主要手段之一。

 

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　　电能质量问题随着新型电力系统的兴起，必然要面临很多电能质量相关问题，以下几类问题值得进一步了解、熟悉、探索：

　　① 谐振问题分析，什么是谐振？

　　② 什么现场经常会出现滤波器损坏现象？

　　③ 滤波器就地补偿和集中补偿的区别？

　　④ 要求谐波治理到5%，如何去理解？

　　⑤ 加装滤波器到底能不能起到“节能”的作用？

　　⑥ 储能、光伏、风电等电力电子器件的并网，对电能质量的影响如何？

　　⑦ 微电网系统对电能质量的需求是否重要？

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