在交流电路中, 当电压U与电流I存在一相角差时, 电流流过容性电抗或感性电抗会产生功率分量。这种功率在电网中会造成电压升高 (容性电抗时) 和焦耳 (电阻发热) 的损失, 却不能做出有效的功, 称之为无功。无功过剩会提高系统运行电压, 导致系统的输送容量下降, 因此对电网稳定性、电力设备安全运行都具有重大影响。同时, 无功还会增加电能传输时的网络损耗, 加大了电网的运行成本。
电感电流是用电设备, 特别是电动机等电感性设备正常工作的重要条件, 所以, 处理无功不能影响系统中电动机等用电设备产生电感电流。但无功确又会增加电气线路和变压设备的负担, 降低电气线路和变压设备的利用率, 增加电气线路的发热量。因此, 需要找到一种既不影响电动机产生磁场, 又能消除或减少线路上的电感电流的办法。目前的主要解决方式是, 在线路上找一种电器元件, 使这个器件在同一电源下所产生的电流与电感电流方向相反, 以抵消电感电流。这种电容器就叫补偿电容器, 也叫电力电容器。它产生的电容电流可以有效地消除或减少线路上的电感电流, 也就是消除或减少负载向电网中的无功功率。这种在电气线路上安装补偿电容器以减少无功功率方式就称为无功补偿。
合理的无功补偿点的选择以及补偿容量的确定, 能够有效地维持配网系统的电压水平, 提高系统的电压稳定性, 避免大量无功的远距离传输, 从而降低有功网损、减少电力损失、延长设备寿命, 从而改善供电品质。
目前, 国内电网采用的无功补偿技术主要有:变电站集中补偿方式、低压集中补偿方式、杆上无功补偿方式和用户终端分散补偿方式 (如图1) 。
针对输电网的无功平衡, 可以选择在变电站进行集中补偿, 补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等, 主要目的是改善输电网的功率因数、提高终端变电所的电压和补偿主变的无功损耗。变电站内的无功补偿, 主要是补偿主变对无功容量的需求, 需结合考虑供电压区内的无功潮流及配电线路和用户的无功补偿水平来确定无功补偿容量。一般情况下, 35KV变电站按主变容量的10%~15%来确定, 110KV变电站可按15%-20%来确定。为了实现变电站的电压控制, 通常无功补偿装置结合有载调压抽头来调节, 九区图便是一种变电站电压与无功控制的有效方法。还有研究者利用模糊数学的概念建立了数学模型, 得出模糊边界的无功调节判据, 其特点是将九区图中固定的无功上下限边界改变成受电压影响的模糊边界, 其边界的斜率可根据具体的投切边界条件进行调整。
低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧, 以无功补偿投切装置作为控制保护装置, 根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。通常采用微机控制的低压并联电容器柜, 容量在几十至几百千乏不等, 根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。自动补偿装置通常是根据功率因数来进行电容器的自动投切的, 也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控制的。电容器的投切是整组进行, 做不到平滑的调节。这虽然有助于保证用户的电能质量, 但对电力系统并不可取。因为虽然线路电压的波动主要由无功量变化引起, 但线路的电压水平是由系统情况决定的。当线路电压基准偏高或偏低时, 无功的投切量可能与实际需求相去甚远, 出现无功过补偿或欠补偿。对配电系统来说, 除了专用变之外, 还有许多公用变。而面向广大家庭用户及其他小型用户的公用变压器, 由于其通常安装在户外的杆架上, 进行低压无功集中补偿则是不现实的。主要表现在:难于维护、控制和管理, 且容易成为生产安全隐患。
由于电网中大量存在的公用变压器没有进行低压补偿, 使得补偿度受到限制。由此造成很大的无功缺口使得电网网损仍然居高难下。因此又采用10k V户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上或另行架杆进行无功补偿, 以提高电网功率因数, 达到降损升压的目的。显然, 杆上无功补偿主要是针对10k V馈线上沿线的公用变所需无功进行补偿。因其具有投资小、回收快、补偿效率较高、便于管理和维护等优点, 适合于功率因数较低且负荷较重的长配电线路。
有研究者指出, 容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备无功负荷宜单独就地补偿。在就地补偿方式中, 把电容器直接接在用电设备上, 中间只加串熔断器保护, 用电设备投入时电容器跟着一起投入, 切除时一块切除, 实现了最方便的无功自动补偿, 切除时用电设备的线圈就是电容器的放电线圈。就地补偿是最经济、最简单以及最见效的补偿方式。我国城镇化急速发展, 低压用户的用电量大幅增长, 企业、厂矿和小区等对无功需求都很大, 因此, 直接对用户末端进行无功补偿成为最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。对于企业和厂矿中的电动机, 采取就地无功补偿, 即随机补偿;针对小区负荷小、地点分散、管理相对薄弱的用户终端, 需采取一种免维护智能型控制, 易安装、造价较低的低压终端无功补偿装置。
通常情形是户外安装选用可调容集合式电容器, 户内安装选用可调容柜式电容器装置。其基本原理为将电容器按二进制方式分成二组, 通过分接开关或隔离开关选择投切组合, 可以实现三档容量可调。随着负荷的改变, 可以人工断电后改变投切组合满足某一时间段的无功平衡。
在短时段内负荷频繁变化的情形下, 宜装可快速跟踪的瞬态无功补偿装置。由于电容器每次投切前却必须保证电容器没有残存的电荷, 而电容器放电即使通过放电线圈亦需要数秒的时间, 所以高压瞬态无功补偿装置一般都是固定补偿最大容量的电容器, 同时并联一组容量可调的电抗器, 通过快速调整电抗器的输出无功, 从而达到无功瞬态平衡的目的。
各级输变电设备以及各级电网都不可避免地要消耗一定的无功功率, 其中低压电网所占比例最大。因而, 为了确保尽可能多的较少电网中无功功率的传输, 促进输配电设备利用效率的提高以及配电网的线路耗损, 配电网无功补偿需要尽可能地遵循“整体规划、布局合理、分层次补偿、及追求均衡”的原则。一是整体和部分的相互均衡, 不仅要考虑到整体电网全部无功的均衡, 还要保证分线路、分站点无功率的均衡和协调。二是集中式补偿和分散补偿相互协调, 坚持分散补偿为主要补偿方式。所谓的分散补偿就是在配电网络中不集中的负荷区, 譬如配变压器、大用户所用的电器设备以及配电电线路等等所开展的无功补偿。相对的集中补偿就是在电容器容量大和变电站较为集中的站点进行无功补偿, 从而确保均衡无功、缩短输送的距离, 因而可以促进线路受损率的降低。三是调压和降损相互协调, 而主要方式在于降损。这主要是针对线路分线多、线路长、功率因素不高以及符合分散的线路而言的。四是确保用户无功补偿和供电部门的无功补偿相互协调和配合。
无功功率补偿对电力系统有着重要意义, 随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响, 无功补偿技术有大致四方面的趋势趋于明朗:一是在城网改造中, 无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化;二是随着数字控制技术和智能控制理论的发展, 无功补偿将引入更加智能的控制方法, 如模糊控制等;三是高压动态无功补偿的装置的研究将引起广泛关注;四是随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用, 供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器, 将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。
