无功补偿原理及方案

随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，配电系统结构日趋复杂，人们对具有降低线损和提高电能质量起重要作用的无功补偿措施越来越重视，并提出了更高的要求。配电系统无功潮流分布是否合理，不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣，而且还直接影响电网自身运行的安全性和经济性。由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日增加。若无功电源容量不足，网络的功率因数降低，系统运行电压将难以保证，电压的降低将使电气设备得不到充分利用，降低了网络传输能力，并引起损耗增加。因此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安全性和降损节能有着重要的意义。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，减少发电费用。而且由于我国配电网长期以来无功缺乏，其造成的网损相当大，因此无功功率补偿是降损措施中投资少回报高的方案，是电力部门及用户不可缺少的节能设备。
1、无功补偿的基本原理
　　无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。所有电感负载均需要补偿大量的无功功率，提供这些无功功率有两条途径：一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。如果由输电系统提供，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率。由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。而由补偿电容器就地提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。
　　电感性负载由于电流滞后于电压，造成功率因数下降，如图1所示。利用电容电流超前于电压和储能特性将电流移相，使电流和电压相角一致，从而提高功率因数。

2、低压无功补偿装置的选择
　　采用以无功功率为检测量的智能型控制器，将低压无功补偿的功能纳入配电综合测试仪中，采集的数据包括无功补偿内容，更好地实现配网自动化。
　　低压配电网络具有分布范围广、节点多、负荷特性不一、负荷变化大等特点，以往仅仅根据大概估计与人工短时测量的方法对低压配电网进行监视，安全性、可靠性与准确度均较低，无法了解各相有功、无功负荷的变化情况。根据现代配电网络的运行管理需要，无功补偿设备也应具有先进的数据采集与储存分析功能，通过高速率采样监测电网各种交流量，并整点记录，便于对电网运行数据进行总结与分析。
　　随着配电管理现代化要求的日趋强烈，通过集配网监测与无功补偿于一体的配电综合测试仪可以实现配电运行参数的测量、分析、统计，并实现无功补偿智能化和数据传输，得到了供电部门普遍认同。配电综合测试仪能够实时监测配网的三相电压、电流、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、功率因数、谐波等运行数据，目前的产品精度已比较高，并可以检测1～21次谐波参数，可以完成对整个低压配电线路的监测、分析处理、报表输出等综合管理，为低压配电线路的科学管理提供第一手可靠数据，还能够根据系统实时测量的无功功率，和投入门限及目标功率因数一起作为无功投切物理量，通过软件编程，可以更理想地补偿配网中的无功损耗，提高功率因数、降低线损，从而提高配网的负载能力和供电质量。
　　装置提供无线和GPRS通讯功能，可实现就地和远程抄表，并提供强大的后台软件对历史运行数据进行分析与计算。电容倒送无功的问题得到彻底解决，电网电压高于245V时或者低于165V时，电容全部切除，从而有效地保护了电容器和电网。
3、无功补偿投切控制方式的选择
　　为了尽可能地减小装置的体积，简化结构，提高装置的可靠性，即将电容器按一定容量比进行分组，通过控制器的软件对这些电容器组进行排列组合投切。当电容容量不相等时，电容按从小到大排列，取小于无功投切物理量的电容投入，当满足电容投切条件时，优先投切较大的电容，然后投切较小的电容，当无功投切物理量大于所配置的电容，而该投容量对应的电容已投入，该切容量对应的电容已切掉时，应投切最接近无功投切量的较大一个电容，对于相同容量的几个电容，应考虑小范围内的循环投切，这样既有利于提高投切精度，又有利于元器件的使用寿命。
4、无功补偿控制目标的选择
　　通常的控制目标为：功率因数、无功功率、无功电流、电压。根据具体情况，以挖掘配变的容量为主要目的，所以电压不应该成为控制目标。以功率因数为检测量，缺点是轻载时容易产生投切振荡，重载时补偿不充分；以无功功率为检测量，是根据系统实时测量的无功功率，和投入门限及目标功率因数一起作为无功投切物理量，通过软件编程，使电容按最佳的方案投切。投入门限及目标功率因数是为防止投入电容后出现过补偿引起电容频繁投切作设定的，以达到最少的投切次数和最优化的补偿容量。
5、切换电容接触器的选择
　　传统采用电容切换交流接触器，近几年很多用户选用过零投切的智能复合开关。复合开关的基本工作原理是将晶闸管与磁保持继电器并接，实现电压过零导通和电流过零切断，使复合开关在接通和断开的瞬间具有晶闸管过零投切的优点和在正常接通期间又具有继电器开关无功耗的优点，其实现方法是投入时在电压过零的瞬间可控柜先触发导通，稳定后再将磁保持继电器吸合导通，而切断时先将磁保持继电器断开，晶闸管延时过零断开，从而实现电流过零时切除，最近很多厂家生产的复合开关又增加了让晶闸管在磁保持继电器接通后，正常运行的过程中保持在关断状态，只在复合开关在接通和断开的时候由晶闸管控制，因此复合开关浪涌电流小，对电流和电网冲击小，具有较高的电寿命。由于磁保持继电器关合时只有晶闸管的导通压降可以说几乎没有燃弧的可能，因此可不必考虑灭弧要求，从而体积小巧。为了保证复合开关的可靠运行，很多厂家把晶闸管的额定(通态)电流参数和额定电压相应作了提高，据计算需(1.5～2)的实际负载电流、U.ked需大于2500V，这样的晶闸管价格昂贵，现已有厂家在研究让晶闸管只起控制继电器过零电位导通的作用，并采取措施让电容在10s内放电完毕(电压为0V)，导通和切断电容器回路由提高电流等级的双电源继电器完成，稳定性可以进一步提高，经济性也较好。复合开关的动态投切效果和可靠性都优于电容切换专用接触器。