农村电力网无功补偿reactive load compensation in rural electric power network

在农村电力网中安装无功电源以补偿其对无功功率需求的技术措施。
农村用电设备除电阻性的白炽灯和电阻炉外，其余呈感性的用电设备，如异步电动机、架空线路和变压器等，都需要无功功率。无功电流通过线路和变压器等元件时，将产生有功功率损耗、电能损耗（简称线损），并增大其中的电压损失，而影响电压质量。因此，为了避免无功功率的长距离输送，须按无功功率就地平衡的原则配置无功补偿装置。保持无功功率平衡，即指在运行的每一时刻，电网中各无功电源所供的无功功率等于无功负荷及网络各环节所需的无功功率之和。
无功补偿装置 有调相机、并联电容器和静止补偿器等。
调相机 运行在过激情况下的同步调相机呈容性，可供感性无功功率；而运行在欠激情况下呈感性吸收感性无功功率。后者为滞相状态，前者为进相状态，一般二者容量之比为0.5～0.65。
并联电容器 只能向系统提供无功功率Qc，其数值与端电压U的平方成正比：

式中 x_c为电容器的容抗。
由于电力电容器功耗低，投资少，便于维护，广泛用作农村电力网的无功补偿装置。同步调相机与并联电容器的比较见表1。

表1 同步调相机与并联电容器比较

比较项 目	同 步 调 相 机	电 容 器
投资 电能损失 补偿的灵活性 调节性能 运行维护 出力与电压关系	较贵 占机组容量的1.8～5.5%（包括自用电） 即可发无功又可吸收无功 连续均匀调节且简单 为损耗设备，辅助设施多，运行人员、费用较多 电压在允许偏移土5%Ue内出力不变，短路时虽然电压下 降，可通过自动调节励磁，增大出力	较便宜 0.3%～0.5%（仅介质损失） 只能发无功 通常分组调节，调压的均匀性稍差 静止设备，但损坏率较高 出力与运行电压平方成正比
对系统运行	可装在送电线路的末端与中间，提高超高压线路的输送能力 与运行稳定性	效果不如同步调相机
安装容量	适用于大型变电站集中补偿	容量可大可小，分散与集中补偿均可 适应

静止补偿器 是由可控硅控制的可调电抗能与电容器并联组成的新型动态无功补偿装置(表2)。它能快速跟踪负荷无功的变动，改变吸收无功功率的大小，能根据电网电压或无功功率调节其电感和电容电流，以呈现感性或容性，获得理想的调节特性。其响应速度快，不仅可以作为一般的无功补偿装置，而且是唯一能用于冲击负荷的无功补偿装置。
无功补偿容量的配置 电力网无功补偿装置安装总容量应大于电网最大自然无功负荷。一般可按最大自然无功负荷的1.15倍计算。
220千伏及以下电网容性无功补偿设备总容量为：

Q_C＝1.15Q_ZD—Q_G—Q_R—Q_L

式中 Q_C为容性无功补偿设备总容量；Q_ZD为最大自然无功负荷，Q_ZD＝ K·P_ZD, P_ZD为电网最大有功负荷，K为电网最大自然无功负荷系数(表3)，它与电网结构、变压级数以及负荷结构、特性有关；Q_G为本网发电机的无功功率；Q_R为主网和邻网输入的无功功率；Q_L为线路和电缆的充电功率。
220千伏及以下电压等级的变电站无功补偿装置的配置，应根据需要，容量可按主变压器容量的10～30%确定，以保证其二次侧功率因数的上限或电网供给的无功功率与有功功率比值的下限(表4)。
10(6)千伏配电线路无功补偿装置的配置，宜配置高压并联电容器，或在配电变压器低压侧配置低压并联电容器。安装容量不宜过大，一般约为线路配电变压器总容量的5～10%，且在线路最小负荷时，不应向变电站倒送无功；如配置容量过大，则须装设自动投切装置。

表2 静止无功补偿装置及其性能

名 称	相控 电抗器	高阻抗变压器	晶闸管投切电容器和相控电抗器
结 构
响应时间(ms)	5～10	5～10	<20
调节性能	可连续分相调节，线性度好	同 左	可连续分相调节，可分级调节 容性无功，扩大移相范围
谐 波	5次<5% 7次<2.55%	同 左	同 左
损 耗	小	小	较 小
噪 声	小	小	小
特 点	可直接接高压系统，可控硅不 受短路电流冲击	可直接接高压系统，高阻抗变 压器制造困难，但变压器与电抗 器可以合一	可直接接高压系统，需要可控 硅的数量多

表3 220千伏及以下电网的最大自然无功负荷系数(千乏/千瓦)

变压级数	电 网 电 压 (千 伏)
	220	110	63	35	10
220/110/135/10 220/110/10	1.25～1.4 1.15～1.3	1.1～1.25 1.0～1.15	— —	1.0～1.15 —	0.9～1.05 0.9～1.05
220/63/110	1.15～1.3	—	1.0～1.15	—	0.9～1.05

表4 220千伏及以下变电站二次侧功率因数规定值

电压等级（千伏）	220	35～110
功率因数 无功功率/有功功率	0.95～1 0.33～0	0.9～1 0.48～0

电力用户的功率因数补偿通常规定：高压供电的工业用户和高压供电安装有载调压装置的电力用户，功率因数为0.9以上；其他100千伏安（千瓦）及以上电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数为0.85以上；趸售和农业用电，功率因数为0.80以上。电力用户根据要求的功率因数所需补偿容量，按下式确定：

式中 Q_c为改善功率因数所需补偿容量；P_ZD为负荷最大功率；tg₁、tg₂分别为补偿前、后功率因数角的正切；α为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75。
无功电源分布的优化 目的在于降低网络的有功功率损耗（简称网损），其目标函数是总网损△P_∑。如果计入无功网损，等网损微增率准则的表达式为：

式中 △P_∑、△Q_∑分别为网络有功、无功总损耗；Q_Gi为网络节点的无功电源；i=1,2,3……，n;λ为拉格朗日系数。
无功电源功率优化分布的等式约束条件为整个系统必须保持无功功率平衡：

式中 Q_Li为网络各节点的无功负荷，i=1,2,3……，n。
运行部门根据无功优化结果，安排合理的运行方式，调整无功出力，改善电压质量，提高经济运行水平，并为改善电网结构和增置无功补偿和调压设备提供依据。