广东省输变电工程有限公司 凌正茂

提高运行电网的功率因数对于减少能耗损失和提升运行稳定性都具有较大意义，我国目前主流补偿方式是在变电所电容器组集中补偿和面向用户的组合就地补偿二种方式相结合，但电力系统结构多种多样，不能完全补偿低压电网中的无功损耗和电压下降。本文通过分析低压电网的网络构架特点，提出了低压线路首端、末端二种补偿方法，定量分析线路电压降和功率损耗，并通过MATLAB仿真计算潮流，结果证明在低压线路末端投入无功补偿后，能更加有效降低线损，经济效益显著。

引言：功率因数的物理含义是指：有功功率除以视在功率的比值，既cosΦ=P/S。要提高功率因数，就必须尽可能地增加有功功率的占比，减少无功功率在使用和传输过程的消耗。

功率因数高时有功电流占比高，无功电流减少，从而线路总传输电流减少，线路的功率载荷提高。反之功率因数降低，线路的电流增量会导致电压降落增加，因而负载端的电压低于正常电压值，严重影响电动机、空调及其它用电设备的稳定运行，给居民的正常用电带来不良影响。

在配电网络中，由于输电线路存在较大对地电容，线路越长，容性无功电流越大，往往会将线路末端电压抬升。而电网中的大部分用电负荷均为感性负荷，如电动机、变压器等。此类设备在运行时会产生感性电流，吸收容性无功，消耗掉大量无功电流。因此积极干预，人为设置无功补偿，提高功率因数，可以使得负载的容性、感性无功平衡，提高电能质量。同时补偿最好选择为就地补偿，在用户端因地制宜，到达感性、容性电流平衡。本文对无功补偿的种类、特点，同时结合低压配电网络的实际应用进行仿真分析，综合分析补偿效果，后对所取得的效果等进行了论述。

1.电网无功补偿原理

电网系统中的用电设备分为：容性负载和感性负载两类，如果在同一个电路中并联有容性、感性二种负载，则感性负载可以吸收容性负载输出的无功功率，之后感性电流与容性电流相互补偿，无功功率即在电路内部完成交换，同时外部电路的输入的无功电流减小。无功补偿的原理如图1所示：

图1 无功补偿原理图

图1中Q为未补偿之前系统从电源吸取的无功功率，即：感性负荷需要从电源获取数值为Q的无功功率。加装的无功补偿装置可补偿功率为Qc，则补偿后无功功率降低至，功率因数由cosφ提高到，视在功率S减少到，减少量ΔS为：

当加装就地无功补偿之后，无功功率及视在功率都相应减少，这对于电网负荷电流的降低是非常有效的。例如供电部门一台容量为5000千伏安的变压器，当负荷的功率因素为0.7时，能提供3500千瓦的有功功率；而补偿后负荷的功率因素为0.9时，能提供4500千瓦的有功功率。同一台的变压器在负荷的功率因数提高时，能输出的有功负荷明显增加，从而提高了供电效率。同时输电线路由于无功电流的减小，有效载荷增加，从而增大了输送容量。

电压损耗计算公式：

由上式可见：加装无功补偿装置后，伴随着无功功率的减少，线路电压损耗也在一定程度降低，电网内的电压质量得以提升。

我们常采用并联电容器进行无功补偿，补偿原理如图2所示。

图2 并联电容器补偿电流原理图

由图2可见：总负荷电流I 可矢量分解为有功电流分量IP，和无功电流分量IQ(呈感性)。当并联补偿电容器装置投运后，由于电容器产生的容性无功电流IC与IQ方向相反，故经过容性无功电流补偿后的IQ降低为，总电流由I 降为，功率因数由cosφ提高到。当达到时，感性电容与容性电流达到平衡，负荷所需的无功功率全部由补偿电容补偿完毕，电网只需供给有功功率。

2.目前常用的电容补偿方式

根据电力用户对无功功率的需求情况和负荷性质，配电系统目前常用的电容补偿方式有如下几种：变电站集中补偿、组合就地补偿(分散就地补偿)、单独就地补偿等几种。

（1）变电站、配电所集中补偿

在变电站、配电所内设置若干个并联电容器组，用硬导线或高压电缆将电容器组与配电母线相连接，通过无功补偿器进行选择性投入，实现对变电站、配电所内所有负荷进行补偿。其主要目的是提高配电网的功率因数及终端电压，并对主变压器的无功损耗进行补偿，平衡该用电区域内的无功功率需求。此种补偿方法具有较好的电压改善效果和较高的设备利用率，设备维护和管理也较为方便，但缺点是投资较大，补偿范围较小，对10kV配电网的降损作用不大。

（2）组合就地补偿(分散就地补偿)

组合就地补偿是针对专用变等特定用户进行无功功率的就地平衡，一般在配电变压器0.4kV侧进行补偿。组合式就地补偿具有较好的电压改善效果和较高的设备利用率，设备维护和管理也较为方便，但投资较大，对补偿装置安装点到负荷段的设备功率因数不能进行补偿。

（3）单独就地补偿

单独就地补偿方式针对终端用电客户，将箱式并联电容器布置在生产车间的动力母线桥架上，对车间范围的用电设备无功补偿，称为单独就地补偿。需要经常进行投切操作时采用接触器；非经常操作可采用手动分合式空开对补偿电容器进行投切；面向用户的单独就地补偿，是用户大型用电设备的重点补偿方式。就地补偿可有效降低线损率，改善电压质量，提高线路供电能力。补偿装置一般装设在需要无功补偿的用电设备旁边，具有较好的电压改善效果，同时改善用电设备的起动和运行条件。

3.10KV配电网无功补偿效果和损耗分析

我们以某变电所10KV线路的无功补偿为例，分析给定运行条件和潮流网络情况下，计算电力系统稳态运行情况，同时确定补偿前后有功损耗和电压降。

选取一条10KV配电线路，画出网络参数图，如图3所示。

图3 10KV配电线路网络参数图

我们忽略变压器内部损耗，在未经无功补偿时线路电压降ΔU1和功率损耗ΔP1为：

（1）补偿电容设在线路首端时，电压下降值ΔU2为：

则线路首端补偿后，电压损耗减少量ΔU为：

补偿之后，功率损耗ΔP2为：

通过上式进行结论分析：无功补偿电容位于变压器二次侧近端时，用户端0.4KV线路的电压损耗和功率损耗并没有改变，但10KV线路上的电压损耗和功率损耗得到了改善。补偿电容位于近变压器二次端的电压损耗曲线如图4所示。

图4 补偿点不同电压损耗曲线比较

（2）补偿电容位于变压器二次侧近用户端时，电压损耗为：

经线路末端补偿后，电压损耗减少量ΔU为：

通过上式进行分析可知：无功补偿电容位于变压器二次侧近用户端时，不仅变压器、10KV线路电压损耗及功率损耗得到了改善，同时0.4KV市电线路的损耗也得到了改善，经对比发现：0.4KV线路末端电压有显著的提高。补偿电容设置在线路首端或末端的电压损耗曲线及对比图如图4所示。