全分相無功補償的策略研究與示范應用

吳 凡，宋浩杰，王文林

（國網安徽省電力有限公司黃山供電公司，安徽 黃山 245000）

0 引言

無功補償主要的實現方式是采用并聯電容器。傳統(tǒng)無功補償裝置大多數采用等容補償方式，只有一種編碼方式即單回路電容器容量相等循環(huán)投切。由于單相負荷在低壓配電網中大幅增加造成三相不平衡度較高，傳統(tǒng)三相共補補償必然造成不同相之間過補與欠補并存，不利于提高補償精度，而且電網所須要補償的無功功率的數值往往是連續(xù)的、不分等級的。因此，須要對無功補償裝置中電容器回路容量大小搭配及電容器回路投切控制策略進行改進。

1 全分相無功補償的介紹

全分相無功補償裝置由三相線路采集裝置、6條補償回路和控制器組成。三相線路采集裝置設置在三相線路上，檢測每相的電壓和電流，其輸出端連接控制器；6條補償回路并聯設置在三相線路，分別與控制器的輸出端連接。6條補償回路采用124888編碼方式分配分補電容器回路容量，對應容量比為1∶ 2∶ 4∶ 8∶ 8∶ 8，通過不同組合實現31檔容量連續(xù)調節(jié)，控制器對6路補償回路進行投切操作。

1.1 全分相無功補償與傳統(tǒng)補償的比較

相比于傳統(tǒng)無功補償方式，全分相無功補償在補償方式上能對每一相進行單獨補償，從而達到任一相無功平衡。如三相有功負載均為20 kW，無功負載分別為10、20、30 kvar，傳統(tǒng)無功補償投共補，每相補20 kvar，導致A相過補10 kvar、C相欠補10 kvar，而全分相無功補償，每相按實際需求補償，每相功率因數均為1，如表1所示。

表1 三相無功不平衡時的補償邏輯

從分組分檔情況來看，傳統(tǒng)無功補償一般為4～8組，而全分相無功補償共6組31檔，補償精度能達到3.2%，是傳統(tǒng)無功補償的4倍以上；從響應時間來看，傳統(tǒng)無功補償的響應時間一般為3 min（傳統(tǒng)無功補償控制策略，電容器和系統(tǒng)電壓同時在“零”投，故電容器須完全放電后方能投入運行），全分相無功補償可以做到即時響應（全分相無功補償控制策略，電容器和系統(tǒng)電壓差值為“零”時投，故電容器無須放電即能投入運行）。如表2對比可知，全分相無功補償裝置的補償效果遠優(yōu)于傳統(tǒng)無功補償方式。

表2 全分相無功補償與傳統(tǒng)無功補償的對比

1.2 全分相無功補償與SVG策略補償方法的比較

相比于SVG策略補償，全分相無功補償損耗率為SVG策略補償的1/60，壽命年限約為SVG策略補償的2～4倍，成本約為SVG策略補償的1/8，如表3所示。

表3 全分相無功補償與SVG策略補償方法的對比

2 全分相無功補償的工程實踐

2.1 動力用戶就地無功補償

動力用戶全分相就地無功補償裝置通過交流采樣方法采集線路的電壓、電流等電氣量，通過計算輸出各路電壓、電流以及3個線電壓的有效值，并計算有功功率、無功功率、功率因數等參數，由控制器實時監(jiān)測系統(tǒng)電壓及無功功率的變化。當系統(tǒng)電壓低于供電標準或無功功率達到所設定電容器組投切門限時，控制器給出投切指令。根據動力（電機）實際運行需要，一般按照設備總容量50%～60%配置，分相分組容量比為1∶ 2∶ 4∶8∶ 8∶ 8，自動補償或實測無功最大需求，安裝在動力用戶產權分界點供電企業(yè)側，與動力負載同步投運或退出；非動力負載，采用無功全分相6組31檔自動補償設備總容量30%，與動力負載同步投運或退出，該無功就地補償裝置具有可靠性高、安全性高、配置合理、補償效果好、便于檢修維護等優(yōu)點。低壓就地補償，提高高低壓供電能力20%、30%，提高供電質量，大幅降低線損率。

2.2 全分相無功補償閾值設定

全分相無功補償裝置每相分6回路，每相電容器組容量以“124888”編碼方式分配，調節(jié)精度高達3.2%。裝置采用無功功率為主，電壓為輔的控制方式，無功型控制器實時監(jiān)測系統(tǒng)電壓及無功功率的變化，計算出每相所需無功數量后，結合設定的電壓上限值、電壓下限值、無功功率下限，進行無功補償裝置電容投切。當控制器監(jiān)測電壓在合格范圍內時，無功補償控制器響應控制投切最小閾值為電容器組最小電容容量1/3。如某電容器分組為2∶4∶ 8∶ 16∶ 16∶ 16，其最小單相分組為0.67 kvar，按照無功補償“不過補”的基本要求，設定該裝置無功補償閾值為0.7 kvar，即監(jiān)測到單相無功功率達到0.7 kvar時無功補償裝置動作。

2.3 配變空載節(jié)能補償

如圖1所示。對于配變空載節(jié)能補償，可通過在變壓器低壓側（采樣電流互感器電源側）安裝定補電容方式進行無功就地平衡，電容容量可根據變壓器額定容量與空載電流計算得出（QB0＝SeIB0，式中：QB0為變壓器空載所產生的無功功率損耗；Se為變壓器額定容量，IB0為空載電流百分比），也可根據查詢不同型號變壓器空載無功損耗對照表確定。

3 典型案例分析

3.1 未實行全分相無功補償的案例

黃山供電公司五城中心供電所下芳干臺區(qū)XN20111變臺區(qū)，供電半經400 m，自2023年7月下旬線損率由原2%飆升至7%，通過對臺區(qū)所有表計及用電秩序多次進行核查，未發(fā)現竊電及表計故障情況。經查看系統(tǒng)，發(fā)現臺區(qū)末端一茶廠用電量顯著增加，占臺區(qū)整體用電量的1/3。自該茶廠生產后，臺區(qū)線損率就偏高，用電負荷特性為感性負荷，初步考慮用戶側功率因數過低造成無功無法就地補償，反送至配變，導致線路損耗增加，形成高損，初步鎖定該戶。

經對比該戶生產時無功功率明顯高于有功功率，且三相電壓為200 V左右。臺區(qū)經理與用戶溝通后，在該戶電機側安裝一套50 kvar（30 kvar共補 +20 kvar分補）全自動無功就地補償裝置。

無功就地補償裝置安裝后，無功功率下降明顯，電壓提高至220 V左右。通過對該戶用電量及臺區(qū)線損率進行跟蹤分析，安裝無功就地補償裝置后，該戶生產時功率因數由0.5提升至0.95以上，臺區(qū)線損率下降至3%，如表4所示。

表4 無功補償前后對比

該戶安裝50 kvar（30 kvar共補 + 20 kvar分補）全自動無功就地補償裝置雖效果明顯，但因采用傳統(tǒng)無功補償方式，造成單相過補或者欠補，補償效果遠遠達不到理想效果。

3.2 實行低壓無功精準補償策略的案例

廣德供電公司盧村中心供電所“古嶺#12890015公用變”運行容量200 kV·A，用戶數77戶，最大負載率24.33%，臺區(qū)同期日線損率波動較大（4.5%～12.8%），多次現場排查未發(fā)現明顯管理問題。對比分析2023年4月26—27日和5月2—3日合格變高損時用戶電量變化情況，用戶“7226006119×××”均存在電量突增情況，該戶為竹制品加工廠，距離變壓器約500 m，生產時電量占臺區(qū)總售電量的25%左右。通過用采系統(tǒng)透抄該戶電壓、電流和功率因數，電流未越限，電壓較變壓器出口側降幅達10%，功率因數僅0.45，如表5所示。

表5 竹制品加工廠實測數據

該戶生產時功率因數僅為0.45。根據公式，配電線路有功損耗Δp為

式中：P為線路輸送有功功率；U為線路電壓；R為線路電阻； cosφ為功率因數。

得出ΔP與功率因數的平方成反比，進一步得出負荷功率因數降低與線損增加的關系可用公式求得：

式中： cosφ1為補償前功率因數； cosφ2為補償后功率因數。 根據計算，該臺區(qū)線損率變化的主因是受功率因數的影響。用戶上月有功最大需量為19 kW，根據其功率因數計算后，計劃按2∶ 4∶8∶ 16的比例配置4組共30 kvar電容器，通過無功補償控制器實現低壓動力用戶15檔精準無功補償。5月10日安裝后，用戶功率因數由0.3提升至0.99以上。如表6所示，5月11日以后用戶生產時功率因數保持在0.95以上，電壓提高了5%，臺變功率因數也顯著提升，線損率下降至7%以內，未再出現高損情況。

表6 古嶺公用變臺區(qū)線損明細

4 結束語

本文結合配電網無功補償的實際需求，對全分相無功補償的策略進行研究，實現“31檔”全分相自動補償，在補償方式上能對每一相進行單獨補償，從而達到任一相無功平衡。并通過實例驗證其補償效果，相較于傳統(tǒng)無功補償的方法，全分相無功響應及時迅速，補償效果好，可提高電網功率因數達到0.98以上。