无功功率补偿装置及作用分析

无功功率补偿装置及作用分析摘要:无功补偿是一项投资少、收效快的降损节能措施，对于降损节电、用电系统的安全可靠运行有着极为重要的意义。在我国配网和农网平均功率因数偏低的地区进行合理的无功补偿，能较大幅度地降低线损、提高设备利用率、改善电压质量、提高功率因数。我们要积极采用补偿电容器进行合理的补偿，以取得显著的经济效益。关键词:无功功率补偿；效益；功率因数无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少、收效快的降损节能措施。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的无功功率，减少电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率。减少了无功功率在电网中的流动，可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，形成无功补偿。装设无功补偿设备，提高功率因数，对于降损节电、用电系统的安全可靠运行有着极为重要的意义。一、无功补偿概述电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。无功功率补偿装置的主要作用是：提高负载和系统的功率因数，减少设备的功率损耗，稳定电压，提高供电质量。在长距离输电中，提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率等。电网中常用的无功补偿方式包括：在变电所母线集中安装并联电容器组；在高低压配电线路中分散安装并联电容器组；在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器；在单台电动机处安装并联电容器等。从无功补偿通常采用的方法来看，主要有低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。这三种补偿方式的适用范围及优缺点分别如下：1.低压个别补偿低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。2.低压集中补偿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。电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压补偿的优点：接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。3.高压集中补偿高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的6～10kV高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。同时便于运行维护，补偿效益高。4.合理选择配变容量，改善配变运行对负载率比较低的配变，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。二、无功功率补偿装置无功功率补偿装置的主要作用是提高负载和系统的功率因数，减少设备的功率损耗，稳定电压，提高供电质量。目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿，如风机、水泵等，其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。在长距离输电中，提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率等。1.同步调相机早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。同步调相机目前在现场仍有少量使用。2.静止补偿装置静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。静止补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。静止补偿器先后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型三种。其中，可控硅控制电抗器型又可分为固定连接电容器加可控硅控制的电抗器；可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器。实际上，由断路器(电磁型交流接触器)操作的电容器和电抗器在电网中正在大量使用，可以说这种补偿技术是静态的，因为它不能及时响应无功功率的波动。这种装置以电磁型交流接触器为投切开关，由于受电容器承受涌流能力、放电时间及电容器分级以及接触器操作频率、使用寿命等因素制约，因而无法避免以下不足：(1)补偿是有级的、定时的，因而补偿精度差，跟随性不强，不能适应负荷变化快的场合；受交流接触器操作频率及寿命的限制，静态补偿装置一般均设有投切延时功能，其延时时间一般为30s。对一般稳定负荷，即负荷变化周期大于30s的负荷，这类补偿装置是有效的，但对一些变化较快的负荷，如电梯、起重、电焊等，这类补偿装置就无法进行跟踪补偿。(2)不能做到无涌流投入电容器，对于接触器加电抗器方案，增加损耗较大，对于容性接触器方案，事故率较大，对金属化电容器的使用寿命影响很大；目前，低压电力电容器以金属化自愈式电容器为主，这种电容器的引线喷金属端面对涌流承受能力有限，因此，涌流的大小及次数是影响电容器使用寿命的主要因素。(3)运行噪声较大。(4)由于控制部分的负载是接触器的线圈，在投切过程中，造成火花干扰，影响补偿装置的可靠性和使用寿命。3.静止无功发生器静止无功发生器又称静止同步补偿器，是采用GTO构成的自换相变流器，通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功，进行无功补偿。与SVC相比，其调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下无功调节能力强。其变压器与补偿器可看作逆变器电路。当逆变器基波电压比交流电源电压高时，逆变器就会产生一个超前无功电流。反之，当逆变器基波电压比交流电源电压低时，则会产生一个滞后无功电流，因此能与系统进行有功、无功之间的交换。若控制方法得当，SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿。在稳态情况下，SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间流动，因此直流只需要较小容量的电容即可。此外，SVG装置用铜和铁较少，且有优良的补偿特性，是新一代无功补偿装置的代表，有很大的发展前途。三、无功补偿作用分析1.改善电能质量电网中无功补偿设备的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量。负荷(P+JQ)电压损失ΔU简化计算如下：ΔU=(PR+QX)/U式中：U-线路额定电压，kVP-输送的有功功率，kWQ-输送的无功功率，kvarR-线路电阻，ΩX-线路电抗，Ω安装补偿设备容量Qc后，线路电压降为ΔU1，计算如下：ΔU1=[PR＋(Q－Qc)X]/U很明显，ΔU1＜ΔU，即安装补偿电容后电压损失减小了。由式此可得出接入无功补偿容量Qc后电压升高计算如下：ΔU-ΔU1=QcX/U由于越靠近线路末端，线路的电抗X越大，因此从式中可以看出，越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。2.降低电能损耗安装无功补偿主要是为了降损节能，如输送的有功P为定值，加装无功补偿设备后功率因数由cosφ提高到cosφ1，因为P＝UIcosφ，负荷电流I与cosφ成反比，又由于P＝I2R，线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cosφ升高，负荷电流I降低，即电流I降低，线路有功损耗就成倍降低。反之当负荷的功率因数从1降低到cosφ时，电网元件中功率损耗将增加的百分数为ΔPL%，计算方式为ΔPL%＝(1/cos2φ-1)・100%。3.挖掘供电设备潜力(1)在设备容量不变的条件下，由于提高了功率因数可以少送无功功率，因此可以多送有功功率。可多送的有功功率ΔP计算如下：ΔP=P1-P=S(cosφ1-cosφ)(2)如需要的有功不变，则由于需要的无功减少，因此所需要的配变容量也相应地减少ΔS计算如下：ΔS＝S-S1＝P(1/cosφ-1/cosφ1)可以减少供电设备容量占原容量的百分比为ΔS/S计算如下：ΔS/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)(3)安装无功补偿设备，可使发电机多发有功功率。系统采取无功补偿后，使无功负荷降低，发电机就可少发无功，多发有功，充分达到铭牌出力。4.减少用户电费支出一方面，无功补偿可以避免因功率因数低于规定值而受罚。另一方面，无功补偿可以减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，因而相应可以减少电费的支出。四、影响无功补偿功率的因素在电网无功功率补偿中，许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的“无功”并不是“无用”的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。在电网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，功率因数大，电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。影响功率因数的主要因素如下：(1)大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60～70％；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60～70％。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。(2)变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10～15％，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。(3)供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10％时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110％时，一般无功将增加35％左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。五、提高系统自然功率因数的措施提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，这是一种最经济的提高功率因数的方法。一是合理使用电动机；二是提高异步电动机的检修质量。但是采用同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功功率取决于转子中的励磁电流大小，在欠励状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过励状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，对于恒速长期运行的大型机构设备可以采用同步电动机作为动力。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是异步电动机同步化。六、无功功率补偿的发展趋势电力有源滤波器的交流电路分为电压型和电流型。目前实用的装置90％以上为电压型。从与补偿对象的连接方式来看，电力有源滤波器可分为并联型和串联型。并联型中有单独使用、LC滤波器混合使用及注入电路方式，目前并联型占实用装置的大多数。目前电力有源滤波器仍存在一些问题，如电流中有高次谐波，单台容量低，成本较高等。随着电力半导体器件向大容量、高频化方向发展，这类既能补偿谐波又能补偿无功的装置必然有很好的发展前景。综合潮流控制器将一个由晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相电压上，使其幅值和相角皆可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提高输送能力以及阻尼系统振荡。美国西屋电气公司研制出一种简化的UPFC称为串联潮流控制器，其基本结构和SVG类似，区别是其输出变压器串联接入输电线。SPFC造价明显低于UPFC，功能可与之相比且优于SVG。中国电力科学研究院、东南大学、清华大学等单位也进行了理论研究和仿真实验，研