电力系统中的无功补偿

谈电力系统中的无功补偿能源是人类社会赖以生存发展的重要资源。全球人口增长和经济增长对能源的需求日益加大，长期过量开采煤炭、石油、天然气这些常规能源，至使储量正在迅速减少。随着我国经济的快速增长，能源程序需求大幅长，能源供需矛盾突出。尤其是近两年，全国用电量及电负荷增长过快，去年以来已有三分之二的省（区、市）出现了不同程度的缺电甚至拉闸限电现象，严重影响社会经济发展和人民生活水平的提高。所以节约电能是一件具有十分重要的意义。改善企业用电的力率（即无功功率补偿）是企业节约电能的重要手段。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。在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cosφ，其计算公式为：φP有功功率KWS视在功率KVAQ无功功率kvar图1功率相量关系由功率三角形可以看出，在一定的有功功率的情况下，当用电企业cosφ越小，则说需要的无功功率越大，其视在功率也越大。为满足用电需要，供电线路和变压器的容量也越大。这样，不仅增加供电投资，降低设备利用率，也将增加线路网损。因此，我们希望对无功功率进行补偿，使得功率因数增大，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。无功功率补偿的原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性负荷并联在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷之间转换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的原理。1、无功功率补偿的方法：（1）利用过激励的同步电动机：适用有大功率拖动装置时用。（2）利用调相机做无功功率电源：宜装在电力系统的中枢变电站（3）异步电动机同步化：自身损耗大，一般不用。（4）电力电容器补偿装置。4、电力电容器补偿装置：（1）串联补偿：把电容器直接串联在高压输电线路上，以改善输电线路参数，降低电压损失，提高其输送能力，降低线路损耗。一般应用于高压远距离输电线路上。网络电压损失近似可按照下式计算：△U=(PR+QX)/U从上式可以看出影响电压损失的四个因素：P、Q、R、X。串联电容器是从补偿电抗的角度来改善系统电压。由于系统电抗呈感性，而串联电容器的容抗可以补充一部分系统电抗，补偿后的系统电压损失可按照下式计算：U=PR+Q(XL-XC)/U采用串联补偿对今后发展特高压、大功率、长距离输电，改善系统参数、减小系统电抗提高系统稳定有一定作用。（2）并联补偿：把电容器直接与被补偿设备并接于同一电路上，以提高功率因数。它的作用是：1）补偿无功功率，提高功率因数；2）提高设备出力；3）降低功率损耗和电能损失；4）改善电压质量。3、并联电容器无功补偿的一般方法并联电容器无功补偿通常采用的方法主要有3种：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。下面简单介绍这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。(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、不会造成无功倒送。小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。MC～380V图2电容器个别补偿结线M(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。下图是高尚堡变电站的电容器的一次原理图。图3中，电抗器的作用是并联电容器组中串联电抗器（组成了谐振电路）的作用是降低电容器组在合闸过程中产生的涌流倍数和涌流频率影响电容器组；能限制操作过电压，滤除指定的高次谐波，同时抑制其它次谐波放大。TV是干式放电线圈，其作用是对残余电荷放电。图3高尚堡变电站电容器一次原理图4、电容器容量的选择在实际工程中首先应根据负荷情况和供电部门的要求确定补偿后所需达到的功率因数值，然后再计算电容器的安装容量：Qc=P(tanφ1-tanφ2)式中:Qc——电容器的安装容量，单位：千乏（kvar）；P——系统的有功功率，单位：千瓦（kW）；tanφ1——补偿前的功率因数角；tanφ2——补偿后的功率因数角。在图3中，将电容器组按容量1：1：1分成三组，每组容量为1000kvar，可实现电容器组1000kvar、2000kvar、3000kvar的三档调容。一般在供电企业中，用电设备的自然功率因数都比较低，在0.6-0.7左右。而要求高压供电的工业用户和高压供电带有电荷调压装置的电力用户，功率因数为0.9以上。假设高变在补偿前力率为0.8，要求补偿到0.95，有功功率为6000Kw，则需要补偿的容量为：Qc=P(tanφ1-tanφ2)=6000*（0.75-0.32868）=2528kvar但是由于很多补偿串联电抗器，再加上谐波的干扰，电容器的额定电压要选得高一些，容量就要选得稍大一点儿，所以应当选3000kvar。在实际运行中，运行人员随时监测电网功率因数的高低，汇报调度并根据调度指令进行电容器组的投切，满足电网对无功功率补偿的要求.(2)按调压要求决定补偿容量。AT1T2PB-jQB-jQB~为了把末端电压数值从B点提高到UB’,在B点所需装的补偿容量为Qc，首末端的电压UA与UB之间的数值关系可为:U'A=UB’+PBR+(QB-QC)X/UB’得QC=UB’(UB’-UA)+(PBR+QBX)/X5、现有电容器补偿装置的不足及未来发展趋势实际上，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。(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。针对上述问题，基于智能控制策略的TSC补偿装置正在引起关注。与断路器操作的电容器装置相比，尽管单台无触点开关的造价比交流接触器高，但该装置仍然有以下几个特点：（1）无涌流，允许频繁操作；（2）跟踪响应时间快，动态跟踪时间0.02～2s(可调)；（3）采用编码循环式投切电容器，可均匀使用电容器，从而延长整个装置的使用寿命；（4）具有各种保护功能，如过压保护、缺相保护及谐波分量超限保护等。以上简单介绍了电力系统的无功功率补偿原理及电容器补偿装置，合理的无功功率补偿对网络降损节能有着极为重要的意义，决定和影响着供电企业的经济效益。