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為什么要進(jìn)行無功補(bǔ)償?無功補(bǔ)償?shù)脑?、形式是什么?/h1>
更新時(shí)間:2022-08-01 點(diǎn)擊次數(shù): 699次

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司   上海嘉定  201801

提及“無功補(bǔ)償",首先我們要了解無功功率的概念,什么是無功功率?

       人們對有功功率相對容易理解,因?yàn)樗茏龉?、產(chǎn)生熱量、帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn)等。例如,當(dāng)交流電通過純電阻時(shí),電流能使電阻發(fā)熱,即電能轉(zhuǎn)換成熱能,是實(shí)實(shí)在在能感受得到的能量。但“無功功率"一般則難于理解,它僅存在于交流電中,直流電不存在無功功率的問題。例如,當(dāng)交流電流通過純電容或純電感負(fù)載時(shí)并不做功,也就是說純電容或者純電感負(fù)載不消耗有功功率,但在它們中流過的電流以及對應(yīng)電壓就形成了交流功率,這種交流功率即稱為無功功率。理論上講,無功功率是不做工的,當(dāng)然它不應(yīng)該產(chǎn)生光和熱,更不能帶動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。
       往往我們遇到的負(fù)載很少有純感性或純?nèi)菪缘?,一般都是混合性?fù)載,這樣電流在通過它們的時(shí)候,有部分功率能做功,有部分功率不能做功,不能做功的功率就是無功功率,為了直觀的體現(xiàn)無功功率和有功功率的關(guān)系,人們采用功率因數(shù)的概念來表述電能的利用率。功率因數(shù)越接近1,說明有功功率的占比高,電能的利用率高;反之,功率因數(shù)越接近0,說明有功功率的占比低,電能的利用率則低。為了提高電能的利用率,就提出了“無功補(bǔ)償"的概念。
       了解了無功功率、有功功率、功率因數(shù)的概念,也知道了無功補(bǔ)償?shù)母灸康木褪翘岣唠娔芾寐?。接下來我們具體分析下:為什么要進(jìn)行無功補(bǔ)償、無功補(bǔ)償?shù)脑硎鞘裁?、補(bǔ)償形式有哪些以及補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)性的分析等。
一、為什么要進(jìn)行無功補(bǔ)償
       無功功率不是無用功率,在交流供電系統(tǒng)中,電感和電容都是負(fù)載,如電動機(jī)、變壓器等鐵磁性負(fù)載,如果沒有感性無功的勵(lì)磁,設(shè)備無法正常工作,比如定距離送電的線路本身,就是容性負(fù)載,只要是送電當(dāng)中就會相當(dāng)于電容器在工作。那么也就是說在交流供電系統(tǒng)中,無功的存在對能量的傳輸和交換有著巨大意義,*,或者說離開無功功率的交換系統(tǒng)就不能正常工作。
       那么,大量的無功由哪里來?系統(tǒng)中眾多的無功負(fù)載,尤其是感性無功負(fù)載,正常來講,這些負(fù)載所吸收的無功功率是由發(fā)電廠提供的,也就是說發(fā)電機(jī)在工作時(shí)就會向系統(tǒng)釋放有功電能,同時(shí)對感性負(fù)載提供相應(yīng)的無功電能。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要保持適當(dāng)?shù)臒o功輸出,如果沒有無功輸出就會對發(fā)電系統(tǒng)造成破壞性的影響,也就是說保護(hù)系統(tǒng)的無功平衡至關(guān)重要。
       當(dāng)系統(tǒng)中無功功率需求變大時(shí),如果不在系統(tǒng)人為地安裝無功補(bǔ)償裝置,發(fā)電廠要通過調(diào)相的方式來加大無功功率輸出,由于發(fā)電機(jī)的容量是有限的,那么就勢必要減少有功功率的輸出量,也就是降低發(fā)電機(jī)的輸出能力,為滿足用電的要求,發(fā)電機(jī)、供電線路和變壓器的容量需變大,這樣不僅增加供電投資、降低設(shè)備利用率,也將增加線路損耗。
       為了降低發(fā)電廠的無功供給壓力,我們在供電系統(tǒng)中感性負(fù)載消耗較大的點(diǎn)投入相應(yīng)的電容器來為感性負(fù)載提供無功功率,這樣就很大的減輕了發(fā)電廠的無功供給壓力。用戶應(yīng)在提高用電自然功率因數(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置,并做到隨其負(fù)荷和電壓變動及時(shí)投入或切除,防止無功倒送。同時(shí)將用戶的功率因數(shù)達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),以避免供電部門加收力率電費(fèi)。因此,無論對供電部門還是用電部門,對無功功率進(jìn)行自動補(bǔ)償以提高功率因數(shù),防止無功倒送,對節(jié)約電能、提高運(yùn)行質(zhì)量都具有非常重要的意義。
二、無功補(bǔ)償?shù)脑硎鞘裁?/strong>
       1、從吸收能量和釋放能量角度分析
       一般在系統(tǒng)中所說的無功負(fù)載大部分是感性無功負(fù)載,把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路,當(dāng)感性無功負(fù)載吸收能量時(shí),容性負(fù)載釋放能量,而感性負(fù)載釋放能量時(shí),容性負(fù)荷卻在吸收能量,能量在容性負(fù)載和感性負(fù)載之間交換,這樣容性負(fù)載所吸收的無功功率可以從容性負(fù)荷裝置輸出的無功功率中得到補(bǔ)償,無功功率就地平衡掉,以降低線路損失,提高帶載能力,降低電壓損失及緩解發(fā)電廠的供電壓力,這就是無功補(bǔ)償?shù)幕驹怼?/div>
 
       2、從相位(感性/容性)角度分析
       純電感負(fù)載中電流IL滯后電壓90°,其功率稱為感性無功功率;而純電容負(fù)載中電流Ic則超前電壓90°,其功率稱為容性無功功率。
       電容中的電流與電感中的電流相位相差180°,可以相互抵消。電力系統(tǒng)中的負(fù)載大部分是感性負(fù)載,因此總電流I將滯后電壓一個(gè)角度Φ1,如果將并聯(lián)電容器與負(fù)載并聯(lián),這時(shí)I′=I+IC,電容器的電流將抵消一部分電感電流,從而使總電流從I降低到I′,相位角由Φ1減少為Φ2,可以提高功率因數(shù),無功就地得到治理。
三、無功補(bǔ)償?shù)男问接心男?/strong>
       廣義上講,無功補(bǔ)償?shù)男问椒N類較多,比如:
       按照補(bǔ)償并網(wǎng)點(diǎn)PCC點(diǎn)電壓等級不同,可分為高壓補(bǔ)償、中壓補(bǔ)償、低壓補(bǔ)償;
       按照補(bǔ)償點(diǎn)在輸配電系統(tǒng)中的位置不同,可分為設(shè)備側(cè)就地補(bǔ)償、區(qū)域局部補(bǔ)償、變電所集中補(bǔ)償;
       按照補(bǔ)償設(shè)備類型,可分為投切電容器補(bǔ)償(FC補(bǔ)償)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)類補(bǔ)償(如:同步調(diào)相機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、同步電動機(jī))、靜止類無功補(bǔ)償(靜止無功補(bǔ)償器:晶閘管投切電容TSC、晶閘管控制電抗器TCR、磁控電抗器MCR;靜止同步補(bǔ)償器STATCOM;靜止無功發(fā)生器SVG)、復(fù)合類無功補(bǔ)償(FC+TCR、FC+MCR、FC+STATCOM)等。
3.1 按照補(bǔ)償位置區(qū)分的補(bǔ)償形式
       接下來主要針對低壓0.4KV系統(tǒng)補(bǔ)償點(diǎn)位置不同,無功補(bǔ)償?shù)男问阶鰝€(gè)簡單介紹。
        1、設(shè)備側(cè)就地補(bǔ)償
       設(shè)備側(cè)就地補(bǔ)償就是對單臺用電設(shè)備所需的無功就近補(bǔ)償?shù)霓k法,把電容器直接接到單臺用電設(shè)備的同一個(gè)電氣回路,用同一臺開關(guān)控制,同時(shí)投運(yùn)或斷開。這種補(bǔ)償方法的效果較好,電容器靠近用電設(shè)備,就地平衡無功電流,可避免無負(fù)荷時(shí)的過補(bǔ)償,使供電質(zhì)量得到保證。這種補(bǔ)償方式常用于高低壓電動機(jī)等用電設(shè)備。但這種補(bǔ)償方式在用戶設(shè)備非連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),電容器利用率低,不能充分發(fā)揮其補(bǔ)償效益。
        2、區(qū)域局部補(bǔ)償
       區(qū)域局部補(bǔ)償是將電容器分組安裝在車間配電室或變電所各分路的出線上,它可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化投入或切除電容器組,補(bǔ)償效果也比較好,但造價(jià)相對較高。
        3、變電所集中補(bǔ)償
       變電所集中補(bǔ)償是所有電容器組集中安裝在變電所的一次或二次側(cè)的母線上。這種補(bǔ)償方式安裝簡單,運(yùn)行可靠,可以集中補(bǔ)償?shù)蛪?.4KV系統(tǒng)的無功功率,對于變壓器原邊(一般是10KV計(jì)量點(diǎn))功率因數(shù)的提升有比較直接的效果,這類補(bǔ)償方式是當(dāng)前采用較為廣泛,性價(jià)比相對比較高的方案。
3.2 按照補(bǔ)償設(shè)備類型區(qū)分的補(bǔ)償形式
       按照補(bǔ)償設(shè)備類型細(xì)分的設(shè)備就非常多了,一般都是按照現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行設(shè)備類型,各個(gè)補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行都各有利弊,在本文中我們主要針對市場上0.4KV配電系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的兩類產(chǎn)品——投切電容器補(bǔ)償(FC補(bǔ)償)和靜止無功發(fā)生器(SVG補(bǔ)償),在此給大家做個(gè)簡單的介紹。
       1、投切電容器補(bǔ)償(FC補(bǔ)償)
       投切電容器補(bǔ)償也就是傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器補(bǔ)償方式,他的原理是通過增加容性無功補(bǔ)償負(fù)載的感性無功需求,提升負(fù)載電壓的穩(wěn)定性,提高功率因數(shù)。
       由于早期并聯(lián)電容器的投切是通過接觸器來實(shí)現(xiàn),接觸器動作時(shí)間都是秒級,所以它的致命缺點(diǎn)是:合閘涌流大,嚴(yán)重的情況下可以達(dá)到補(bǔ)償電容器額定電流的50-100倍,會產(chǎn)生較大的弧光,造成電容器和接觸器的損壞。根據(jù)現(xiàn)場負(fù)載實(shí)際運(yùn)行情況,市場上逐漸出現(xiàn)同步開關(guān)、復(fù)合開關(guān)、晶閘管開關(guān)等替代接觸器的方案,在電壓過零點(diǎn)合閘、電流過零點(diǎn)切斷方面有了很大的提升,大大降低了投切涌流導(dǎo)致的設(shè)備損壞。
       為了投切控制智能化、采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)多元化、保護(hù)功能多樣化、安裝維護(hù)簡單化,近些年又衍生出了另一類投切電容器補(bǔ)償——智能電容,相比于傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償,它具有多項(xiàng)技術(shù)功能是傳統(tǒng)電容器無法實(shí)現(xiàn)的。另外,隨著負(fù)載設(shè)備電力電子化,配電系統(tǒng)諧波影響不容忽視,尤其對電容的影響,所以針對諧波的影響,F(xiàn)C補(bǔ)償也做了很多相關(guān)改進(jìn),比如提出串抗率的概念,什么情況下用6%、7%的串抗率?什么情況下用13%、14%的串抗率?這部分內(nèi)容后期做專題進(jìn)一步講解。
       2、靜止無功發(fā)生器(SVG補(bǔ)償)
靜止無功發(fā)生器是一種用于補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,它能對大小變化的無功以及負(fù)序進(jìn)行快速和連續(xù)的補(bǔ)償,其應(yīng)用可克服FC補(bǔ)償器等傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償器響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償效果不能準(zhǔn)確控制、容易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振和投切震蕩等缺點(diǎn)。
       相比于FC補(bǔ)償?shù)娜c(diǎn)優(yōu)勢在于:
       ①線性補(bǔ)償無功功率,補(bǔ)償階梯小于1KVar;
       ②無極性補(bǔ)償,既可以輸出容性無功,也可以輸出感性無功;
       ③響應(yīng)時(shí)間快,全響應(yīng)時(shí)間小于5ms。
 
四、無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益
      1、補(bǔ)償無功功率,提高功率因數(shù)
       根據(jù)《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》的通知內(nèi)容,不難發(fā)現(xiàn),功率因數(shù)以0.9為標(biāo)準(zhǔn)值的力率調(diào)整規(guī)定,提高功率因數(shù)可以減少總電費(fèi)的繳納,甚至功率因數(shù)高于0.9的配電用戶,還能獲得電力公司力率調(diào)整的獎(jiǎng)勵(lì)費(fèi)用。
       通過合理的補(bǔ)償,,使計(jì)量點(diǎn)的功率因數(shù)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求,可以力率電費(fèi),從而使電力用戶電費(fèi)支出大幅度降低。
 
       動態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置的有功節(jié)能只是降低了補(bǔ)償點(diǎn)至發(fā)電機(jī)之間的供配電的損耗。所以高壓網(wǎng)側(cè)的無功補(bǔ)償不能減少低壓閥側(cè)的損耗,亦不能使低壓供電變壓器的利用率提高,根據(jù)補(bǔ)償理論,就地動態(tài)無功功率補(bǔ)償節(jié)能效果比較顯著。
       另外,市場上很多補(bǔ)償設(shè)備宣傳“節(jié)能"“省電"等等概念,也基本上都是從無功補(bǔ)償入手,提高功率因數(shù),減少力率罰款,或者由力率罰款轉(zhuǎn)化為力率獎(jiǎng)勵(lì)的方式,最終實(shí)現(xiàn)為配電用戶省錢的目的。所以關(guān)于無功補(bǔ)償,在自然界能量傳遞的角度認(rèn)識的話,嚴(yán)格講并不屬于“節(jié)能"“省電"范疇,但是實(shí)實(shí)在在可以給配電用戶省錢。
         2、降低輸電線路及變壓器的損耗
         合理的補(bǔ)償可以有效的降低系統(tǒng)電流,以系統(tǒng)自然功率0.7為例,如通過補(bǔ)償裝置將系統(tǒng)功率因數(shù)提高到接近1的水平,系統(tǒng)電流將下降30%左右,即線路和變壓器的損耗可降為P=I2R=(1-30%)2R=0.49R,即線路和變壓器損耗可降低51%。用電企業(yè)的自然功率因數(shù)一般在0.7左右,功率因數(shù)從0.7提高到0.95以上線損降低率和變壓器的銅損降低率如下表:
       降低線路及變壓器損耗,節(jié)約有功電度,是重要的節(jié)能措施。如在石油行業(yè)中,線路比較長,而且比較復(fù)雜,那么可以通過增加無功補(bǔ)償設(shè)備來降低運(yùn)行電流,從而降低線路損耗,節(jié)約有功電度,節(jié)能效果明顯。
       3、增加電網(wǎng)的傳輸能力,提高設(shè)備利用率
由于補(bǔ)償裝置可以有效的降低系統(tǒng)電流和視在功率,故可以有效的降低電網(wǎng)建設(shè)中所有相關(guān)設(shè)備的容量,從而降低電網(wǎng)建設(shè)中的投資。功率因數(shù)在0.7左右的系統(tǒng),由于有效的補(bǔ)償可使系統(tǒng)電流下降30%,即提高發(fā)電廠、變配電設(shè)施30%的帶載能力。
       如果變壓器及線路小容量不足時(shí),可以通過安裝無功補(bǔ)償裝置的方法解決。安裝無功補(bǔ)償裝置可以使無功功率就地平衡,從而減小流過線路及變壓器的電流,減緩導(dǎo)線及變壓器的絕緣老化速度,延長使用壽命。同時(shí)可以釋放變壓器及線路的容量,增加變壓器及線路帶負(fù)荷能力。如,有一臺100KVA變壓器,目前負(fù)載率為85%,COSΦ=0.7。如果加裝無功補(bǔ)償設(shè)備,可使變壓器釋放30%的帶載量,用戶可在變壓器不增容的情況下,增加負(fù)載,進(jìn)行擴(kuò)大再生產(chǎn)。
       4、改善電壓質(zhì)量
       由于系統(tǒng)存在的大量感性負(fù)載將造成供電線路壓降,尤其在供電線路末端更為嚴(yán)重,通過合理的補(bǔ)償可以有效的緩解線路壓降,改善電能質(zhì)量。
       線路中的電壓損失的計(jì)算公式如下:
        式中:
               P —— 有功功率,kW
               U —— 額定電壓,kV
               R —— 線路總電阻,Ω
               Q —— 無功功率,kVar
               Xl—— 線路感抗,Ω
       由于系統(tǒng)的感抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻抗,從上式中可以看到,無功的變化會引起電壓產(chǎn)生很大的變化。當(dāng)線路中,無功功率Q減小以后,電壓損失也就減少了。
       對于供電線路末端電壓一般較低,可通過增加無功補(bǔ)償裝置來提升線路末端電壓,使用記設(shè)備可靠運(yùn)行。
       另一方面,隨著工業(yè)的發(fā)展,大量的自控設(shè)備及非線性負(fù)載的使用,使大量諧波在供配電網(wǎng)絡(luò)中的流動,污染電網(wǎng)。通過合理的配置補(bǔ)償濾波設(shè)備,抑制或大幅度降低諧波對供電系統(tǒng)和用電設(shè)備的影響是改善電能質(zhì)量的主要手段之一。
        最后,電能質(zhì)量問題隨著新型電力系統(tǒng)的興起,必然要面臨很多電能質(zhì)量相關(guān)問題,以下幾類問題值得進(jìn)一步了解、熟悉、探索:
① 諧振問題分析,什么是諧振?
② 什么現(xiàn)場經(jīng)常會出現(xiàn)濾波器損壞現(xiàn)象?
③ 濾波器就地補(bǔ)償和集中補(bǔ)償?shù)膮^(qū)別?
④ 要求諧波治理到5%,如何去理解?
⑤ 加裝濾波器到底能不能起到“節(jié)能"的作用?
⑥ 儲能、光伏、風(fēng)電等電力電子器件的并網(wǎng),對電能質(zhì)量的影響如何?
⑦ 微電網(wǎng)系統(tǒng)對電能質(zhì)量的需求是否重要?
⑧ 。。。
 


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