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為什么要進行無功補償?

為什么要進行無功補償?

簡介
 
       提及“無功補償",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,因為它能做功、產生熱量、帶動電機旋轉等。例如,當交流電通過純電阻時,電流能使電阻發熱,即電能轉換成熱能,是實實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,當交流電流通過純電容或純電感負載時并不做功,也就是說純電容或者純電感負載不消耗有功功率,但在它們中流過的電流以及對應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,當然它不應該產生光和熱,更不能帶動電機的旋轉。
       往往我們遇到的負載很少有純感性或純容性的,一般都是混合性負載,這樣電流在通過它們的時候,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,為了直觀的體現無功功率和有功功率的關系,人們采用功率因數的概念來表述電能的利用率。功率因數越接近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“無功補償"的概念。

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       了解了無功功率、有功功率、功率因數的概念,也知道了無功補償的根本目的就是提高電能利用率。接下來我們具體分析下:為什么要進行無功補償、無功補償的原理是什么、補償形式有哪些以及補償經濟性的分析等。
 
1.為什么要進行無功補償
       無功功率不是無用功率,在交流供電系統中,電感和電容都是的負載,如電動機、變壓器等鐵磁性負載,如果沒有感性無功的勵磁,設備無法正常工作,比如定距離送電的線路本身,就是容性負載,只要是送電當中就會相當于電容器在工作。那么也就是說在交流供電系統中,無功的存在對能量的傳輸和交換有著巨大意義,不可缺少,或者說離開無功功率的交換系統就不能正常工作。
       那么,大量的無功由哪里來?系統中眾多的無功負載,尤其是感性無功負載,正常來講,這些負載所吸收的無功功率是由發電廠提供的,也就是說發電機在工作時就會向系統釋放有功電能,同時對感性負載提供相應的無功電能。發電機運行時必須要保持適當的無功輸出,如果沒有無功輸出就會對發電系統造成破壞性的影響,也就是說保護系統的無功平衡至關重要。
       當系統中無功功率需求增大時,如果不在系統人為地安裝無功補償裝置,發電廠要通過調相的方式來加大無功功率輸出,由于發電機的容量是有限的,那么就勢必要減少有功功率的輸出量,也就是降低發電機的輸出能力,為滿足用電的要求,發電機、供電線路和變壓器的容量需增大,這樣不僅增加供電投資、降低設備利用率,也將增加線路損耗。

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       為了降低發電廠的無功供給壓力,我們在供電系統中感性負載消耗較大的點投入相應的電容器來為感性負載提供無功功率,這樣就極大的減輕了發電廠的無功供給壓力。用戶應在提高用電自然功率因數的基礎上,設計和裝設無功補償裝置,并做到隨其負荷和電壓變動及時投入或切除,防止無功倒送。同時將用戶的功率因數達到相應的標準,以避免供電部門加收力率電費。因此,無論對供電部門還是用電部門,對無功功率進行自動補償以提高功率因數,防止無功倒送,對節約電能、提高運行質量都具有非常重要的意義。
 
2.無功補償的原理是什么
2.1 從吸收能量和釋放能量角度分析
       一般在系統中所說的無功負載大部分是感性無功負載,把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路,當感性無功負載吸收能量時,容性負載釋放能量,而感性負載釋放能量時,容性負荷卻在吸收能量,能量在容性負載和感性負載之間交換,這樣容性負載所吸收的無功功率可以從感性負荷裝置輸出的無功功率中得到補償,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電廠的供電壓力,這就是無功補償的基本原理。

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2.2 從相位(感性/容性)角度分析
       純電感負載中電流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。電力系統中的負載大部分是感性負載,因此總電流I將滯后電壓一個角度Φ1,如果將并聯電容器與負載并聯,這時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,無功就地得到治理。

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3.無功補償的形式有哪些
       廣義上講,無功補償的形式種類較多,比如:
       按照補償并網點PCC點電壓等級不同,可分為高壓補償、中壓補償、低壓補償;
       按照補償點在輸配電系統中的位置不同,可分為設備側就地補償、區域局部補償、變電所集中補償;
       按照補償設備類型,可分為投切電容器補償(FC補償)、機械旋轉類補償(如:同步調相機、同步發電機、同步電動機)、靜止類無功補償(靜止無功補償器:晶閘管投切電容TSC、晶閘管控制電抗器TCR、磁控電抗器MCR;靜止同步補償器STATCOM;靜止無功發生器SVG)、復合類無功補償(FC+TCR、FC+MCR、FC+STATCOM)等。
3.1 按照補償位置區分的補償形式
       接下來主要針對低壓0.4KV系統補償點位置不同,無功補償的形式做個簡單介紹。
3.1.1設備側就地補償
       設備側就地補償就是對單臺用電設備所需的無功就近補償的辦法,把電容器直接接到單臺用電設備的同一個電氣回路,用同一臺開關控制,同時投運或斷開。這種補償方法的效果好,電容器靠近用電設備,就地平衡無功電流,可避免無負荷時的過補償,使供電質量得到保證。這種補償方式常用于高低壓電動機等用電設備。但這種補償方式在用戶設備非連續運轉時,電容器利用率低,不能充分發揮其補償效益。
3.1.2 區域局部補償
       區域局部補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,它可以根據系統負荷的變化投入或切除電容器組,補償效果也比較好,但造價相對較高。
3.1.3 變電所集中補償
       變電所集中補償是所有電容器組集中安裝在變電所的一次或二次側的母線上。這種補償方式安裝簡單,運行可靠,可以集中補償低壓0.4KV系統的無功功率,對于變壓器原邊(一般是10KV計量點)功率因數的提升有比較直接的效果,這類補償方式是當前采用最為廣泛,性價比相對比較高的方案。

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3.2 按照補償設備類型區分的補償形式
       按照補償設備類型細分的設備就非常多了,一般都是按照現場實際運行設備類型,各個補償設備運行都各有利弊,在本文中我們主要針對市場上0.4KV配電系統中應用最為廣泛的兩類產品——投切電容器補償(FC補償)和靜止無功發生器(SVG補償),在此給大家做個簡單的介紹。
3.2.1 投切電容器補償(FC補償)
       投切電容器補償也就是傳統的并聯電容器補償方式,他的原理是通過增加容性無功補償負載的感性無功需求,提升負載電壓的穩定性,提高功率因數。

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       由于早期并聯電容器的投切是通過接觸器來實現,接觸器動作時間都是秒級,所以它的致命缺點是:合閘涌流大,嚴重的情況下可以達到補償電容器額定電流的50-100倍,會產生較大的弧光,造成電容器和接觸器的損壞。根據現場負載實際運行情況,市場上逐漸出現同步開關、復合開關、晶閘管開關等替代接觸器的方案,在電壓過零點合閘、電流過零點切斷方面有了很大的提升,大大降低了投切涌流導致的設備損壞。

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       為了投切控制智能化、采集系統數據多元化、保護功能多樣化、安裝維護簡單化,近些年又衍生出了另一類投切電容器補償——智能電容,相比于傳統的電容補償,它具有多項技術功能是傳統電容器無法實現的。另外,隨著負載設備電力電子化,配電系統諧波影響不容忽視,尤其對電容的影響,所以針對諧波的影響,FC補償也做了很多相關改進,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?這部分內容后期做專題進一步講解。

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3.2.2 靜止無功發生器(SVG補償)
       靜止無功發生器是一種用于補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序進行快速和連續的補償,其應用可克服FC補償器等傳統的無功補償器響應速度慢、補償效果不能精確控制、容易與電網發生并聯諧振和投切震蕩等缺點。
       相比于FC補償最大的三點優勢在于:
       ①線性補償無功功率,補償階梯小于1KVar;
       ②無極性補償,既可以輸出容性無功,也可以輸出感性無功;
       ③響應時間快,全響應時間小于5ms。

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4.無功補償的經濟效益
4.1補償無功功率,提高功率因數

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       根據《功率因數調整電費辦法》的通知內容,不難發現,功率因數以0.9為標準值的力率調整規定,提高功率因數可以減少總電費的繳納,甚至功率因數高于0.9的配電用戶,還能獲得電力公司力率調整的獎勵費用。
       通過合理的補償,,使計量點的功率因數達到國家標準的要求,可以消除力率電費,從而使電力用戶電費支出大幅度降低。

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       動態無功功率補償裝置的有功節能只是降低了補償點至發電機之間的供配電的損耗。所以高壓網側的無功補償不能減少低壓閥側的損耗,亦不能使低壓供電變壓器的利用率提高,根據最佳補償理論,就地動態無功功率補償節能效果最為顯著。
       另外,市場上很多補償設備宣傳“節能"“省電"等等概念,也基本上都是從無功補償入手,提高功率因數,減少力率罰款,或者由力率罰款轉化為力率獎勵的方式,最終實現為配電用戶省錢的目的。所以關于無功補償,在自然界能量傳遞的角度認識的話,嚴格講并不屬于“節能"“省電"范疇,但是實實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
       合理的補償可以有效的降低系統電流,以系統自然功率0.7為例,如通過補償裝置將系統功率因數提高到接近1的水平,系統電流將下降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%。用電企業的自然功率因數一般在0.7左右,功率因數從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:

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       降低線路及變壓器損耗,節約有功電度,是重要的節能措施。如在石油行業中,線路比較長,而且比較復雜,那么可以通過增加無功補償設備來降低運行電流,從而降低線路損耗,節約有功電度,節能效果明顯。
4.2增加電網的傳輸能力,提高設備利用率
       由于補償裝置可以有效的降低系統電流和視在功率,故可以有效的降低電網建設中所有相關設備的容量,從而降低電網建設中的投資。功率因數在0.7左右的系統,由于有效的補償可使系統電流下降30%,即提高發電廠、變配電設施30%的帶載能力。
       如果變壓器及線路小容量不足時,可以通過安裝無功補償裝置的方法解決。安裝無功補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,減緩導線及變壓器的絕緣老化速度,延長使用壽命。同時可以釋放變壓器及線路的容量,增加變壓器及線路帶負荷能力。如,有一臺100KVA變壓器,目前負載率為85%,COSΦ=0.7。如果加裝無功補償設備,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,增加負載,進行擴大再生產。
4.3改善電壓質量
       由于系統存在的大量感性負載將造成供電線路壓降,尤其在供電線路末端更為嚴重,通過合理的補償可以有效的緩解線路壓降,改善電能質量。
線路中的電壓損失的計算公式如下:

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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
       由于系統的感抗遠遠大于阻抗,從上式中可以看到,無功的變化會引起電壓產生很大的變化。當線路中,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,可通過增加無功補償裝置來提升線路末端電壓,使用記設備安全可靠運行。
       另一方面,隨著工業的發展,大量的自控設備及非線性負載的使用,使大量諧波在供配電網絡中的流動,污染電網。通過合理的配置補償濾波設備,抑制或大幅度降低諧波對供電系統和用電設備的影響是改善電能質量的主要手段之一。

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       最后,電能質量問題隨著新型電力系統的興起,必然要面臨很多電能質量相關問題,以下幾類問題值得進一步了解、熟悉、探索:
① 諧振問題分析,什么是諧振?
② 什么現場經常會出現濾波器損壞現象?
③ 濾波器就地補償和集中補償的區別?
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“節能"的作用?
⑥ 儲能、光伏、風電等電力電子器件的并網,對電能質量的影響如何?
⑦ 微電網系統對電能質量的需求是否重要?
⑧ 。。。


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王靜
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