程志芳
(安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定)
簡介
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Αa(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，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)菪缘模话愣际腔旌闲载?fù)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(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省＝酉聛砦覀兙唧w分析下：為什么要進(jìn)行無功補(bǔ)償、無功補(bǔ)償?shù)脑硎鞘裁础⒀a(bǔ)償形式有哪些以及補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)性的分析等。
1.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，電感和電容都是不能少的負(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)在工作時就會向系統(tǒng)釋放有功電能，同時對感性負(fù)載提供相應(yīng)的無功電能。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時必須要保持適當(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)中無功功率需求增大時，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增大，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)荷和電壓變動及時投入或切除，防止無功倒送。同時將用戶的功率因數(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。
2.無功補(bǔ)償?shù)脑硎鞘裁?/strong>
2.1 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，容性負(fù)載釋放能量，而感性負(fù)載釋放能量時，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感性負(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?br />
2.2 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將滯后電壓一個角度Φ1,如果將并聯(lián)電容器與負(fù)載并聯(lián)，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(shù)，無功就地得到治理。
3.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€簡單介紹。
3.1.1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)備的同一個電氣回路，用同一臺開關(guān)控制，同時投運(yùn)或斷開。這種補(bǔ)償方法的效果好，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，電容器利用率低，不能充分發(fā)揮其補(bǔ)償效益。
3.1.2 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。
3.1.3 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)，在此給大家做個簡單的介紹。
3.2.1 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。
3.2.2 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)償效果不能精確控制、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)時間快，全響應(yīng)時間小于5ms。
4.無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益
4.1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)整的獎勵費(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，可以消除力率電費(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)最佳補(bǔ)償理論，就地動態(tài)無功功率補(bǔ)償節(jié)能效果顯著。
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)化為力率獎勵的方式，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。
4.2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，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)。
4.3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)備安全可靠運(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？
