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(chǎn)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(fā)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(chǎn)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?nèi)菪缘模话愣际腔旌闲载撦d，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：為什么要進行無功補償、無功補償?shù)脑硎鞘裁?、補償形式有哪些以及補償經(jīng)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(tǒng)中，電感和電容都是不能少的負載，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(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(fā)電廠提供的，也就是說發(fā)電機在工作時就會向系統(tǒng)釋放有功電能，同時對感性負載提供相應的無功電能。發(fā)電機運行時必須要保持適當?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,也就是說保護系統(tǒng)的無功平衡至關重要。
當系統(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)電機的輸出能力，為滿足用電的要求，發(fā)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。
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，這樣就的減輕了發(fā)電廠的無功供給壓力。用戶應在提高用電自然功率因數(shù)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(shù)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(shù)，防止無功倒送，對節(jié)約電能、提高運行質(zhì)量都具有非常重要的意義。
2.無功補償?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(lián)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(fā)電廠的供電壓力，這就是無功補償?shù)幕驹怼?br />
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(tǒng)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(lián)電容器與負載并聯(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.無功補償?shù)男问接心男?/strong>
廣義上講，無功補償?shù)男问椒N類較多，比如：
按照補償并網(wǎng)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(tǒng)中的位置不同，可分為設備側就地補償、區(qū)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(diào)相機、同步發(fā)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(fā)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(qū)分的補償形式
接下來主要針對低壓0.4KV系統(tǒng)補償點位置不同，無功補償?shù)男问阶鰝€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?shù)霓k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(zhì)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(xù)運轉時，電容器利用率低，不能充分發(fā)揮其補償效益。
3.1.2 區(qū)域局部補償
區(qū)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(jù)系統(tǒng)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?shù)蛪?.4KV系統(tǒng)的無功功率，對于變壓器原邊(一般是10KV計量點)功率因數(shù)的提升有比較直接的效果，這類補償方式是當前采用廣泛，性價比相對比較高的方案。
3.2 按照補償設備類型區(qū)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(xiàn)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(tǒng)中應用廣泛的兩類產(chǎn)品——投切電容器補償(FC補償)和靜止無功發(fā)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(tǒng)的并聯(lián)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(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現(xiàn)，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(chǎn)生較大的弧光，造成電容器和接觸器的損壞。根據(jù)現(xiàn)場負載實際運行情況，市場上逐漸出現(xiàn)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。
為了投切控制智能化、采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(tǒng)的電容補償，它具有多項技術功能是傳統(tǒng)電容器無法實現(xiàn)的。另外，隨著負載設備電力電子化，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(nèi)容后期做專題進一步講解。
3.2.2 靜止無功發(fā)生器(SVG補償)
靜止無功發(fā)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(xù)的補償，其應用可克服FC補償器等傳統(tǒng)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(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振和投切震蕩等缺點。
相比于FC補償?shù)娜c優(yōu)勢在于：
?、倬€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；
?、垌憫獣r間快，全響應時間小于5ms。
4.無功補償?shù)慕?jīng)濟效益
4.1補償無功功率，提高功率因數(shù)
根據(jù)《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》的通知內(nèi)容，不難發(fā)現(xiàn)，功率因數(shù)以0.9為標準值的力率調(diào)整規(guī)定，提高功率因數(shù)可以減少總電費的繳納，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)整的獎勵費用。
通過合理的補償，，使計量點的功率因數(shù)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。
動態(tài)無功功率補償裝置的有功節(jié)能只是降低了補償點至發(fā)電機之間的供配電的損耗。所以高壓網(wǎng)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(jù)最佳補償理論，就地動態(tài)無功功率補償節(jié)能效果顯著。
另外，市場上很多補償設備宣傳“節(jié)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(shù)，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(xiàn)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(jié)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(tǒng)電流，以系統(tǒng)自然功率0.7為例，如通過補償裝置將系統(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(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，提高設備利用率
由于補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)建設中所有相關設備的容量，從而降低電網(wǎng)建設中的投資。功率因數(shù)在0.7左右的系統(tǒng)，由于有效的補償可使系統(tǒng)電流下降30%，即提高發(fā)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(chǎn)。
4.3改善電壓質(zhì)量
由于系統(tǒng)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(zhì)量。
線路中的電壓損失的計算公式如下：
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)的感抗遠遠大于阻抗，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(yè)的發(fā)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(wǎng)絡中的流動，污染電網(wǎng)。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(tǒng)和用電設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)量相關問題，以下幾類問題值得進一步了解、熟悉、探索：
?、?諧振問題分析，什么是諧振？
?、?什么現(xiàn)場經(jīng)常會出現(xiàn)濾波器損壞現(xiàn)象？
③ 濾波器就地補償和集中補償?shù)膮^(qū)別？
?、?要求諧波治理到5%，如何去理解？
?、?加裝濾波器到底能不能起到“節(jié)能”的作用？
?、?儲能、光伏、風電等電力電子器件的并網(wǎng)，對電能質(zhì)量的影響如何？
?、?微電網(wǎng)系統(tǒng)對電能質(zhì)量的需求是否重要？
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