無功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

張利劍

摘要：無功補(bǔ)償，就其概念而言早為人所知，它就是借助于無功補(bǔ)償設(shè)備提供必要的無功功率，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。交流電在通過純電阻的時(shí)候，電能都轉(zhuǎn)成了熱能，而在通過純?nèi)菪曰蛘呒兏行载?fù)載的時(shí)候，并不做功。也就是說沒有消耗電能，即為無功功率。反之，如選擇或使用不當(dāng)，可能造成供電系統(tǒng)，電壓波動(dòng)，諧波增大等諸多因素。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償;電氣自動(dòng)化

前 ?言

無功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個(gè)不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補(bǔ)償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。

一、無功補(bǔ)償?shù)囊饬x

實(shí)際負(fù)載，不可能為純?nèi)菪载?fù)載或者純感性負(fù)載，一般都是混合性負(fù)載，這樣電流在通過它們的時(shí)候，就有部分電能不做功，就是無功功率，此時(shí)的功率因數(shù)小于1，為了提高電能的利用率，就要進(jìn)行無功補(bǔ)償。電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性電抗，在運(yùn)行過程中需要向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)等容性設(shè)備以后，可以供給感性電抗消耗的部分無功功率小電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供無功功率。也即減少無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低輸電線路因輸送無功功率造成的電能損耗，改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件。這種做法稱為無功補(bǔ)償。

二、提高功率因數(shù)的主要方法是采用無功補(bǔ)償技術(shù)，我們通常采用的方法主要有三種：隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償

1.隨機(jī)補(bǔ)償

隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并接，通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)，同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的無功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無功為主，此種方式可較好地限制用電單位無功負(fù)荷。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，而且不需頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等。

2.隨器補(bǔ)償

隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無功的補(bǔ)償方式。配變?cè)谳p載或空載時(shí)的無功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵(lì)磁無功，配變空載無功是用電單位無功負(fù)荷的主要部分，對(duì)于輕負(fù)載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導(dǎo)致電費(fèi)單價(jià)的增加。隨器補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線簡(jiǎn)單、維護(hù)管理方便、能有效地補(bǔ)償配變空載無功，限制農(nóng)網(wǎng)無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前補(bǔ)償無功最有效的手段之一。

3.跟蹤補(bǔ)償

跟蹤補(bǔ)償是指以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶0.4kv母線上的補(bǔ)償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機(jī)、隨器兩種補(bǔ)償方式，補(bǔ)償效果好。跟蹤補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方式靈活，運(yùn)行維護(hù)工作量小，比前兩種補(bǔ)償方式壽命相對(duì)延長(zhǎng)、運(yùn)行更可靠。應(yīng)優(yōu)先選用跟蹤補(bǔ)償方式。總結(jié)：經(jīng)過實(shí)踐，無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用為電力企業(yè)和客戶帶來了雙贏的局面。對(duì)客戶來講，合理進(jìn)行隨機(jī)補(bǔ)償，可以降低電流，減少內(nèi)線損耗，提高設(shè)備出力;對(duì)供電企業(yè)來說，無功補(bǔ)償技術(shù)改造后，配變可以降低損耗，使得配變利用率提高，滿足了更多動(dòng)力客戶的供電需求。從一定程度上緩解農(nóng)村綜合變?nèi)萘坎蛔愕拿埽梢詫⒂邢薜碾娋W(wǎng)建設(shè)資金用得更為合理。

三、無功補(bǔ)償技術(shù)到目前已經(jīng)經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段

1）靜止無功補(bǔ)償，此種方式為將所有電容器一次性投入電網(wǎng)，完全依靠人工進(jìn)行投切操作。優(yōu)點(diǎn);設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低成本低。缺點(diǎn)：補(bǔ)償精度差，易產(chǎn)生過補(bǔ)。2）自動(dòng)投切;利用智能控制系統(tǒng)，將電容器分為若干組，根據(jù)負(fù)荷變化情況，自動(dòng)增減電容量。優(yōu)點(diǎn)：能夠自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的功率因數(shù)變化，適時(shí)調(diào)整投切電容器，補(bǔ)償精度高，缺點(diǎn)：響應(yīng)速度慢，造價(jià)相對(duì)前者高，電容器投切易產(chǎn)生震蕩，對(duì)系統(tǒng)沖擊大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不好。3）調(diào)壓式無功補(bǔ)償：利用調(diào)整電容器端電壓的方式，調(diào)節(jié)無功功率。優(yōu)點(diǎn)：電容器一次性投入，對(duì)系統(tǒng)無涌流沖擊，補(bǔ)償精度高，電容器壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：不適宜于頻繁操作的場(chǎng)合。4）SVC補(bǔ)償方式，又分為MCR和TCR兩種形式。優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，在瞬變負(fù)荷狀態(tài)下使用，效果極佳。主要用于補(bǔ)償用戶母線上的無功功率，其通過連續(xù)調(diào)節(jié)其自身無功功率來實(shí)現(xiàn)的，一般SVC由并聯(lián)電感和電容兩個(gè)回路組成，其中感性回路為動(dòng)態(tài)回路，其感性無功功率可連續(xù)分相調(diào)整，使得整個(gè)裝置無功功率的大小和性質(zhì)發(fā)生變化，分相控制的依據(jù)為三相平衡原理。補(bǔ)償裝置中的電容器組提供固定的容性無功QC，一般情況下后者大于前者，多余的容性無功由TCR平衡。當(dāng)用戶負(fù)荷QF變化時(shí)，SVC控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)TCR電流從而改變QL值以跟蹤，實(shí)時(shí)抵消負(fù)荷無功，動(dòng)態(tài)維持系統(tǒng)的無功平衡。TCR的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管和電抗器串聯(lián)。晶閘管在電源電壓的正負(fù)半周輪流工作，當(dāng)晶閘管的控制角α在90°～180°之間時(shí)，晶閘管受控導(dǎo)通（控制角為90°時(shí)完全導(dǎo)通，180°時(shí)完全截止）。

在系統(tǒng)電壓基本不變的前提下，增大控制角將減小TCR電流，減小裝置的感性無功功率;反之減小控制角將增大TCR電流，增大裝置的感性無功。就電流的基波分量而言，TCR裝置相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電納。其等效電納為：式中，α為晶閘管導(dǎo)通角;L為電抗器電感值;ω為網(wǎng)壓的角頻率。對(duì)于不對(duì)稱負(fù)荷，應(yīng)采用分相調(diào)節(jié)，根據(jù)瞬時(shí)電壓和電流求出所需的補(bǔ)償電納。TCR分相調(diào)節(jié)的理論基礎(chǔ)為司坦麥茲理論，在此理論指導(dǎo)下，SVC能夠?qū)⒇?fù)荷補(bǔ)償為純有功的三相平衡系統(tǒng)。司坦麥茲理論有多種表達(dá)形式，本文給出一種常用的補(bǔ)償電納公式：r分別為△連接的補(bǔ)償電抗器電納值;V為系統(tǒng)電壓有效值為系統(tǒng)電壓（線電壓）瞬時(shí)值;ia（I），ib（I），ic（I）為系統(tǒng)電流瞬時(shí)值;T為采樣周期，一般為10ms。根據(jù)以上補(bǔ)償理論，將一個(gè)理想的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與負(fù)荷相連就可以把任何不平衡的三相負(fù)荷變換成一個(gè)平衡的三相有功負(fù)荷，而不會(huì)改變電源和負(fù)荷間的有功功率交換，能夠取得良好的電能質(zhì)量治理效果。

四、配電綜合測(cè)控儀和無功補(bǔ)償自動(dòng)控制器一體化

無功補(bǔ)償自動(dòng)控制器和配電綜合測(cè)控儀的一體化問題是城網(wǎng)改造提出的配電網(wǎng)自動(dòng)化問題，運(yùn)行單位往往要求在配電變壓器的低壓側(cè)同時(shí)加裝無功補(bǔ)償?shù)牡蛪弘娙萜骱团潆娋C合測(cè)控儀。以北京首電科技研制的SDPD-2000配電綜合測(cè)控儀為例，兼具配電變壓器運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、顯示和記錄以及無功補(bǔ)償?shù)闹悄芸刂坪捅Ｗo(hù)等兩大功能。數(shù)據(jù)采集的范圍包括：電壓、電流、功率因數(shù)、有功及無功功率、有功及無功電量、諧波電壓、諧波電流，每日電壓和負(fù)載電流的最大值和最小值，停電時(shí)刻、來電時(shí)刻及累計(jì)停電時(shí)間，每相過電壓、欠電壓及缺相時(shí)間等參數(shù)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存期為2個(gè)月。且具有RS232/485通訊接口，可采用現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程采集的方式。顯示方面采用液晶顯示器，全中文直觀顯示配電變壓器運(yùn)行的有關(guān)參數(shù)。無功補(bǔ)償智能化控制方面取樣的物理量為負(fù)載的無功功率Q;可對(duì)Δ-Y電容器組的任意組合方式進(jìn)行調(diào)節(jié);防止無功投切震蕩及補(bǔ)償呆區(qū);當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生過電壓、欠電壓、缺相、諧波或零序電流超標(biāo)及電容器溫升超標(biāo)時(shí)，快速切除補(bǔ)償電容器。

參考文獻(xiàn)：

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