淺析電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償

潘　睿

摘要:電力系統(tǒng)公用電網(wǎng)中出現(xiàn)的無功功率,是電網(wǎng)本身的運行規(guī)律所決定,但它給電網(wǎng)運行帶來了許多麻煩。無功功率是一種既不能作有功,但又會在電網(wǎng)中引起損耗,而且又是不能缺少的一種功率。

關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng);自動補(bǔ)償

在實際電力系統(tǒng)中,異步電動機(jī)作為傳統(tǒng)的主要負(fù)荷使電網(wǎng)產(chǎn)生感性無功電流;電力電子裝置大多數(shù)功率因數(shù)都很低,導(dǎo)致電網(wǎng)中出現(xiàn)大量的無功電流。無功電流產(chǎn)生無功功率,給電網(wǎng)帶來額外負(fù)擔(dān)且影響供電質(zhì)量。因此,無功功率補(bǔ)償(以下簡稱無功補(bǔ)償)就成為保持電網(wǎng)高質(zhì)量運行的一種主要手段之一,這也是當(dāng)今電氣自動化技術(shù)及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨發(fā)展的一個重大課題,且正在受到越來越多的關(guān)注。

1 分相自動補(bǔ)償?shù)谋匾?/p>

無功自動補(bǔ)償按性質(zhì)分為三相電容自動補(bǔ)償和分相電容自動補(bǔ)償。

三相電容自動補(bǔ)償適用于三相負(fù)載平衡的供配電系統(tǒng)。因三相回路平衡,回路中無功電流相同,所以在補(bǔ)償時,調(diào)節(jié)無功功率參數(shù)的信號取自三相中的任意一相,根據(jù)檢測結(jié)果,三相同時投切可保證三相電壓的質(zhì)量。三相電容自動補(bǔ)償適用于有大量的三相用電設(shè)備的廠礦企業(yè)中。

在民用建筑中大量使用的是單相負(fù)荷,照明、空調(diào)等由于負(fù)荷變化的隨機(jī)性大,容易造成三相負(fù)載的嚴(yán)重不平衡,尤其是住宅樓在運行中三相不平衡更為嚴(yán)重。由于調(diào)節(jié)補(bǔ)償無功功率的采樣信號取自三相中的任意一相,造成未檢測的兩相要么過補(bǔ)償,要么欠補(bǔ)償。如果過補(bǔ)償,則過補(bǔ)償相的電壓升高,造成控制、保護(hù)元件等用電設(shè)備因過電壓而損壞;如果欠補(bǔ)償,則補(bǔ)償相的回路電流增大,線路及斷路器等設(shè)備由于電流的增加而導(dǎo)致發(fā)熱被燒壞。這種情況下用傳統(tǒng)的三相無功補(bǔ)償方式,不但不節(jié)能,反而浪費資源,難以對系統(tǒng)的無功補(bǔ)償進(jìn)行有效補(bǔ)償,補(bǔ)償過程中所產(chǎn)生的過、欠補(bǔ)償?shù)缺锥烁菍φ麄€電網(wǎng)的正常運行帶來了嚴(yán)重的危害。

對于三相不平衡及單相配電系統(tǒng)采用分相電容自動補(bǔ)償是解決上述問題的一種較好的辦法,其原理是通過調(diào)節(jié)無功功率參數(shù)的信號取自三相中的每一相,根據(jù)每相感性負(fù)載的大小和功率因數(shù)的高低進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償,對其它相不產(chǎn)生相互影響,故不會產(chǎn)生欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)那闆r。

該裝置的控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊采用新型單片機(jī)和大規(guī)模集成電路,開關(guān)模塊采用大功率晶閘管,實現(xiàn)電容器組的零電壓投入和零電流切除,無合閘浪涌電流沖擊,無火花和諧波干擾。

智能三相自動無功補(bǔ)償能自動檢測各相負(fù)載的功率因數(shù),同時自動分相投入各相所需的電容補(bǔ)償量,以使各相的無功功率補(bǔ)償達(dá)到最佳狀態(tài),對于大量使用單相用電負(fù)荷,易產(chǎn)生三相不平衡的用電單位如住宅小區(qū)、賓館、飯店、大型商場等民用建筑的配電系統(tǒng)有改善功率因數(shù)、提高電網(wǎng)效率、改善電壓質(zhì)量、節(jié)約用電、增大變壓器有功容量等顯著效果,較大程度滿足了“電網(wǎng)綠化”的要求。

2 分組電容自動補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用在低壓電網(wǎng)中大量的用電設(shè)備為電感性,尤其是在大面積、大開間的商場、辦公樓等

日常生活和辦公場所,大都會采用發(fā)光效果好的熒光燈進(jìn)行人工照明。熒光燈具有光效好、壽命長、無污染等特點,屬綠色光源。目前,民用建筑工程中大量使用電感型鎮(zhèn)流器熒光燈,它具有成本低、壽命長、維修工作量少、投資少等優(yōu)點,但其啟動時間長,功率因數(shù)低,約為0.5～0.6,自身損耗大,加大了供配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗,造成了能源的浪費。

3 通過電容補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫鉀Q大面積商場、辦公樓的感性負(fù)荷功率因數(shù)低的問題是目前設(shè)計中常用的方法。

我們在設(shè)計中通常的做法有兩種:在變配電所設(shè)置集中高壓或低壓補(bǔ)償柜,對系統(tǒng)前端進(jìn)行補(bǔ)償,雖能滿足供電部門對并網(wǎng)功率因數(shù)的要求,但對以下各級分支電路不作補(bǔ)償,因此低壓配電線路中無功電流大,從而造成線路截面和配電開關(guān)容量不能減小,且不能保證整個低壓系統(tǒng)的供電質(zhì)量;另一種做法是在每臺用電設(shè)備或每盞照明燈具內(nèi)設(shè)置電容器個別單獨進(jìn)行補(bǔ)償,這種方式效果較好,對于廠礦企業(yè)使用的單臺大容量用電設(shè)備比較適用,但對于大型商場等民用建筑來說,補(bǔ)償投資成本太大,性價比低,安裝分散,造成后期維修量大、維修困難,且電容器利用率低,實際應(yīng)用并不理想,所以很少采用。設(shè)置無功補(bǔ)償電容器是補(bǔ)償無功功率的傳統(tǒng)方法,目前在國內(nèi)外均獲廣泛應(yīng)用。電容器與網(wǎng)絡(luò)感性負(fù)荷并聯(lián),以并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點,但其阻抗是固定的,故不能跟蹤負(fù)荷無功需求的變化,即不能實現(xiàn)對無功功率的動態(tài)補(bǔ)償。

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,要求對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償,從而產(chǎn)生了同步調(diào)相機(jī)(Synchronous Condenser—SC)。它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī),在過勵磁或欠勵磁的情況下,能夠分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。自20世紀(jì)2、30年代以來的幾十年中,同步調(diào)相機(jī)在電力系統(tǒng)中作為有源的無功補(bǔ)償曾一度發(fā)揮著主要作用,所以被稱為傳統(tǒng)的無功動態(tài)補(bǔ)償裝置。然而,由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī),運行中的損耗和噪聲都比較大,運行維護(hù)復(fù)雜,而且響應(yīng)速度慢,難以滿足快速動態(tài)補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

20世紀(jì)70年代以來,同步調(diào)相機(jī)開始逐漸被靜止型無功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator—SVC)所取代,目前有些國家已不再使用同步調(diào)相機(jī)。早期的靜止無功補(bǔ)償裝置是飽和電抗器(Saturated Reactor—SR)型的,1967年英國GEC公司制成了世界上第一批該型無功補(bǔ)償裝置。飽和電抗器比之同步調(diào)相機(jī)具有靜止、響應(yīng)速度快等優(yōu)點;但其鐵芯需磁化到飽和狀態(tài),因而損耗和噪聲還是很大,而且存在非線性電路的一些特殊問題,又不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)荷的不平衡,所以未能占據(jù)主流。

電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,將晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置推上了無功補(bǔ)償?shù)奈枧_。1977年美國GE公司首次在實際電力系統(tǒng)中演示運行了晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置。1978年此類裝置投入實際運行。隨后,世界各大電氣公司都竟相推出了各具特色的系列產(chǎn)品。近10多年來,占據(jù)了靜止無功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位。于是靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)成了專指使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置,包括晶閘管控制電抗器(Thyristor ontrolled Reactor--TCR)和晶閘管投切電容器(Thyistor Switched Capactor—TSC),以及這兩者的混合裝置(TCR+TSC),或者TCR與固定電容器(Fixed Capacitor—FC)或機(jī)械投切電容器(Mechanically Switched Capacitor—MSC)混合使用的裝置(即TCR+FC、TCR+MSC)等。

隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,20世紀(jì)80年代以來,一種更為先進(jìn)的靜止型無功補(bǔ)償裝置出現(xiàn)了,這就是采用自換相變流電路的無功補(bǔ)償,有人稱為靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator—SVG),也有人稱其為高級靜止無功補(bǔ)償器(Advanced Static Var Compensator—ASVC)或靜止調(diào)相器(Static Condenser—STATCON)。最近,日本和美國已分別有數(shù)臺SVG裝置投入實際運行。

目前,除對SVC和SVG的無功補(bǔ)償進(jìn)一步的探討外,人們還研究用于動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)钠渌鞣N形式的靜止變流器,包括賭流型自換相橋式電路,交-交變頻電路以及交流斬波電路等,直至最近,美國電力研究院還提出統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller—UPFC)。事實上,SVC、SVG和UPEC都是柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission System—FACTS)中的器件。所謂柔性交流輸電系統(tǒng),是20世紀(jì)80年代以來由美國電力研究院提出的一個嶄新概念,其本質(zhì)就是將高壓大功率的電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,以增強(qiáng)對電力系統(tǒng)的控制能力,提高原有電力系統(tǒng)的輸電能力。