DQZHAN技術(shù)訊：【漲知識】一文讀懂電氣無功補(bǔ)償

一、功率的概念

功率(英語：power)是單位時(shí)間內(nèi)做功的大小或能量轉(zhuǎn)換的大小。

1.視在功率：

視在功率是指發(fā)電機(jī)發(fā)出的總功率，其中可以分為有功部分和無功部分。

2.有功功率

有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機(jī)械能、光能、熱能)的電功率。

3.無功功率：

是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率，它不對外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，建立磁場，就要消耗無功功率。無功功率不做功，但要保證有功功率的傳導(dǎo)必須先滿足電網(wǎng)的無功功率。

二、需要無功補(bǔ)償?shù)脑?

在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

但是從發(fā)電機(jī)和高壓輸電線供給的無功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。

無功補(bǔ)償是把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換，這樣，感性負(fù)荷所需要的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率補(bǔ)償。

三、無功補(bǔ)償?shù)囊话惴椒?

無功補(bǔ)償通常采用的方法主要有3種：低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償。下面簡單介紹3種補(bǔ)償方式的適用范圍及使用該種補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)低壓個(gè)別補(bǔ)償 低壓個(gè)別補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對無功的需要量將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接，它與用電設(shè)備共用一套斷路器，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)償個(gè)別大容量且連接運(yùn)行(如大中型異步電動(dòng)機(jī))的無功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無功為主。

低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停動(dòng)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會(huì)造成無功倒送，具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護(hù)簡單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

(2)低壓集中補(bǔ)償 低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)低壓母線上的無功負(fù)荷而直接控制電容器的投切，電容器的投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。

低壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線簡單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是目前無功補(bǔ)償中常用的手段之一。

(3)高壓集中補(bǔ)償 高壓集中補(bǔ)償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的6～10KV高壓母線上的補(bǔ)償方式。

適用于用戶遠(yuǎn)離變電所在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負(fù)荷時(shí)，可以減少對電力系統(tǒng)無功的消耗并可以起到一定的補(bǔ)償作用;補(bǔ)償裝置根據(jù)負(fù)荷的大小自動(dòng)投切，補(bǔ)償效益高。

四、無功補(bǔ)償裝置的分類

無功補(bǔ)償有很多種類：從補(bǔ)償?shù)姆秶鷦澐挚梢苑譃樨?fù)荷補(bǔ)償與線路補(bǔ)償，從補(bǔ)償?shù)男再|(zhì)劃分可以分為感性與容性補(bǔ)償。下面將并聯(lián)容性補(bǔ)償?shù)姆椒ù笾铝信e：

1.同步調(diào)相機(jī)

調(diào)相機(jī)的基本原理與同步發(fā)電機(jī)沒有區(qū)別，它只輸出無功電流。因?yàn)椴话l(fā)電，因此不需要原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，沒有啟動(dòng)電機(jī)的調(diào)相機(jī)沒有軸伸，實(shí)質(zhì)就是相當(dāng)于一臺在電網(wǎng)中空轉(zhuǎn)的同步發(fā)電機(jī)。

調(diào)相機(jī)是電網(wǎng)中*早使用的無功補(bǔ)償裝置，當(dāng)增加激磁電流時(shí)，其輸出的容性無功電流增大。當(dāng)減少激磁電流時(shí)，其輸出的容性無功電流減少。當(dāng)激磁電場減少到一定程度時(shí)，輸出無功電流為零，只有很小的有功電流用于彌補(bǔ)調(diào)相機(jī)的損耗，當(dāng)激磁電流進(jìn)一步減少時(shí)，輸出感性無功電流。

調(diào)相機(jī)容量大、對諧波不敏感，并且具有當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)輸出無功電流自動(dòng)增加的特點(diǎn)，因此調(diào)相機(jī)對于電網(wǎng)的無功**具有不可替代的作用。

由于調(diào)相機(jī)的價(jià)格高、效率低，運(yùn)行成本高，因此已經(jīng)逐漸被并聯(lián)電容器所替代。但是近年來出于對電網(wǎng)無功**的重視，一些人主張重新啟用調(diào)相機(jī)。

2.并聯(lián)電容器

并聯(lián)電容器是目前*主要的無功補(bǔ)償方法。其主要特點(diǎn)是價(jià)格低，效率高，運(yùn)行成本低，在保護(hù)完善的情況下可靠性也很高。

在高壓及中壓系統(tǒng)中主要使用固定連接的并聯(lián)電容器組，而在低壓配電系統(tǒng)中則主要使用自動(dòng)控制電容器投切的自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)則多種多樣適用于各種不同的負(fù)荷呢況。對于低壓自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置將另文詳細(xì)介紹。

并聯(lián)電容器的*主要缺點(diǎn)是其對諧波的敏感性。當(dāng)電網(wǎng)中含有諧波時(shí)，電容器的電流會(huì)急劇增大，還會(huì)與電網(wǎng)中的感性元件諧振使諧波放大，另外，并聯(lián)電容器屬于恒阻抗元件，在電網(wǎng)電壓下降時(shí)其輸出的無功電出下降，因此不利于電網(wǎng)的無功**。

3.SVC

SVC的全稱是靜止式無功補(bǔ)償裝置，靜止兩個(gè)字是同步調(diào)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)相對應(yīng)的。國際大電網(wǎng)會(huì)議將SVC定義為7個(gè)子類：

a、機(jī)械投切電容器(MSC)

b、機(jī)械投切電抗器(MSR)

c、自飽和電抗器(SR)

d、晶閘管控制電抗器(TCR)

e、晶閘管投切電容器(TCR)

f、晶閘管投(TSC)

g、自換向或電網(wǎng)換向轉(zhuǎn)換器(SCC/LCC)

根據(jù)以上這些子類，我們可以看出：除調(diào)相機(jī)之外，用電感或電容進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难b置幾乎均被定義為SVC。因此，目前一些資料或者廣告中大量出現(xiàn)“SVC”字樣，其原因不外乎兩條：其一是作者自已并不明白SVC的定義，其二就是以普通人不懂的字母組合故弄玄虛。

目前國內(nèi)市場上被宣傳SVC的產(chǎn)品主工是晶閘管控制電抗器(TCR)和晶閘管投切電容器(TSC)。對于TSC我們另文敘述，這里只簡要介紹一下晶閘管控制電抗器(TCR)。

TCR的基本結(jié)構(gòu)包括一組固定并聯(lián)連接在線路中的電容器和一組并聯(lián)連接在線路中用晶閘管控制的電抗器，通常將電抗器的容量設(shè)計(jì)成與電容器一樣。

由于電抗器是用晶閘管控制的，其感性無功電流可以變化，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，電抗器沒有電流，而電容器固定連接，因此整套裝置的補(bǔ)償量*大，當(dāng)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角時(shí)，電抗器的感性電流就會(huì)抵消一部分電容器電流，因此補(bǔ)償量減少，導(dǎo)通角越大，電抗器的電流越大，補(bǔ)償量就越小，當(dāng)晶閘管全通時(shí)，電抗器電流就會(huì)將電容器電流全部抵消，此時(shí)補(bǔ)償量為0。必須將固定電容器組設(shè)計(jì)成濾波器形式或者配備另外的濾波器。

綜上所述，可以看出TCR的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損耗大，但其具有補(bǔ)償量連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)，在高壓系統(tǒng)中還有應(yīng)用。

4.STATCOM

STATCOM是一種使用IGBT、GTO或者SIT等全控型高速電力電子器件作為開關(guān)控制電流的裝置中，其基本工作原理是：

通過對系統(tǒng)電參數(shù)的檢測，預(yù)測出一個(gè)與電源電壓同相位的幅度適當(dāng)?shù)恼译娏鞑ㄐ?。?dāng)系統(tǒng)瞬時(shí)電流大于預(yù)測電流的時(shí)候，STATCOM將大于預(yù)測電流的部分吸收進(jìn)來，儲存在內(nèi)部的儲能電容器中。

當(dāng)系統(tǒng)瞬時(shí)電流小于預(yù)測電流的時(shí)候，STATCOM將儲存在電容器中的能量釋放出來，填補(bǔ)小于預(yù)測電流的部分，從而使得補(bǔ)償后的電流變成與電壓同相位的正弦波。

根據(jù)STATCOM的工作原理，理論上STATCOM可以實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，不僅可以應(yīng)用在感性負(fù)荷場合，還可以應(yīng)用在容性負(fù)荷的場合。并且可以進(jìn)行諧波濾除，起到濾波器的作用。但切是實(shí)際的STATCOM由于技術(shù)的原因不可能達(dá)到理論要求，而且由于開關(guān)操作頻率不夠高等原因，還會(huì)向電網(wǎng)輸出諧波。

STATCOM的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，價(jià)格昂貴，可靠性差，損耗大，目前仍處于研究試用階段，沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。電抗器(TSR)償，從補(bǔ)償?shù)姆绞絼澐挚梢苑譃榇?lián)補(bǔ)償與并聯(lián)補(bǔ)償。

五、采用無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)

1、根據(jù)用電設(shè)備的功率因數(shù)，可測算輸電線路的電能損失。通過現(xiàn)場技術(shù)改造，可使低于標(biāo)準(zhǔn)要求的功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)節(jié)電目的。

2、采用無功補(bǔ)償技術(shù)，提高低壓電網(wǎng)和用電設(shè)備的功率因數(shù)，是節(jié)電工作的一項(xiàng)重要措施。

3、無功補(bǔ)償，它就是借助于無功補(bǔ)償設(shè)備提花必要的無功功率，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，穩(wěn)定設(shè)備運(yùn)行。

4、減少電力損失，一般工廠動(dòng)力配線依據(jù)不同的線路及負(fù)載情況，其電力損耗約20%-30%左右，使用電容提高功率因數(shù)后，總電波降低，可降低供電流與用電端的電力損失。

5、改善供電品質(zhì)，提高功率因數(shù)，減少負(fù)載總電流及電壓降，于變壓器二次側(cè)加裝電容可改善功率因數(shù)提高二次側(cè)電壓。

6、延長設(shè)備壽命，改善功率因數(shù)后線路總電流減少，使接近中已經(jīng)飽和的變壓器、開關(guān)等機(jī)器設(shè)備和線路容量負(fù)荷降低，因此可以降低溫升增加壽命(溫度每降低10攝氏度，壽命可延長1倍)。

7、*終滿足電力系統(tǒng)對無功補(bǔ)償?shù)谋O(jiān)測要求，消除因?yàn)楣β室驍?shù)過低而產(chǎn)生的罰款。

8、無功補(bǔ)償可以改善電能質(zhì)量、降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力、無功補(bǔ)償減少用戶電費(fèi)支出，是一項(xiàng)投資少、收效快的節(jié)能措施。

9、無功補(bǔ)償技術(shù)對和電單位的低壓配電網(wǎng)的影響以及提高功率因數(shù)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，確定無功功率的補(bǔ)償容量，確保補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)濟(jì)、合理、**可靠，達(dá)到節(jié)約電能的目的。