無功功率補(bǔ)償原理及方法分析

1、無功功率補(bǔ)償原理及方法分析摘要：無功功率補(bǔ)償是保障電力系統(tǒng)能源質(zhì)量的有效方法，其在降低電能消耗以及能源節(jié)約方面的效果是非常明顯的，所以其在長距離電能運輸中的作用是不可忽視的。為保障電網(wǎng)系統(tǒng)運行的效益，我國加大了對無功功率補(bǔ)償技術(shù)研究的力度，本文通過對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，探討一下無功功率補(bǔ)償?shù)脑砗头椒ㄒ约捌湓陔娋W(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：無功功率補(bǔ)償 補(bǔ)償原理 補(bǔ)償方法無功功率補(bǔ)償是當(dāng)今電氣自動化技術(shù)及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一項重大課題，正在受到越來越多的關(guān)注。電網(wǎng)中無功功率不平衡主要有以下兩個為一面的原因:一為一面是供電部門傳送的電力質(zhì)量不高；另一為一面是用戶的電氣性能不夠好，這兩為一面的綜合原

2、因?qū)е聼o功功率的不均勻分布和各種問題的產(chǎn)生。顯然，這此需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率如果都要由發(fā)電端產(chǎn)生和提供并經(jīng)過長距離傳輸是不可能的，最有效的為一法是在大量需要無功功率的地為一安裝無功補(bǔ)償裝置并進(jìn)行無功功率的就地補(bǔ)償。1 無功補(bǔ)償?shù)脑黼娏髟陔姼性凶龉r，電流滯后于電壓90o；而電流在電容元件中作功時，電流超前于電壓90o。在同一電路中，電感電流與電容電流方向相反，互差180o。如果在電磁元件電路中安裝一定的電容元件，使兩者的電流相互抵消，使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小，從而提高電能做功的能力，這就是無功補(bǔ)償?shù)牡览怼D1和圖2分別為感性阻抗和容性阻抗中電流、電壓和功率的波形變化規(guī)則。在第一個

3、四分之一周期內(nèi)，電流由零逐漸增大，此時，電感吸收功率，轉(zhuǎn)化為磁場能量，而電容放出儲存在電場中的能量；第二個四分之一周期，電感放出磁場能量，電容吸收功率，以后的四分之一周期重復(fù)上述循環(huán)。從圖3可以看出并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償原理。將并聯(lián)電容器C與供電設(shè)備(如變壓器)或負(fù)荷(如電動機(jī))并聯(lián)，則供電設(shè)備或負(fù)荷所需要的無功功率，可以全部或部分由并聯(lián)電容器供給，即并聯(lián)電容器發(fā)出的容性無功，可以補(bǔ)償負(fù)荷所消耗的感性無功。圖1 電感中電流、電壓和功率的變化圖2 電容中的電流、電壓和功率的變化圖3 并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償原理圖4為并聯(lián)電容器補(bǔ)償向量圖。當(dāng)未接電容C時，流過電感L的電流為IL，流過電阻R的電流為IR，電源

4、供給的電流為I1， I1=IR+jIL，此時相位角為1，功率因數(shù)為cos1；并聯(lián)接入電容C后，由于電容電流IC與電感電流IL方向相反，使電源供給的電流由I1減小為I2， I2=IR+j(IL-IC)，相角由1減小到2，功率因數(shù)則由cos1提高到cos2。設(shè)負(fù)荷有功功率為P(千瓦)，無功功率為Q(千乏)，視在功率為S(千伏安)，電壓有效值為，電流有效值為I，功率三角形如圖5，則有:圖4 并聯(lián)電容器補(bǔ)償向量圖圖5 有功、無功、視在功率向量圖2 無功補(bǔ)償?shù)淖饔?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

5、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。 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)，已成為節(jié)電工作的一項重要措施。 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

6、，穩(wěn)定設(shè)備運行。 4)減少電力損失，一般工廠動力配線依據(jù)不同的線路及負(fù)載情況，其電力損耗約2%-3%左右，使用電容提高功率因數(shù)后，總電流降低，可降低供電端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，使接近或已經(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，壽命可延長1倍） 7)最終滿足電力系統(tǒng)對無功補(bǔ)償監(jiān)測要求，消除因為功率因數(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

7、補(bǔ)償減少用戶電費支出，是一項投資少，收效快的節(jié)能措施。 9)無功補(bǔ)償技術(shù)對用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、安全可靠，達(dá)到節(jié)約電能的目的 。3 電網(wǎng)系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償類別我國電網(wǎng)系統(tǒng)中的武功功率補(bǔ)償方法類別是有區(qū)分依據(jù)的，例如補(bǔ)償方式、補(bǔ)償類別以及電網(wǎng)類型等都是無功功率補(bǔ)償方法的劃分標(biāo)準(zhǔn)的所以我國電網(wǎng)系統(tǒng)中的無功功率的補(bǔ)償類別主要有以下幾種表現(xiàn)形式:3.1補(bǔ)償方式類別按電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償方式進(jìn)行類別的劃分主要可分為六個部分:電網(wǎng)隨線補(bǔ)償，其補(bǔ)償無功功率的方法主要是在電網(wǎng)系統(tǒng)的高壓配電線路上以分散并聯(lián)的方式安裝電

8、容器直接提高電網(wǎng)電網(wǎng)運行功率，降低損耗二變電站處集中補(bǔ)償其補(bǔ)償方法，即是在高、低壓配電線路中采用組裝并聯(lián)的方式安裝電容器對主變空載以及輸電線路進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，實現(xiàn)變電站終端電壓的提高，隨器、隨機(jī)補(bǔ)償，此種補(bǔ)償方法效益比較高，其連接方式簡單，安裝容易配置靈活，對低壓輸電線路的作用比較高，但是其產(chǎn)生的諧波較難控制；低壓集中式補(bǔ)償，此補(bǔ)償方式在用戶變壓器中應(yīng)用較多，由于其在管理和維護(hù)上存在制約因素，公共變壓器中不經(jīng)常使用；電動機(jī)器就地補(bǔ)償，此補(bǔ)償方式以單臺電動機(jī)器為基礎(chǔ)，以聯(lián)動的方式安裝電容器，保障電能功率消耗降低的同時，提高輸電線路的輸電能力，低壓分散式補(bǔ)償此補(bǔ)償方式?jīng)]有針對性，而且其降損節(jié)能的

9、效果較為明顯，但是其在設(shè)備利用上容易造成電容器的閑置。3.2補(bǔ)償設(shè)備類別按電網(wǎng)系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)備類型進(jìn)行類別的劃分主要分為四類：移相電容器，此補(bǔ)償設(shè)備因在電網(wǎng)系統(tǒng)中使用的功耗小利用率高，但是其只能采用分級的方式進(jìn)行補(bǔ)償，不能完全吸收無功的功率而，且其對環(huán)境和電壓的是有一定要求的；靜止補(bǔ)償裝置，此補(bǔ)償裝置由電容器和電抗器共同組成，可對無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)電壓在周波內(nèi)迅速調(diào)節(jié)；同步調(diào)相機(jī)，此補(bǔ)償裝置主要是以機(jī)器的負(fù)載為對象，向電網(wǎng)系統(tǒng)提供具備感應(yīng)性的無功功率，保持電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；同步電動機(jī)，此補(bǔ)償設(shè)備與同步調(diào)相機(jī)類似，不同之處是其作用對象為電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因子。3.3網(wǎng)絡(luò)目的類別電網(wǎng)系統(tǒng)無功率補(bǔ)

10、償方式以網(wǎng)絡(luò)類型進(jìn)行分類可分為輸配電補(bǔ)償和配電線補(bǔ)償，其兩者的共同目的即是提高電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，理論是以線路環(huán)式連接方式為主的，但是以實際電網(wǎng)線路運行來看，為避免線路中產(chǎn)生電磁影響，一般采用開環(huán)的方式連接。4 無功補(bǔ)償方式4.1變電站集中補(bǔ)償變電站集中補(bǔ)償方式指的是在變電站裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置，包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜IF補(bǔ)償器等等。通常采用的調(diào)節(jié)方式是按照九區(qū)圖的控制策略，將無功補(bǔ)償裝置與有載調(diào)壓抽頭配合調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電壓和無功功率的控制。這種無功補(bǔ)償方式的優(yōu)點是維護(hù)方便、管理方式簡單，但缺點是無法降低配電網(wǎng)的電能損耗廠4.2低壓集中補(bǔ)償?shù)蛪杭醒a(bǔ)償方式主要應(yīng)用在變壓器低壓側(cè)，是國內(nèi)較普遍

11、采用的另一種無功補(bǔ)償方式。其中補(bǔ)償裝置通常采用微機(jī)控制的低壓并聯(lián)電容器柜，可根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動來投入適當(dāng)數(shù)量的電容器，從而進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式可改善專用變壓器用戶的功率因數(shù)，實現(xiàn)無功功率的就地平衡，進(jìn)一步降低配電網(wǎng)及變壓器的電能損耗，從而保證用戶的電壓水平。然而其缺點在于當(dāng)線路電壓基準(zhǔn)偏高或偏低時，無功功率的投切量難以滿足實際需求量，就有可能出現(xiàn)無功功率補(bǔ)償過量或不足的情況。另外，面向用戶的公用變壓器通常安裝在戶外桿架上，在這些變壓器上安裝集中補(bǔ)償裝置則難以維護(hù)、控制和管理，容易產(chǎn)生安全隱患。因此，這種無功補(bǔ)償有一定的局限性。4.3桿上無功補(bǔ)償為了降低線路網(wǎng)損，把l OkV戶外并聯(lián)電

12、容器安裝在架空線路的桿塔上進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，這樣可以提高配電網(wǎng)的功率因素，降低線損，提升電壓。為了避免因桿上安裝并聯(lián)電抗器遠(yuǎn)離變電站而引起的保護(hù)不易配置、控制成本高、維護(hù)難度大、安裝環(huán)境受限等問題，桿上無功補(bǔ)償必須做到:補(bǔ)償點宜少、控制方式從簡、不設(shè)分組投切、補(bǔ)償容量宜小、接線宜簡單及保護(hù)方式簡化等。桿上無功補(bǔ)償方式具有投資小、補(bǔ)償效率高、便于管理和維護(hù)等優(yōu)點。在負(fù)荷波動的情況下，這種固定的補(bǔ)償方式適應(yīng)能力較差。4.4用戶終端分散補(bǔ)償由于低壓用戶負(fù)荷小、波動大、地點分散、管理較難，因此直接在用戶末端進(jìn)行無功補(bǔ)償將最恰當(dāng)?shù)鼐S持配電網(wǎng)的電壓水平，降低電力系統(tǒng)的電能損耗。尤其是企業(yè)和廠礦中的電動機(jī)更應(yīng)該進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方法的無功裝置應(yīng)具有智能型控制、免維護(hù)、易安裝、占地面積小、功能完善等特點。分散補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點是:能大幅降低線損，改善電壓質(zhì)量及提高線路輸電能力。缺點是大量電容器輕載時會閑置，設(shè)備利用