無功補(bǔ)償原理、方法

在現(xiàn)代用電企業(yè)中，在數(shù)量眾多、容量大小不等的感性設(shè)備連接于電力系統(tǒng)中，以致電網(wǎng)傳輸功率除有功功率外，還需無功功率。如自然平均功率因數(shù)在0.70～0.85之間。企業(yè)消耗電網(wǎng)的無功功率約占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因數(shù)提高到0.95左右，則無功消耗只占有功消耗的30%左右。由于減少了電網(wǎng)無功功率的輸入，會給用電企業(yè)帶來效益。

1. 節(jié)省企業(yè)電費(fèi)開支。提高功率因數(shù)對企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益是明顯的，因為國家電價制度中，從合理利用有限電能出發(fā)，對不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求達(dá)到的不同數(shù)值，低于規(guī)定的數(shù)值，需要多收電費(fèi)，高于規(guī)定數(shù)值，可相應(yīng)地減少電費(fèi)?？梢?，提高功率因數(shù)對企業(yè)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。

2. 提高設(shè)備的利用率。對于原有供電設(shè)備來講，在同樣有功功率下，因功率因數(shù)的提高，負(fù)荷電流減少，因此向負(fù)荷傳送功率所經(jīng)過的變壓器、開關(guān)和導(dǎo)線等供配電設(shè)備都增加了功率儲備，從而滿足了負(fù)荷增長的需要;如果原網(wǎng)絡(luò)已趨于過載，由于功率因數(shù)的提高，輸送無功電流的減少，使系統(tǒng)不致于過載運(yùn)行，從而發(fā)揮原有設(shè)備的潛力;對尚處于設(shè)計階段的新建企業(yè)來說則能降低設(shè)備容量，減少投資費(fèi)用，在一定條件下，改善后的功率因數(shù)可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無功補(bǔ)償不但減少初次投資費(fèi)用，而且減少了運(yùn)行后的基本電費(fèi)。

3. 降低系統(tǒng)的能耗。補(bǔ)償前后線路傳送的有功功率不變，P= UICOSφ，由于COSφ提高，補(bǔ)償后的電壓U2稍大于補(bǔ)償前電壓U1,為分析問題方便，可認(rèn)為U2≈U1從而導(dǎo)出I1COSφ1=I2COSφ2。

即:I1/I2= COSφ2/ COSφ1,這樣線損 P減少的百分?jǐn)?shù)為：

ΔP%= (1-I22/I12)×100%=(1- COS2φ1/ COS2φ2) × 100%

當(dāng)功率因數(shù)從0.70～0.85提高到0.95時，由(2)式可求得有功損耗將降低20%～45%。

4. 改善電壓質(zhì)量。以線路末端只有一個集中負(fù)荷為例，假設(shè)線路電阻和電抗為R、X,有功和無功為P、Q,則電壓損失ΔU為：

△U=(PR+QX)/Ue×10-3(kV) 兩部分損失：PR/ Ue→輸送有功負(fù)荷P產(chǎn)生的;QX/Ue→輸送無功負(fù)荷Q產(chǎn)生的;

配電線路：X=(2～4)R，△U大部分為輸送無功負(fù)荷Q產(chǎn)生的

變壓器：X=(5～10)R，QX/Ue=(5～10) PR/ Ue 變壓器△U幾乎全為輸送無功負(fù)荷Q產(chǎn)生的?？梢钥闯?，若減少無功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩(wěn)定，有利于大電動機(jī)的起動。因此，無功補(bǔ)償能改善電壓質(zhì)量(一般電壓穩(wěn)定不宜超過3%)。對于無功補(bǔ)償應(yīng)用的主要目的是改善功率因數(shù)，減少線損，穩(wěn)定電壓。

5. 三相異步電動機(jī)通過就地補(bǔ)償后，由于電流的下降，功率因數(shù)的提高，從而增加了變壓器的容量，計算公式如下：

△S=P/ COSφ1×[( COSφ 2/ COSφ1)-1]

如一臺額定功率為155kW水泵的電機(jī)，補(bǔ)前功率因數(shù)為0.857，補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.967，根據(jù)上面公式計算其增容量為：

(155÷0.857) ×[(0.967 ÷0.857)-1]=24kVA

無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用實(shí)例：

采取低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置節(jié)能降損的效果舉例說明。

例1：某供電企業(yè)給某淀粉廠加裝470 kvar低壓動態(tài)補(bǔ)償電容柜，設(shè)定補(bǔ)償限值cosφ為0.95，小于限值則動態(tài)順序投入電容器組。如功率因數(shù)超前，向線路反送無功功率，則開始順序切除電容器，使功率因數(shù)在一個相對穩(wěn)定的區(qū)域保持動態(tài)平衡。試機(jī)時一次電流1050A，cosφ = 0.7，裝置動態(tài)投入400kvar后，功率因數(shù)接近到1，一次電流變?yōu)?50A，電流是補(bǔ)償前的電流的70%，即減少線路電流30%左右。

表1列出了補(bǔ)償前后參數(shù)的變化：

注：按現(xiàn)場控制盤儀表指示

例2：某供電企業(yè)給某造紙廠加裝500 kvar低壓動態(tài)補(bǔ)償柜，補(bǔ)償前功率因數(shù)≤0.75，線路電流1300 A，動態(tài)補(bǔ)償?shù)焦β室驍?shù)為0.96后一次電流是1000 A，直觀減少線路電流25%左右。

根據(jù)電路原理，線路的損耗與負(fù)荷電流的平方成正比，線路電流大則損耗大，線路電流減小則線損減少，例1中，補(bǔ)償前電流為I，補(bǔ)償后電流大約為0.7×I，根據(jù)DP = 3I2R，所以補(bǔ)償后的線路損耗為補(bǔ)償前線路損耗值的49 %，線路損耗降低了大約51%左右。例2中線路補(bǔ)償后電流大約是補(bǔ)償前電流的0.77，所以補(bǔ)償后的線路損耗大概是補(bǔ)償前線路損耗的59%。

推算出補(bǔ)償前后功率因數(shù)的變化與線路損耗變化的關(guān)系：

按表2所示：例1功率因數(shù)從0.7提高到1，補(bǔ)償后的線路損耗為補(bǔ)償前線路損耗的49%;線路功率因數(shù)從0.75提高到0.95后，線路損耗為補(bǔ)償前的63%，降低線損效果明顯。

例3： 某市能源監(jiān)測中心于2006年4月24、29、30日對某氨綸股份有限公司B區(qū)制冷機(jī)、空壓機(jī)電機(jī)進(jìn)行了電機(jī)補(bǔ)償裝置的安裝調(diào)試，從安裝后測試結(jié)果看，平均降低電流22-51(A)，電機(jī)功率因數(shù)提高到0.98，(見測試結(jié)果對比表)，減少了公司內(nèi)部低壓電網(wǎng)的消耗，從而達(dá)到了節(jié)電的目的。

測試結(jié)果對比表：

由于電流減少，變壓器的銅損及公司內(nèi)部的低壓損耗都降低。

配電系統(tǒng)電流下降率△I%=(1-0.87/0.98)×100%=11%;

配電系統(tǒng)損耗下降率 △P%=(1-0.872/0.982)×100%=11.2%

該公司B區(qū)制冷機(jī)、空壓機(jī)電動機(jī)補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘繛?80千乏，電流平均總下降518(A),依據(jù)GB/T12497-1997中計算公式，安裝電動機(jī)補(bǔ)償裝置后，年可節(jié)電量=補(bǔ)償容量×無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量×年運(yùn)行時間=780×0.04×24×300=224640kWh，節(jié)約價值11.2萬元，補(bǔ)償投資費(fèi)用(包括設(shè)備的購置、安裝及現(xiàn)場調(diào)試)為：6.24萬元。(80元/千乏)

用戶低壓端無功補(bǔ)償裝置一般按照用戶無功負(fù)荷的變化動態(tài)投切補(bǔ)償電容器，達(dá)到動態(tài)控制的目的，可以做到不向高壓線路反送無功電能。在配電網(wǎng)中，若各用戶低壓側(cè)配置了足夠的無功補(bǔ)償裝置，則可使配電線路中的無功電流最小，也使配電線路的有功功率損耗最小，這是最理想的效果。另外，線路中的無功電流小，也使線路壓降減少，電壓波動減少。

智能低壓動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)：

電力電子技術(shù)、智能控制技術(shù)和信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展，帶動了許多電力新技術(shù)、新設(shè)備的不斷出現(xiàn)，近年來隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的進(jìn)行，智能無功補(bǔ)償技術(shù)在各地低壓配電網(wǎng)的公用配變被廣泛應(yīng)用，它集低壓無功補(bǔ)償、綜合配電監(jiān)測、配電臺區(qū)的線損計量、電壓合格率的考核、諧波監(jiān)測等多種功能于一身;同時還充分考慮了與配電動態(tài)化系統(tǒng)的結(jié)合。

一、傳統(tǒng)的低壓無功補(bǔ)償設(shè)備的狀況:

1. 采集單一信號，采用三相電容器，三相共補(bǔ)

這種補(bǔ)償方式適用于負(fù)荷主要是三相負(fù)載(電動機(jī))的場合，但如果當(dāng)前的負(fù)載主要為居民用戶，三相負(fù)荷很可能不平衡。那么各相無功需量也不同，采用這種補(bǔ)償方式會在不同程度上出現(xiàn)過補(bǔ)或欠補(bǔ)。

2. 投切開關(guān)多采用交流接觸器

其響應(yīng)速度較慢，在投切過程中會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊涌流，使用壽命短。

3. 無功控制策略

控制物理量多為功率因數(shù)，投切方式為：循環(huán)投切。此策略沒有考慮電壓的平衡關(guān)系與區(qū)域的無功優(yōu)化。

4. 通常不具備配電監(jiān)測功能

二、智能動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備狀況:

1. 補(bǔ)償方式

1) 固定補(bǔ)償與動態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合

隨著社會的發(fā)展，負(fù)載類型越來越復(fù)雜，電網(wǎng)對無功要求也越來越高，因此單純的固定補(bǔ)償已經(jīng)不能滿足要求，新的動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)能較好地適應(yīng)負(fù)載變化。

2) 三相共補(bǔ)與分相補(bǔ)償相結(jié)合

新的設(shè)備尤其是大量的電力電子、照明等家居設(shè)備，都是單相供電，電網(wǎng)中三相不平衡的情況越來越多，三相共補(bǔ)同投同切已無法解決三相不平衡的問題，而全部采用單相補(bǔ)償則投資較大。因此根據(jù)負(fù)載情況充分考慮經(jīng)濟(jì)性的共分結(jié)合方式在新的經(jīng)濟(jì)條件下日益廣泛應(yīng)用。

3) 穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償與快速跟蹤補(bǔ)償相結(jié)合

穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償與快速跟蹤補(bǔ)償相結(jié)合的補(bǔ)償方式是未來發(fā)展的一個趨勢。主要是針對大型的鋼鐵冶金等企業(yè)，工藝復(fù)雜、用電量大、負(fù)載變化快、波動大，充分有效地進(jìn)行無功補(bǔ)償，不僅可以提高功率因數(shù)、降損節(jié)能，而且可以充分挖掘設(shè)備的工作容量，充分發(fā)揮設(shè)備能力，提高工作效率，提高產(chǎn)量和質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益大。

2. 采用先進(jìn)的投切開關(guān)

目前采用的投切開關(guān)主要有以下幾種。

1) 過零觸發(fā)可控硅投切開關(guān)

其特點(diǎn)是動態(tài)響應(yīng)快，在投切過程中對電網(wǎng)無沖擊、無涌流，壽命較長，目前運(yùn)用比較普遍。

2) 機(jī)電一體化智能復(fù)合開關(guān)

該開關(guān)由交流接觸器和可控硅并聯(lián)運(yùn)行，綜合兩種開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，既實(shí)現(xiàn)了快速投切，又降低了功耗。

3. 采用智能型無功控制策略

采集三相電壓、電流信號，跟蹤系統(tǒng)中無功的變化，以無功功率為控制物理量，以用戶設(shè)定的功率因數(shù)為投切參考限量，依據(jù)模糊控制理論智能選擇電容器組合，智能投切是針對星—角結(jié)合情況。電容投切控制采用智能控制理論，動態(tài)及時地投切電容補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率容量。根據(jù)配電系統(tǒng)三相中每一相無功功率的大小智能選擇電容器組合，依據(jù)“取平補(bǔ)齊”的原則投入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電容器投切的智能控制，使補(bǔ)償精度高。

1) 科學(xué)的電壓限制條件

可設(shè)定的過、欠壓保護(hù)值，可設(shè)置諧波電壓保護(hù)，具缺相保護(hù)功能，以無功功率為投切門限值。

2) 可設(shè)置投切延時

延時時間可調(diào)(既可支持快速跟蹤無功補(bǔ)償，也可支持穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償)，同組電容投切動作時間間隔可設(shè)置，對快速跟蹤補(bǔ)償可設(shè)置為零。

4. 集成綜合配電監(jiān)測功能

綜合配電監(jiān)測功能集配電變壓器電氣參數(shù)測量、記憶、通信于一體，是一套比較完整的配電運(yùn)行參數(shù)測量機(jī)構(gòu)，是低壓配電電網(wǎng)中考核單元線損的理想手段。它能隨時為電網(wǎng)管理人員提供所需要的各類數(shù)據(jù)，是為電網(wǎng)的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠的管理依據(jù)，是配電電網(wǎng)動態(tài)化系統(tǒng)的基本組成部分。主要功能如下：

實(shí)時監(jiān)測配變?nèi)鄶?shù)據(jù)：電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率(2～25次諧波);

累計數(shù)據(jù)記錄、整點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計數(shù)據(jù)記錄功能，累計計量有功、無功電量;

查詢統(tǒng)計分析功能并根據(jù)輸入條件生成各種報表、曲線、棒圖。

一般都配有相關(guān)的后臺處理軟件，大多數(shù)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多機(jī)操作與數(shù)據(jù)共享。

5. 集成電壓監(jiān)測功能

根據(jù)電壓檢測儀標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采樣與數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理，便于用戶考核電壓合格率，可用于電壓監(jiān)測考核。

6. 集成在線諧波監(jiān)測功能

監(jiān)測終端采用DSP作為CPU，應(yīng)用FFT快速傅立葉算法，可精確計算測量出電壓、電流、功率因數(shù)、有功及無功電量等配電參數(shù)，還可以分析2～25次諧波，從而實(shí)現(xiàn)在線的諧波監(jiān)測功能，該數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶要求在后臺軟件上進(jìn)行分析處理。

7. 通信

監(jiān)控終端充分地考慮了設(shè)備的可持續(xù)性使用，采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232、RS485接口，可根據(jù)用戶要求特殊配置Modem、現(xiàn)場總線(Profibus)等,與配網(wǎng)動態(tài)化系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。具體通信方式有以下幾種，或是其一或是多種方式的結(jié)合。

手工抄表：有線、無線等多種抄表方式。

直接通信：與配電動態(tài)化系統(tǒng)接口，為用戶提供了多種解決方案以適應(yīng)不同的配網(wǎng)動態(tài)化系統(tǒng)與子站或主站的直接通信。