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電力係統無功功率補償
日期：2025-05-06 12:38
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摘要：
無功功率補償裝置的主要作用是:提高負載和係統的功率因數,減少設備的功率損耗,穩定電壓,提高供電質量。在長距離輸電中,提高係統輸電穩定性和輸電能力,平衡三相負載的有功和無功功率等。
一、無功功率補償的作用
1、改善功率因數及相應地減少電費
根據國家水電部,物價局頒布的“功率因數調整電費辦法”規定三種功率因數標準值,相應減少電費:
(1)高壓供電的用電單位,功率因數為0.9以上。
(2)低壓供電的用電單位,功率因數為0.85以上。
(3)低壓供電的農業用戶,功率因數為0.8以上。
2、降低係統的能耗
功率因數的提高,能減少線路損耗及變壓器的銅耗。
設R為線路電阻,ΔP1為原線路損耗,ΔP2為功率因數提高後線路損耗,則線損減少
ΔP=ΔP1-ΔP2=3R(I12-I22)(1)
比原來損失減少的百分數為
(ΔP/ΔP1)×100%=1-(I2/I1)2.100%(2)
式中,I1=P/(3 U1cosφ1),I2=P/(3U2cosφ2)補償後,由於功率因數提高,U2>U1,為分析方便,可認為U2≈U1,則
θ=[1-(cosφ1/cosφ2)2].100%(3)
當功率因數從0.8提高至0.9時,通過上式計算,可求得有功損耗降低21%左右。在輸送功率P=3UIcosφ不變情況下,cosφ提高,I相對降低,設I1為補償前變壓器的電流,I2為補償後變壓器的電流,銅耗分彆為ΔP1,ΔP2;銅耗與電流的平方成正比,即
ΔP1/ΔP2=I22/I12
由於P1=P2,認為U2≈U1時,即
I2/I1=cosφ1/cosφ2
可知,功率因數從0.8提高至0.9時,銅耗相當於原來的80%。
3、減少了線路的壓降
由於線路傳送電流小了,係統的線路電壓損失相應減小,有利於係統電壓的穩定(輕載時要防止超前電流使電壓上升過高),有利於大電機起動。
二、我國電力係統無功補償的現狀
近年來,隨著國民經濟的跨越式發展,電力行業也得到快速發展,特彆是電網建設,負荷的快速增長對無功的需求也大幅上升,也使電網中無功功率不平衡,導致無功功率大量的存在。目前,我國電力係統無功功率補償主要采用以下幾種方式:
1.同步調相機:同步調相機屬於早期無功補償裝置的典型代表,它雖能進行動態補償,但響應慢,運行維護複雜,多為高壓側集中補償,目前很少使用。
2.並補裝置:並聯電容器是無功補償領域中應用*廣泛的無功補償裝置,但電容補償隻能補償固定的無功,儘管采用電容分組投切相比固定電容器補償方式能更有效適應負載無功的動態變化,但是電容器補償方式仍然屬於一種有級的無功調節,不能實現無功的平滑無級的調節。
3.並聯電抗器:目前所用電抗器的容量是固定的,除吸收係統容性負荷外,用以抑製過電壓。
以上幾種補償方式在運行中取得一定的效果,但在實際的無功補償工作中也存在一些問題:
1.補償方式問題:目前很多電力部門對無功補償的出發點就地補償,不向係統倒送無功,即隻注意補償功率因素,不是立足於降低係統網的損耗。
2.諧波問題:電容器具有一定的抗諧波能力,但諧波含量過大時會對電容器的壽命產生影響,甚至造成電容器的過早損壞;並且由於電容器對諧波有放大作用,因而使係統的諧波乾擾更嚴重。
3.無功倒送問題:無功倒送在電力係統中是不允許的,特彆是在負荷低穀時,無功倒送造成電壓偏高。
4.電壓調節方式的補償設備帶來的問題:有些無功補償設備是依據電壓來確定無功投切量的,線路電壓的波動主要由無功量變化引起的,但線路的電壓水平是由係統情況決定的,這就可能出現無功過補或欠補。
三、無功功率補償技術的發展趨勢
根據上述我國無功功率補償的情況及出現的問題,今後我國的無功功率補償的發展方向是:無功功率動態自動無級調節,諧波抑製。
1.基於智能控製策略的晶閘管投切電容器(TSC)補償裝置
將微處理器用於TSC,可以完成複雜的檢測和控製任務,從而使動態補償無功功率成為可能。基於智能控製策略的TSC補償裝置的核心部件是控製器,由它完成無功功率(功率因數)的測量及分析,進而控製無觸點開關的投切,同時還可完成過壓、欠壓、功率因數等參數的存貯和顯示。TSC補償裝置操作無湧流,跟蹤響應快,並具有各種保護功能,值得大力推廣。
2.靜止無功發生器(SVG)
靜止無功發生器(SVG)又稱靜止同步補償器(STATCOM),是采用GTO構成的自換相變流器,通過電壓電源逆變技術提供超前和滯後的無功,進行無功補償,若控製方法得當,SVG在補償無功功率的同時還可以對諧波電流進行補償。其調節速度更快且不需要大容量的電容、電感等儲能元件,諧波含量小,同容量占地麵積小,在係統欠壓條件下無功調節能力強,是新一代無功補償裝置的代表,有很大的發展前途。
3.電力有源濾波器
電力有源濾波器是運用瞬時濾波形成技術,對包含諧波和無功分量的非正弦波進行“矯正”。因此,電力有源濾波器有很快的響應速度,對變化的諧波和無功功率都能實施動態補償,並且其補償特性受電網阻抗參數影響較小。
電力有源濾波器的交流電路分為電壓型和電流型。目前實用的裝置90%以上為電壓型。從與補償對象的連接方式來看,電力有源濾波器可分為並聯型和串聯型。並聯型中有單獨使用、LC濾波器混合使用及注入電路方式,目前並聯型占實用裝置的大多數。
4.綜合潮流控製器
綜合潮流控製器(unified power flowcontroller,UPFC)將一個由晶閘管換流器產生的交流電壓串入並疊加在輸電線相電壓上,使其幅值和相角皆可連續變化,從而實現線路有功和無功功率的準確調節,並可提高輸送能力以及阻尼係統振蕩。UPFC注入係統的無功是其本身裝置控製和產生的,並不大量消耗或提供有功功率。UPFC技術是目前電力係統輸配電技術的*新發展方向,對電網規劃建設和運行將帶來重要的影響。
由於性價比較高,目前我國廣泛使用的還是靜止無功補償裝置。其中,能夠進行無功功率動態補償的基於智能控製策略的TSC仍然需要大力推廣。實際上,國內外對靜止無功補償裝置的研究仍在繼續,研究的重點集中在控製策略上,試圖借助於人工智能提高靜止無功補償裝置的性能。隨著大功率電力電子器件技術的高速發展,未來的功率器件容量將逐步提高,應用有源濾波器進行諧波抑製,以及應用柔**流輸電係統技術進行無功功率補償,必將成為今後電力自動化係統的發展方向。
一、無功功率補償的作用
1、改善功率因數及相應地減少電費
根據國家水電部,物價局頒布的“功率因數調整電費辦法”規定三種功率因數標準值,相應減少電費:
(1)高壓供電的用電單位,功率因數為0.9以上。
(2)低壓供電的用電單位,功率因數為0.85以上。
(3)低壓供電的農業用戶,功率因數為0.8以上。
2、降低係統的能耗
功率因數的提高,能減少線路損耗及變壓器的銅耗。
設R為線路電阻,ΔP1為原線路損耗,ΔP2為功率因數提高後線路損耗,則線損減少
ΔP=ΔP1-ΔP2=3R(I12-I22)(1)
比原來損失減少的百分數為
(ΔP/ΔP1)×100%=1-(I2/I1)2.100%(2)
式中,I1=P/(3 U1cosφ1),I2=P/(3U2cosφ2)補償後,由於功率因數提高,U2>U1,為分析方便,可認為U2≈U1,則
θ=[1-(cosφ1/cosφ2)2].100%(3)
當功率因數從0.8提高至0.9時,通過上式計算,可求得有功損耗降低21%左右。在輸送功率P=3UIcosφ不變情況下,cosφ提高,I相對降低,設I1為補償前變壓器的電流,I2為補償後變壓器的電流,銅耗分彆為ΔP1,ΔP2;銅耗與電流的平方成正比,即
ΔP1/ΔP2=I22/I12
由於P1=P2,認為U2≈U1時,即
I2/I1=cosφ1/cosφ2
可知,功率因數從0.8提高至0.9時,銅耗相當於原來的80%。
3、減少了線路的壓降
由於線路傳送電流小了,係統的線路電壓損失相應減小,有利於係統電壓的穩定(輕載時要防止超前電流使電壓上升過高),有利於大電機起動。
二、我國電力係統無功補償的現狀
近年來,隨著國民經濟的跨越式發展,電力行業也得到快速發展,特彆是電網建設,負荷的快速增長對無功的需求也大幅上升,也使電網中無功功率不平衡,導致無功功率大量的存在。目前,我國電力係統無功功率補償主要采用以下幾種方式:
1.同步調相機:同步調相機屬於早期無功補償裝置的典型代表,它雖能進行動態補償,但響應慢,運行維護複雜,多為高壓側集中補償,目前很少使用。
2.並補裝置:並聯電容器是無功補償領域中應用*廣泛的無功補償裝置,但電容補償隻能補償固定的無功,儘管采用電容分組投切相比固定電容器補償方式能更有效適應負載無功的動態變化,但是電容器補償方式仍然屬於一種有級的無功調節,不能實現無功的平滑無級的調節。
3.並聯電抗器:目前所用電抗器的容量是固定的,除吸收係統容性負荷外,用以抑製過電壓。
以上幾種補償方式在運行中取得一定的效果,但在實際的無功補償工作中也存在一些問題:
1.補償方式問題:目前很多電力部門對無功補償的出發點就地補償,不向係統倒送無功,即隻注意補償功率因素,不是立足於降低係統網的損耗。
2.諧波問題:電容器具有一定的抗諧波能力,但諧波含量過大時會對電容器的壽命產生影響,甚至造成電容器的過早損壞;並且由於電容器對諧波有放大作用,因而使係統的諧波乾擾更嚴重。
3.無功倒送問題:無功倒送在電力係統中是不允許的,特彆是在負荷低穀時,無功倒送造成電壓偏高。
4.電壓調節方式的補償設備帶來的問題:有些無功補償設備是依據電壓來確定無功投切量的,線路電壓的波動主要由無功量變化引起的,但線路的電壓水平是由係統情況決定的,這就可能出現無功過補或欠補。
三、無功功率補償技術的發展趨勢
根據上述我國無功功率補償的情況及出現的問題,今後我國的無功功率補償的發展方向是:無功功率動態自動無級調節,諧波抑製。
1.基於智能控製策略的晶閘管投切電容器(TSC)補償裝置
將微處理器用於TSC,可以完成複雜的檢測和控製任務,從而使動態補償無功功率成為可能。基於智能控製策略的TSC補償裝置的核心部件是控製器,由它完成無功功率(功率因數)的測量及分析,進而控製無觸點開關的投切,同時還可完成過壓、欠壓、功率因數等參數的存貯和顯示。TSC補償裝置操作無湧流,跟蹤響應快,並具有各種保護功能,值得大力推廣。
2.靜止無功發生器(SVG)
靜止無功發生器(SVG)又稱靜止同步補償器(STATCOM),是采用GTO構成的自換相變流器,通過電壓電源逆變技術提供超前和滯後的無功,進行無功補償,若控製方法得當,SVG在補償無功功率的同時還可以對諧波電流進行補償。其調節速度更快且不需要大容量的電容、電感等儲能元件,諧波含量小,同容量占地麵積小,在係統欠壓條件下無功調節能力強,是新一代無功補償裝置的代表,有很大的發展前途。
3.電力有源濾波器
電力有源濾波器是運用瞬時濾波形成技術,對包含諧波和無功分量的非正弦波進行“矯正”。因此,電力有源濾波器有很快的響應速度,對變化的諧波和無功功率都能實施動態補償,並且其補償特性受電網阻抗參數影響較小。
電力有源濾波器的交流電路分為電壓型和電流型。目前實用的裝置90%以上為電壓型。從與補償對象的連接方式來看,電力有源濾波器可分為並聯型和串聯型。並聯型中有單獨使用、LC濾波器混合使用及注入電路方式,目前並聯型占實用裝置的大多數。
4.綜合潮流控製器
綜合潮流控製器(unified power flowcontroller,UPFC)將一個由晶閘管換流器產生的交流電壓串入並疊加在輸電線相電壓上,使其幅值和相角皆可連續變化,從而實現線路有功和無功功率的準確調節,並可提高輸送能力以及阻尼係統振蕩。UPFC注入係統的無功是其本身裝置控製和產生的,並不大量消耗或提供有功功率。UPFC技術是目前電力係統輸配電技術的*新發展方向,對電網規劃建設和運行將帶來重要的影響。
由於性價比較高,目前我國廣泛使用的還是靜止無功補償裝置。其中,能夠進行無功功率動態補償的基於智能控製策略的TSC仍然需要大力推廣。實際上,國內外對靜止無功補償裝置的研究仍在繼續,研究的重點集中在控製策略上,試圖借助於人工智能提高靜止無功補償裝置的性能。隨著大功率電力電子器件技術的高速發展,未來的功率器件容量將逐步提高,應用有源濾波器進行諧波抑製,以及應用柔**流輸電係統技術進行無功功率補償,必將成為今後電力自動化係統的發展方向。
