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无功功率补偿装置的主要作用是:提高负载和系统的功率因数,减少设备的功率损耗,稳定电压,提高供电质量。在长距离输电中,提高系统输电稳定性和输电能力,平衡三相负载的有功和无功功率等。
一、无功功率补偿的作用
1、改善功率因数及相应地减少电费
根据国家水电部,物价局颁布的“功率因数调整电费办法”规定三种功率因数标准值,相应减少电费:
(1)高压供电的用电单位,功率因数为0.9以上。
(2)低压供电的用电单位,功率因数为0.85以上。
(3)低压供电的农业用户,功率因数为0.8以上。
2、降低系统的能耗
功率因数的提高,能减少线路损耗及变压器的铜耗。
设R为线路电阻,ΔP1为原线路损耗,ΔP2为功率因数提高后线路损耗,则线损减少
ΔP=ΔP1-ΔP2=3R(I12-I22)(1)
比原来损失减少的百分数为
(ΔP/ΔP1)×100%=1-(I2/I1)2.100%(2)
式中,I1=P/(3 U1cosφ1),I2=P/(3 U2cosφ2)补偿后,由于功率因数提高,U2>U1,为分析方便,可认为U2≈U1,则
θ=[1-(cosφ1/cosφ2)2].100%(3)
当功率因数从0.8提高至0.9时,通过上式计算,可求得有功损耗降低21%左右。在输送功率P= 3UIcosφ不变情况下,cosφ提高,I相对降低,设I1为补偿前变压器的电流,I2为补偿后变压器的电流,铜耗分别为ΔP1,ΔP2;铜耗与电流的平方成正比,即
ΔP1/ΔP2=I22/I12
由于P1=P2,认为U2≈U1时,即
I2/I1=cosφ1/cosφ2
可知,功率因数从0.8提高至0.9时,铜耗相当于原来的80%。
3、减少了线路的压降
由于线路传送电流小了,系统的线路电压损失相应减小,有利于系统电压的稳定(轻载时要防止超前电流使电压上升过高),有利于大电机起动。
二、我国电力系统无功补偿的现状
近年来,随着国民经济的跨越式发展,电力行业也得到快速发展,特别是电网建设,负荷的快速增长对无功的需求也大幅上升,也使电网中无功功率不平衡,导致无功功率大量的存在。目前,我国电力系统无功功率补偿主要采用以下几种方式:
1.同步调相机:同步调相机属于早期无功补偿装置的典型代表,它虽能进行动态补偿,但响应慢,运行维护复杂,多为高压侧集中补偿,目前很少使用。
2.并补装置:并联电容器是无功补偿领域中应用最广泛的无功补偿装置,但电容补偿只能补偿固定的无功,尽管采用电容分组投切相比固定电容器补偿方式能更有效适应负载无功的动态变化,但是电容器补偿方式仍然属于一种有级的无功调节,不能实现无功的平滑无级的调节。
3.并联电抗器:目前所用电抗器的容量是固定的,除吸收系统容性负荷外,用以抑制过电压。
以上几种补偿方式在运行中取得一定的效果,但在实际的无功补偿工作中也存在一些问题:
1.补偿方式问题:目前很多电力部门对无功补偿的出发点就地补偿,不向系统倒送无功,即只注意补偿功率因素,不是立足于降低系统网的损耗。
2.谐波问题:电容器具有一定的抗谐波能力,但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响,甚至造成电容器的过早损坏;并且由于电容器对谐波有放大作用,因而使系统的谐波干扰更严重。
3.无功倒送问题:无功倒送在电力系统中是不允许的,特别是在负荷低谷时,无功倒送造成电压偏高。
4.电压调节方式的补偿设备带来的问题:有些无功补偿设备是依据电压来确定无功投切量的,线路电压的波动主要由无功量变化引起的,但线路的电压水平是由系统情况决定的,这就可能出现无功过补或欠补。
三、无功功率补偿技术的发展趋势
根据上述我国无功功率补偿的情况及出现的问题,今后我国的无功功率补偿的发展方向是:无功功率动态自动无级调节,谐波抑制。
1.基于智能控制策略的晶闸管投切电容器(TSC)补偿装置
将微处理器用于TSC,可以完成复杂的检测和控制任务,从而使动态补偿无功功率成为可能。基于智能控制策略的TSC补偿装置的核心部件是控制器,由它完成无功功率(功率因数)的测量及分析,进而控制无触点开关的投切,同时还可完成过压、欠压、功率因数等参数的存贮和显示。TSC补偿装置操作无涌流,跟踪响应快,并具有各种保护功能,值得大力推广。
2.静止无功发生器(SVG)
静止无功发生器(SVG)又称静止同步补偿器(STATCOM),是采用GTO构成的自换相变流器,通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功,进行无功补偿,若控制方法得当,SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿。其调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件,谐波含量小,同容量占地面积小,在系统欠压条件下无功调节能力强,是新一代无功补偿装置的代表,有很大的发展前途。
3.电力有源滤波器
电力有源滤波器是运用瞬时滤波形成技术,对包含谐波和无功分量的非正弦波进行“矫正”。因此,电力有源滤波器有很快的响应速度,对变化的谐波和无功功率都能实施动态补偿,并且其补偿特性受电网阻抗参数影响较小。
电力有源滤波器的交流电路分为电压型和电流型。目前实用的装置90%以上为电压型。从与补偿对象的连接方式来看,电力有源滤波器可分为并联型和串联型。并联型中有单独使用、LC滤波器混合使用及注入电路方式,目前并联型占实用装置的大多数。
4.综合潮流控制器
综合潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)将一个由晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相电压上,使其幅值和相角皆可连续变化,从而实现线路有功和无功功率的准确调节,并可提高输送能力以及阻尼系统振荡。UPFC注入系统的无功是其本身装置控制和产生的,并不大量消耗或提供有功功率。UPFC技术是目前电力系统输配电技术的最新发展方向,对电网规划建设和运行将带来重要的影响。
由于性价比较高,目前我国广泛使用的还是静止无功补偿装置。其中,能够进行无功功率动态补偿的基于智能控制策略的TSC仍然需要大力推广。实际上,国内外对静止无功补偿装置的研究仍在继续,研究的重点集中在控制策略上,试图借助于人工智能提高静止无功补偿装置的性能。随着大功率电力电子器件技术的高速发展,未来的功率器件容量将逐步提高,应用有源滤波器进行谐波抑制,以及应用柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿,必将成为今后电力自动化系统的发展方向。