浅析电力系统的无功补偿

潘　睿

摘要:电力系统公用电网中出现的无功功率,是电网本身的运行规律所决定,但它给电网运行带来了许多麻烦。无功功率是一种既不能作有功,但又会在电网中引起损耗,而且又是不能缺少的一种功率。

关键词:电力系统;自动补偿

在实际电力系统中,异步电动机作为传统的主要负荷使电网产生感性无功电流;电力电子装置大多数功率因数都很低,导致电网中出现大量的无功电流。无功电流产生无功功率,给电网带来额外负担且影响供电质量。因此,无功功率补偿(以下简称无功补偿)就成为保持电网高质量运行的一种主要手段之一,这也是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临发展的一个重大课题,且正在受到越来越多的关注。

1 分相自动补偿的必要性

无功自动补偿按性质分为三相电容自动补偿和分相电容自动补偿。

三相电容自动补偿适用于三相负载平衡的供配电系统。因三相回路平衡,回路中无功电流相同,所以在补偿时,调节无功功率参数的信号取自三相中的任意一相,根据检测结果,三相同时投切可保证三相电压的质量。三相电容自动补偿适用于有大量的三相用电设备的厂矿企业中。

在民用建筑中大量使用的是单相负荷,照明、空调等由于负荷变化的随机性大,容易造成三相负载的严重不平衡,尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。由于调节补偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相,造成未检测的两相要么过补偿,要么欠补偿。如果过补偿,则过补偿相的电压升高,造成控制、保护元件等用电设备因过电压而损坏;如果欠补偿,则补偿相的回路电流增大,线路及断路器等设备由于电流的增加而导致发热被烧坏。这种情况下用传统的三相无功补偿方式,不但不节能,反而浪费资源,难以对系统的无功补偿进行有效补偿,补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来了严重的危害。

对于三相不平衡及单相配电系统采用分相电容自动补偿是解决上述问题的一种较好的办法,其原理是通过调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相,根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿,对其它相不产生相互影响,故不会产生欠补偿和过补偿的情况。

该装置的控制模块和数据采集模块采用新型单片机和大规模集成电路,开关模块采用大功率晶闸管,实现电容器组的零电压投入和零电流切除,无合闸浪涌电流冲击,无火花和谐波干扰。

智能三相自动无功补偿能自动检测各相负载的功率因数,同时自动分相投入各相所需的电容补偿量,以使各相的无功功率补偿达到最佳状态,对于大量使用单相用电负荷,易产生三相不平衡的用电单位如住宅小区、宾馆、饭店、大型商场等民用建筑的配电系统有改善功率因数、提高电网效率、改善电压质量、节约用电、增大变压器有功容量等显著效果,较大程度满足了“电网绿化”的要求。

2 分组电容自动补偿的应用在低压电网中大量的用电设备为电感性,尤其是在大面积、大开间的商场、办公楼等

日常生活和办公场所,大都会采用发光效果好的荧光灯进行人工照明。荧光灯具有光效好、寿命长、无污染等特点,属绿色光源。目前,民用建筑工程中大量使用电感型镇流器荧光灯,它具有成本低、寿命长、维修工作量少、投资少等优点,但其启动时间长,功率因数低,约为0.5～0.6,自身损耗大,加大了供配电系统网络损耗,造成了能源的浪费。

3 通过电容补偿的方式来解决大面积商场、办公楼的感性负荷功率因数低的问题是目前设计中常用的方法。

我们在设计中通常的做法有两种:在变配电所设置集中高压或低压补偿柜,对系统前端进行补偿,虽能满足供电部门对并网功率因数的要求,但对以下各级分支电路不作补偿,因此低压配电线路中无功电流大,从而造成线路截面和配电开关容量不能减小,且不能保证整个低压系统的供电质量;另一种做法是在每台用电设备或每盏照明灯具内设置电容器个别单独进行补偿,这种方式效果较好,对于厂矿企业使用的单台大容量用电设备比较适用,但对于大型商场等民用建筑来说,补偿投资成本太大,性价比低,安装分散,造成后期维修量大、维修困难,且电容器利用率低,实际应用并不理想,所以很少采用。设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法,目前在国内外均获广泛应用。电容器与网络感性负荷并联,以并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点,但其阻抗是固定的,故不能跟踪负荷无功需求的变化,即不能实现对无功功率的动态补偿。

随着电力系统的发展,要求对无功功率进行动态补偿,从而产生了同步调相机(Synchronous Condenser—SC)。它是专门用来产生无功功率的同步电机,在过励磁或欠励磁的情况下,能够分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自20世纪2、30年代以来的几十年中,同步调相机在电力系统中作为有源的无功补偿曾一度发挥着主要作用,所以被称为传统的无功动态补偿装置。然而,由于它是旋转电机,运行中的损耗和噪声都比较大,运行维护复杂,而且响应速度慢,难以满足快速动态补偿的要求。

20世纪70年代以来,同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置(Static Var Compensator—SVC)所取代,目前有些国家已不再使用同步调相机。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器(Saturated Reactor—SR)型的,1967年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功补偿装置。饱和电抗器比之同步调相机具有静止、响应速度快等优点;但其铁芯需磁化到饱和状态,因而损耗和噪声还是很大,而且存在非线性电路的一些特殊问题,又不能分相调节以补偿负荷的不平衡,所以未能占据主流。

电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用,将晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了晶闸管的静止无功补偿装置。1978年此类装置投入实际运行。随后,世界各大电气公司都竟相推出了各具特色的系列产品。近10多年来,占据了静止无功补偿装置的主导地位。于是静止无功补偿装置(SVC)成了专指使用晶闸管的静止无功补偿装置,包括晶闸管控制电抗器(Thyristor ontrolled Reactor--TCR)和晶闸管投切电容器(Thyistor Switched Capactor—TSC),以及这两者的混合装置(TCR+TSC),或者TCR与固定电容器(Fixed Capacitor—FC)或机械投切电容器(Mechanically Switched Capacitor—MSC)混合使用的装置(即TCR+FC、TCR+MSC)等。

随着电力电子技术的进一步发展,20世纪80年代以来,一种更为先进的静止型无功补偿装置出现了,这就是采用自换相变流电路的无功补偿,有人称为静止无功发生器(Static Var Generator—SVG),也有人称其为高级静止无功补偿器(Advanced Static Var Compensator—ASVC)或静止调相器(Static Condenser—STATCON)。最近,日本和美国已分别有数台SVG装置投入实际运行。

目前,除对SVC和SVG的无功补偿进一步的探讨外,人们还研究用于动态无功补偿的其他各种形式的静止变流器,包括赌流型自换相桥式电路,交-交变频电路以及交流斩波电路等,直至最近,美国电力研究院还提出统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller—UPFC)。事实上,SVC、SVG和UPEC都是柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System—FACTS)中的器件。所谓柔性交流输电系统,是20世纪80年代以来由美国电力研究院提出的一个崭新概念,其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中,以增强对电力系统的控制能力,提高原有电力系统的输电能力。