電壓型無功補(bǔ)償研究與應(yīng)用

姜春玲，羅 寧，楚德全，秦興中，江愛偉

(1.泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，山東泰安 271021;2.山東華聚能源股份有限公司，山東鄒城 273500)

華聚能源濟(jì)二電廠共有110KV母線一段和6KV母線兩段，6KV母線采用單母線分段式接線，兩臺(tái)1.5萬千瓦發(fā)電機(jī)組，1#機(jī)組經(jīng)1#隔離變及電抗器通過兩條6KV聯(lián)絡(luò)線供電至濟(jì)二礦變電所，2#機(jī)組經(jīng)2#主變供電至電網(wǎng)，正常運(yùn)行方式為6KV母線各段分列運(yùn)行.由于隔離變和電抗器為高阻抗負(fù)荷，無功損耗較大，其無功消耗占1#機(jī)組廠用電的一半以上，造成1#機(jī)組長(zhǎng)期無法保證輸出電力的功率因數(shù)在正常的范圍內(nèi)，輸出無功不足.因此為了維持發(fā)電機(jī)出口電壓的穩(wěn)定，提高供電電壓質(zhì)量，降低發(fā)電成本，針對(duì)濟(jì)二電廠的實(shí)際，決定實(shí)施無功補(bǔ)償，以保證安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.

1 無功補(bǔ)償?shù)母拍?/h2>

無功功率和有功功率一樣是輸配電網(wǎng)中不可缺少的組成部分，無功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)載系統(tǒng)的正常運(yùn)行是十分重要、也是必需的.

供配電系統(tǒng)中，絕大部分用電都具有電感特性，它們都需要從供電系統(tǒng)吸收無功功率.因此，當(dāng)供電系統(tǒng)提供的無功功率不足時(shí)，就要設(shè)法產(chǎn)生無功功率，即無功補(bǔ)償.

無功補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕?

(1)提高供電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低輸電線路及用電設(shè)備的容量和負(fù)荷，減少功率消耗.

(2)穩(wěn)定用電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量，增加輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力.

(3)平衡三相負(fù)荷，減小無功功率對(duì)電網(wǎng)的沖擊.

2 各種無功補(bǔ)償類型對(duì)比

2.1 同步調(diào)相機(jī)

相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，在過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，它可作為無功電源向系統(tǒng)供給感性無功功率;在欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，它可作為無功功率負(fù)荷從系統(tǒng)吸收感性無功功率.由于它是轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，存在3個(gè)缺點(diǎn):

(1)安裝投資大;(2)運(yùn)行費(fèi)用高;(3)檢修費(fèi)用大，時(shí)間長(zhǎng).

2.2 固定電容器組

其特點(diǎn)是投資相對(duì)較少，但容量不能適時(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)無功的需要，經(jīng)常出現(xiàn)過補(bǔ)或欠補(bǔ)的現(xiàn)象［2］.

2.3 分組投切電容器(VQC)

即把固定電容器組分成若干小電容器組，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)無功的需要分別投入或切除.其主要缺點(diǎn)有: (1)分組容量不能過細(xì)，仍不能完全適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)無功變化的要求;(2)分組投切引起的涌流和過電壓嚴(yán)重影響電容器及系統(tǒng)的安全;(3)目前國(guó)內(nèi)外沒有適合頻繁投切的高壓開關(guān)，開關(guān)需要經(jīng)常檢修和更換，不能保證系統(tǒng)安全;(4)電容器退出系統(tǒng)后必須放電，才能重新投入使用，因此需要足夠的延時(shí)，不能適時(shí)投切.

2.4 靜止補(bǔ)償器(SVC)

SVC是將感性、容性無功源組合在一起，通過晶閘管控制電容或電抗改變其無功輸出滿足系統(tǒng)要求.其特點(diǎn)是控制范圍大，可以從感性到容性變化.缺點(diǎn)是:(1)造價(jià)貴;(2)運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用高; (3)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波，對(duì)電網(wǎng)造成污染.

2.5 電壓型無功補(bǔ)償裝置

可自動(dòng)跟蹤電力系統(tǒng)功率因數(shù)，根據(jù)測(cè)量的系統(tǒng)功率因數(shù)和設(shè)定值的偏差，來調(diào)節(jié)電容器端電壓改變補(bǔ)償容量，不是采用傳統(tǒng)的投切電容器法，解決了電容器投切中產(chǎn)生過電壓、涌流等問題，是一種實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)方式.可以大幅度降低線損，提高無功管理水平.

3 電壓型無功自動(dòng)調(diào)節(jié)原理

對(duì)于110kV以下的電網(wǎng)主要是容性無功不足的問題，因此可以用調(diào)節(jié)電容器無功出力的大小來解決.根據(jù)計(jì)算電容器無功輸出功率的公式Q=πf/CU2［3］，可以看出，改變頻率f、電容量C或者電壓U，都可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電容器無功出力的目的.前面提到的固定電容器組和分組投切電容器都是采用的改變電容量C的方法，可以看到這種方法有缺陷;改變頻率的方法國(guó)外才剛剛出現(xiàn)，不太容易實(shí)現(xiàn);而用改變電容器端電壓U的方法來對(duì)電容器無功出力進(jìn)行調(diào)節(jié)是可以實(shí)現(xiàn)的.

圖1 電壓型無功補(bǔ)償原理框圖

電壓型無功補(bǔ)償原理如圖1.主要有三部分組成:電力電容器、電壓調(diào)節(jié)器、控制器.電力電容器是容性無功源;電壓調(diào)節(jié)器為電力電容器連接母線的前端設(shè)備，接收來自微機(jī)控制器的控制指令，調(diào)節(jié)電容器端電壓，從而改變電容器的無功輸出容量，以滿足系統(tǒng)無功需求;控制器由PT和CT輸入系統(tǒng)電壓和電流，計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)，按最佳設(shè)定要求控制電壓調(diào)節(jié)器輸出電壓，調(diào)節(jié)電容器無功出力，同時(shí)控制主變電壓分接開關(guān)，保證系統(tǒng)電壓、無功始終運(yùn)行在設(shè)定范圍內(nèi)，確保電壓質(zhì)量符合要求［4］.

由于系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)是相互影響、密切相關(guān)的，一般情況下僅調(diào)整其中一項(xiàng)是不能滿足要求的，因此要根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)電壓和無功輸出的調(diào)整作綜合考慮.系統(tǒng)狀態(tài)分類如圖2［2］，其中縱軸為系統(tǒng)電壓U，橫軸為功率因數(shù)cos.依所整定的系統(tǒng)電壓上、下限和功率因數(shù)上、下限共分為9個(gè)工作區(qū)，其中第9區(qū)為正常工作區(qū)，系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)均滿足要求.其余8個(gè)區(qū)均至少有一項(xiàng)不滿足要求，需要按一定的原則進(jìn)行調(diào)整.調(diào)整原則如表1.

圖2 系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)分類

表1 電壓無功自動(dòng)調(diào)節(jié)原則表

4 實(shí)際應(yīng)用

查閱華聚能源濟(jì)二電廠系統(tǒng)運(yùn)行記錄，以及原始設(shè)計(jì)，并通過認(rèn)真調(diào)研分析，確定實(shí)施方案為:在6kV I段進(jìn)行無功補(bǔ)償，采用電壓型無功補(bǔ)償裝置，提高無功輸出.一次系統(tǒng)接線圖如圖3所示.

圖3 一次系統(tǒng)接線圖

功率因數(shù)采樣點(diǎn)的選取在電廠聯(lián)絡(luò)線，即605或606開關(guān)處，以任一聯(lián)絡(luò)線的功率因數(shù)做為調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的依據(jù).電壓調(diào)節(jié)器輸出電壓為母線額定電壓的100%～60%，分九檔輸出，每檔調(diào)節(jié)額定電壓5%.通過計(jì)算選擇電容器固定投入容量為2400KVar，其無功輸出容量為100%～36%額定容量.

無功補(bǔ)償裝置自投入運(yùn)行以來，補(bǔ)償效果良好，已完全達(dá)到預(yù)期的效果，可以把功率因數(shù)控制在規(guī)定范圍內(nèi).增加無功補(bǔ)償裝置后，每年能為電廠減少功率因數(shù)罰款200萬元.

5 結(jié)束語

電壓無功自動(dòng)調(diào)節(jié)是將傳統(tǒng)電壓無功補(bǔ)償方式的電容器“有級(jí)投切”，改為對(duì)無功功率的“無級(jí)調(diào)整”，大大提高了無功補(bǔ)償精度和實(shí)時(shí)性.通過調(diào)整電壓調(diào)節(jié)裝置而調(diào)整電容器端電壓，從而調(diào)整電容器的無功輸出功率，以達(dá)到補(bǔ)償系統(tǒng)無功的目的.由于電容器是固定接入，不存在放電問題，不需要調(diào)整延時(shí)，電壓實(shí)時(shí)分級(jí)調(diào)節(jié)，每次調(diào)節(jié)電容器端電壓的變化量比較小.因此，可以實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的無功變化而調(diào)整電容器的無功輸出.另外，由于調(diào)整過程中不存在過電壓，故可有效地延長(zhǎng)系統(tǒng)中元件的使用壽命［1］.從華聚能源濟(jì)二電廠的無功改造來看，電壓型無功補(bǔ)償能把功率因數(shù)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，提高了供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和電網(wǎng)的供電能力.

［1］羅寧.煤礦電力系統(tǒng)電壓無功補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法［J］.中州煤炭，2007，(3).

［2］宋玉鵬，田景美.WZT型變電站電壓無功自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的應(yīng)用［J］.科技信息，2009，(9).

［3］高麗，羅寧.電壓無功自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的研制及應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2007，(9).

［4］王國(guó)志，張?jiān)簦?新型高壓無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置的應(yīng)用［J］.內(nèi)江科技，2009，(3).