蔣作權(quán)
(蕪湖融匯化工有限公司,安徽 蕪湖241022)
電壓質(zhì)量對電網(wǎng)穩(wěn)定及電力設(shè)備安全運(yùn)行、線路損失、工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、用電單耗和人民生活用電都有直接影響。無功功率是影響電壓質(zhì)量的一個重要因素,電壓質(zhì)量與無功是密不可分的,電壓問題本質(zhì)上就是一個無功問題。解決好無功補(bǔ)償和諧波問題,對穩(wěn)定電壓、節(jié)能降耗具有十分重要的意義。
電壓是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)。電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平與無功功率的平衡密切相關(guān):電力系統(tǒng)的無功電源比較充足,系統(tǒng)就有較高的運(yùn)行電壓水平;反之,無功不足就反映為運(yùn)行電壓水平偏低。因此,應(yīng)該力求實(shí)現(xiàn)在額定電壓下的電力系統(tǒng)無功功率的平衡。
電力系統(tǒng)中大量的負(fù)荷需要無功,如變壓器和電動機(jī),同時網(wǎng)絡(luò)元件也會有無功功率損耗。因此,電源所發(fā)出的無功功率在任何時刻都必須滿足負(fù)荷所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功功率損耗。這就要保持電力系統(tǒng)無功功率的平衡,否則電壓就會離額定值[1]。
電力系統(tǒng)中的無功電源,除了發(fā)電機(jī)外,還有同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器裝置、靜止無功補(bǔ)償器和靜止同步補(bǔ)償器,后4 種裝置稱為無功補(bǔ)償裝置。
發(fā)電機(jī)既是唯一的有功電源,同時也是最基本的無功電源。在不影響有功功率平衡的前提下,改變發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)(通過改變勵磁電流),可以調(diào)節(jié)其無功功率的輸出,從而調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行電壓。當(dāng)然,發(fā)電機(jī)的無功功率輸出要受其P—Q 運(yùn)行極限的限制。改變發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的功率因數(shù)時,要注意到發(fā)電機(jī)運(yùn)行的條件約束。
同步調(diào)相機(jī)實(shí)質(zhì)上是只發(fā)無功功率的同步發(fā)電機(jī),在過勵磁運(yùn)行時向系統(tǒng)供給感性無功功率成為無功電源;在欠勵磁運(yùn)行時從系統(tǒng)吸取感性無功功率成為無功負(fù)荷。因此改變同步調(diào)相機(jī)的勵磁,可以平滑地改變其輸出(或吸收)的無功功率,從而平滑地調(diào)節(jié)所在地區(qū)電壓。
同步調(diào)相機(jī)是早期的無功功率補(bǔ)償方法,已實(shí)際應(yīng)用數(shù)十年,在電壓和無功功率控制中發(fā)揮了非常重要的作用,同步調(diào)相機(jī)不僅能補(bǔ)償固定的無功功率,對變化的無功功率也能進(jìn)行動態(tài)的連續(xù)補(bǔ)償,而且對于容性、感性無功功率均能起到補(bǔ)償?shù)淖饔?。但由于其自身的諸多缺點(diǎn),使其應(yīng)用越來越少,目前已基本遭淘汰,被新的補(bǔ)償方式所取代。
并聯(lián)電容器及其裝置,只能向系統(tǒng)供給感性無功功率,而不能吸收無功功率,它所供出的感性無功率QC與所在節(jié)點(diǎn)的電壓U 的平方成正比,即
在各種無功功率補(bǔ)償方法中,并聯(lián)電容器由于其簡單的結(jié)構(gòu),方便、靈活的安裝方法,較低的運(yùn)行費(fèi)用和低廉的產(chǎn)品價格等方面的特點(diǎn),已使其成為當(dāng)今無功功率補(bǔ)償技術(shù)中使用的主導(dǎo)產(chǎn)品。尤其是隨著電容器制造技術(shù)的日益成熟,其質(zhì)量水平、壽命等級、安全運(yùn)行可靠性等指標(biāo)得以大大提高;品種、規(guī)格也越來越齊全,為補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)和制作帶來了極大的便利。故由其為主體制作的各種電容器補(bǔ)償和濾波成套裝置的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛,已逐步取代了傳統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)。
靜止無功補(bǔ)償裝置(靜止補(bǔ)償器SVC)是一種技術(shù)先進(jìn)、調(diào)節(jié)性能好的動態(tài)無功功率補(bǔ)償設(shè)備,主要由并聯(lián)電容器組、可調(diào)電抗器及檢測與控制系統(tǒng)3 部分組成。
由并聯(lián)電容器與相控電抗器并聯(lián)組成。電容器可發(fā)出無功功率,電抗器可吸收無功功率,兩者結(jié)合起來,再配以調(diào)控電抗器的電力電子調(diào)節(jié)裝置,就成為能夠平滑改變輸出或吸收無功功率的靜止補(bǔ)償器[1]。
靜止同步補(bǔ)償器,又名靜止無功發(fā)生器SVG。由于其開關(guān)器件為IGBT,所以其動態(tài)補(bǔ)償效果是早期的同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器等無功補(bǔ)償裝置不能比擬的,靜止同步補(bǔ)償前以其較低諧波,較高的效率,較快速的動態(tài)響應(yīng),成為現(xiàn)代柔性交流輸電系統(tǒng)中的重要設(shè)備。該裝置主要用來補(bǔ)償電網(wǎng)中頻繁波動的無功功率,抑制電網(wǎng)閃變和諧波,提高電網(wǎng)的功率因數(shù),改善配電網(wǎng)的供電質(zhì)量和使用效率,進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)損耗,有利于延長輸電線路的使用壽命。
引起供電線路電壓偏移的直接原因是線路和變壓器的電壓損耗,若能減少網(wǎng)絡(luò)的電壓損耗,電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量就會不同程度地得到改善。電壓損耗近似等于電壓降落的縱分量,即,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)R、X 和運(yùn)行電壓U 確定時,影響電壓損耗大小的因素就是通過網(wǎng)絡(luò)的有功功率P 和無功功率Q。眾所周知,建立電力網(wǎng)的目的就是為了最大限度地輸送有功功率,因而為了減少電壓損耗而改變有功功率分布或減少有功功率的輸出是不合理的。從改善電壓質(zhì)量和降低網(wǎng)絡(luò)功率損耗考慮,應(yīng)該盡量減少通過電網(wǎng)元件長距離和跨電壓級傳送無功功率,負(fù)荷所需的無功功率應(yīng)盡量就地供應(yīng)[1]。因此,在電力用戶處合理地配置無功補(bǔ)償容量,可以改變網(wǎng)絡(luò)通過的無功功率,減少網(wǎng)絡(luò)中的電壓損耗,從而改善用戶處的電壓質(zhì)量[1]。
廠礦、企業(yè)都采用并聯(lián)電容器補(bǔ)償,就是把電容器直接與被補(bǔ)償設(shè)備并接到同一電路上,以提高功率因數(shù)cos φ。電容器作為補(bǔ)償裝置,具有安裝方便、建設(shè)周期短、造價低、運(yùn)行維護(hù)簡便、自身損耗?。縦var 功率損耗約為0.3%~0.5%)等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前國內(nèi)外廣泛采用的補(bǔ)償方法。
對供電公司來說,功率因數(shù)是衡量電能利用率的重要標(biāo)志之一。功率因數(shù)低就是電源提供的電能質(zhì)量低,同時也意味著用電設(shè)備可用的有效功率低,會增加系統(tǒng)電路上的損耗。因此,供電公司對功率因數(shù)采取獎罰措施。
(1)1996 年4 月1 日施行的《供用電營業(yè)規(guī)則》第四十一條規(guī)定:無功電力應(yīng)就地平衡。用戶應(yīng)在提高用電自然功率因數(shù)的基礎(chǔ)上,按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和安裝無功補(bǔ)償設(shè)備,并做到隨其負(fù)荷和電壓變動及時投入或切除,防止無功電力倒送。
除電網(wǎng)有特殊要求的用戶外,用戶在當(dāng)?shù)毓╇娖髽I(yè)規(guī)定的電網(wǎng)高峰負(fù)荷時的功率因數(shù),100 kVA及以上高壓供電的用戶功率因數(shù)為0.90 以上。凡功率因數(shù)不能達(dá)到上述規(guī)定的新用戶,供電企業(yè)可拒絕接電。功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法按國家規(guī)定執(zhí)行。
(2)安徽電網(wǎng)的電費(fèi)構(gòu)成和功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法。安徽電網(wǎng)的電費(fèi)構(gòu)成是:大工業(yè)電費(fèi)=基本電費(fèi)+電量電費(fèi)+功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)。基本電費(fèi)有2 種方式:一種按接入電網(wǎng)的變壓器總?cè)萘浚ā?15 kVA)按月收??;另一種按電費(fèi)計(jì)量點(diǎn)的最大需用負(fù)荷按月收取。
根據(jù)《安徽省電價說明》,電量電費(fèi)按峰、谷、平的實(shí)際電量乘以相應(yīng)單價收取。 功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)=(基本電費(fèi)+電量電費(fèi))×功率因數(shù)調(diào)整系數(shù)%。大工業(yè)用戶功率因數(shù)調(diào)整系數(shù)%規(guī)定見表1。
表1 大工業(yè)用戶功率因數(shù)調(diào)整系數(shù)%規(guī)定
因此,對于大工業(yè)用戶來說,若功率因數(shù)達(dá)到0.95及以上,只要幾個月的獎勵電費(fèi)就能收回電容補(bǔ)償裝置的投資。合理配置電容器不但獲得了供電公司的電費(fèi)獎勵;更重要的是,提高了變壓器和電動機(jī)的有功出力、減少了線路和變壓器的電能損失和電壓損失,獲得了看不見的經(jīng)濟(jì)效益。
在交流電路中,純電阻電路,負(fù)載中的電流I˙R與電壓U˙同相位;純電感負(fù)載中的電流I˙L滯后電壓90°;純電容的電流I˙C超前于電壓U˙90°。電容中的電流與電感中的電流相差180°,能夠互相抵消。電力系統(tǒng)中的負(fù)載,大都是感性的,因此總電流I1將滯后電壓一個角度α1,如果將電容器與負(fù)載并聯(lián),則電容器的電流IC將抵消一部分電感電流,從面使電感電流IL減小到IL,總電流從I1減小到I,功率因數(shù)則從cos α1提高到cos α2,這就是并聯(lián)補(bǔ)償?shù)脑怼k娙菅a(bǔ)償原理見圖1。
圖1 電容補(bǔ)償電路原理圖
按提高功率因數(shù)確定補(bǔ)償容量的方法簡單明確,為國內(nèi)外所通用。根據(jù)功率補(bǔ)償圖中的功率之間的向量關(guān)系,可求出無功補(bǔ)償容量QC:
式中:QC—所需補(bǔ)償容量,kvar;P—最大負(fù)荷月的平均有功功率,kW;tg α1、P tg α2—補(bǔ)償前后功率因數(shù)角的正切值;cos2α1、cos2α2—補(bǔ)償前后功率因數(shù)值。
集中補(bǔ)償均采取此方法進(jìn)行計(jì)算。
按感應(yīng)電動機(jī)的空載電流確定補(bǔ)償容量。感應(yīng)電動機(jī)個別補(bǔ)償時,應(yīng)按其空載電流確定補(bǔ)償容量,其計(jì)算公式為:
Ue—電動機(jī)的額定電壓,kV;
I0—電動機(jī)的空載電流,A。
由于一般感應(yīng)電動機(jī)的空載電流I0約占額定電流的25%~40%,因此,單臺電動機(jī)的無功補(bǔ)償容量為相應(yīng)為其額定功率的25%~40%。
無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償類型的選擇是最重要的環(huán)節(jié),選型正確與否直接影響補(bǔ)償裝置的效率和可靠性。補(bǔ)償類型的關(guān)鍵選型依據(jù)是系統(tǒng)的諧波污染程度,由于配電系統(tǒng)中非線性負(fù)載越來越多的被使用,其帶來的諧波污染問題日益嚴(yán)重,而無功補(bǔ)償電容器是配電設(shè)備中受諧波危害最大的設(shè)備之一,諧波不僅會造成電容器過載,乏值降低,縮短使用壽命,還可能造成電網(wǎng)諧振,發(fā)生嚴(yán)重的電氣事故,另外,不正確的補(bǔ)償類型選擇還會造成諧波放大,進(jìn)一步加劇配電網(wǎng)諧波污染程度。因此,必須根據(jù)諧波污染程度選擇正確的無功補(bǔ)償和濾波裝置。
低壓自動無功補(bǔ)償裝置按電容器組投切方式分為:接觸器投切電容器,晶閘管投切電容器(TSC)和復(fù)合開關(guān)投切電容器。
(1)利用接觸器進(jìn)行投切電容器,響應(yīng)時間為10~30 s。適用于無功量比較穩(wěn)定,不需頻繁投切電容補(bǔ)償?shù)膱龊?,由于響?yīng)速度慢,接觸器開關(guān)壽命短,正在逐步退出市場;
(2)利用晶閘管進(jìn)行投切電容器,由于采用過零投切原理,TSC 開關(guān)響應(yīng)時間為10~20 ms,適用于快速頻繁投切電容補(bǔ)償?shù)膱龊希?/p>
(3)復(fù)合開關(guān)投切電容器,復(fù)合開關(guān)的工作原理是將晶閘管和繼電器并聯(lián),晶閘管過零時投切電容器,在正常接通期間由接觸器接通。利用復(fù)合開關(guān)進(jìn)行投切電容器,在0.5 s 內(nèi)能完全自動跟蹤調(diào)節(jié)投切。適用于一般工廠、小區(qū)低壓供電;
(4)智能電力電容器,采用模塊化結(jié)構(gòu),將控制部分,投切開關(guān)、電容器3 部分組成一個整體,在結(jié)構(gòu)上突破了現(xiàn)有低壓無功補(bǔ)償設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了分散控制、集中管理的新模式。分散控制的實(shí)時投切增加了補(bǔ)償系統(tǒng)的穩(wěn)定性,過零控制減少涌流對系統(tǒng)電壓的沖擊,對穩(wěn)定系統(tǒng)電網(wǎng)、降低設(shè)備損耗和提高電容器的使用壽命,并對節(jié)能環(huán)保意義重大,適應(yīng)了現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>
主要適用范圍于3~66 kV 高壓系統(tǒng),根據(jù)電網(wǎng)功率因數(shù)和系統(tǒng)電壓分級投切電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償。裝置主要元器件有高壓無功補(bǔ)償控制器、高壓電力電容器、 串聯(lián)電抗器和高壓交流真空接觸器等,串接一定電抗率的電抗器主要抑制合閘涌流,抑制或消除諧波對用戶的干擾,消除對普通電容的諧波放大,杜絕諧振。該裝置主要應(yīng)用于3~66 kV 高壓系統(tǒng)。
高壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置(MCR)同并聯(lián)電容器和磁控電抗器組成,是采用直流勵磁原理,利用附加直流勵磁磁化鐵芯,改變鐵芯磁導(dǎo)率,實(shí)現(xiàn)電抗值的連續(xù)可調(diào),改變電抗器感抗電流,以投入的電抗器感性無功容量變化來補(bǔ)償系統(tǒng)容性無功。當(dāng)系統(tǒng)無功過剩時,補(bǔ)償電容器發(fā)出的容性無功由磁控電抗器吸收;當(dāng)缺乏無功時,磁控電抗器容量減少,由補(bǔ)償電容器提供容性無功。該裝置主要應(yīng)用于3~66 kV高壓系統(tǒng),主要元器件有高壓無功補(bǔ)償控制器、磁控電抗器、高壓電力電容器、串聯(lián)電抗器和高壓交流真空接觸器等組成。高壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置(MCR)響應(yīng)時間小于100 ms,能夠進(jìn)行系統(tǒng)功率因數(shù)鎖定,功率因數(shù)鎖定可設(shè)置范圍:0.95~0.99,不會出現(xiàn)過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償現(xiàn)象[5]。
同步無功補(bǔ)償裝置是以三相大功率變流器為核心,其輸出電流通過電流器接入系統(tǒng),與系統(tǒng)保持同頻同相,通過調(diào)節(jié)其輸出電流相應(yīng)與系統(tǒng)電流相位的關(guān)系來確定其輸出功率的性質(zhì),容性無功或感性無功。該裝置在快速連續(xù)的補(bǔ)償調(diào)整系統(tǒng)無功功率的同時,還可以顯著改善與電網(wǎng)連接處的電能質(zhì)量,克服三相不平衡,消除電壓閃變和電壓波動,抑制諧波污染等。
抑制和消除諧波,主要是消除幅值較高的諧波電壓和諧波電流,使電網(wǎng)電壓畸變率和注入電網(wǎng)的諧波電流限制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。目前,對抑制和消除諧波的成熟技術(shù)有:選擇承受諧波能力與諧波源相適應(yīng)的供電網(wǎng)站;合理配置整流裝置的等效相數(shù);避免電力電容器組對諧波的放大;裝設(shè)交流電力濾波裝置。對一般電力用戶來說,主要是后面2 種。
防止移相電容器過電流和過電壓的措施,除限制電網(wǎng)電壓波形畸變外,一般可在電容器回路中串聯(lián)一組電抗器,其感抗值的選擇應(yīng)該在可能產(chǎn)生的任何諧波下均使電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗,從根本上消除了了產(chǎn)生諧振的可能。電抗器感抗值XL按下式計(jì)算[3]:
式中:K—可靠系數(shù);XC—移相電容器的工頻電抗;h—可能產(chǎn)生的最低諧波次數(shù)。
由此可見,脈波數(shù)高的整流電路,裝設(shè)移相電容器時,串聯(lián)電抗器的感抗小得多,但考慮到非特征諧波的影響, 通常電抗器的電抗值必須為電容器組容抗值的6%,即需在電容器回路串聯(lián)6%的電抗器。
治理諧波應(yīng)抑制與消除相結(jié)合,當(dāng)采用抑制措施后,用戶的諧波電流或電壓畸變?nèi)猿鲆?guī)定時,可裝設(shè)適當(dāng)?shù)碾娏V波裝置,使幅值較高的諧波電流等到有效的消除[3]。濾波器類型如下:
(1)調(diào)諧濾波電容器組。在功率補(bǔ)償電容器前串上調(diào)諧電抗器,使之調(diào)諧在某一特定頻率。這樣,對于基波而言,補(bǔ)償設(shè)備呈容性,可以正常進(jìn)行無功補(bǔ)償;對于諧波而言,補(bǔ)償設(shè)備呈感性,使得諧振不能發(fā)生。這種情況下,大部分諧波電流流入電網(wǎng),僅有少量流入電容器組,見圖2。
圖2 調(diào)諧濾波電容器組
(2)無源濾波器。電容元件與電感元件按照一定的參數(shù)配置,一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接,可形成無源濾波器,能夠有效濾除某次或某些次的諧波。理論上講,當(dāng)某次諧波濾波器調(diào)諧到該次諧波頻率時,濾波器所呈現(xiàn)的阻抗為零,因而能夠全部吸收該次諧波,見圖3。
圖3 無源濾波裝置
無源濾波裝置特點(diǎn)
a.結(jié)構(gòu)簡單,價格及維護(hù)費(fèi)用低;b.設(shè)計(jì)適當(dāng)時,濾波效果可以達(dá)到要求;c.兼無功補(bǔ)償功能,適用于原來功率因數(shù)較低的場合;d.有節(jié)能效果,一定條件下可能節(jié)能10%以上;e.設(shè)計(jì)不合理時會產(chǎn)生諧波放大,嚴(yán)重的可影響系統(tǒng)安全。
(3)有源濾波裝置。有源電力濾波器的補(bǔ)償原理是利用檢測單元對負(fù)荷產(chǎn)生的畸變量進(jìn)行檢測,然后由控制單元產(chǎn)生控制信號,對大功率的電力電子器件IGBT 進(jìn)行控制,由IGBT 逆變器產(chǎn)生一個與畸變量幅值相等,相位相反的補(bǔ)償量,畸變量和補(bǔ)償量互相抵消,在系統(tǒng)側(cè)的電壓電流波形得到良好的改善。也就是諳,有源濾波器采用與交流濾波器完全不同的原理,通過產(chǎn)生與補(bǔ)償諧波形狀一致、相位相反的電流,來抵消非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流,以使諧波不會流入公共供電回路,達(dá)到消除諧波凈化電網(wǎng)的目的,見圖4。
圖4 有源濾波裝置
有源濾波器特點(diǎn):a.濾波效果好;b.不會產(chǎn)生諧波放大;c.不產(chǎn)生無功,適用于原來功率因數(shù)較高的場合;d.結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價格及維護(hù)費(fèi)用較高;e.不節(jié)能,反而耗能。
該廠先后3 次建設(shè)的整流裝置等效脈波數(shù)依次為12 脈波、24 脈波和48 脈,諧波不超標(biāo),不需安裝電力濾波裝置;在380 V、10 kV 和35 kV 母線上均安裝有電容補(bǔ)償裝置,考慮非特征諧波的存在,電容器均串聯(lián)6%電抗器。目前,電容補(bǔ)償裝置運(yùn)行良好,功率因數(shù)為0.95~0.97,供電公司每月獎勵電費(fèi)十幾萬元。配置合理無功補(bǔ)償裝置不僅能夠提高功率因數(shù),解決功率因數(shù)考核,還能夠降低變壓器及線路損耗,增大主變帶載能力,因此,無功補(bǔ)償裝置在工礦企業(yè)中體現(xiàn)出重大的經(jīng)濟(jì)力量,得到越來越多企業(yè)的重視。
無功功率補(bǔ)償和諧波治理技術(shù)是當(dāng)前乃至今后相當(dāng)長的時期內(nèi),緩解電力供需矛盾,改善供電質(zhì)量的一種行之有效的手段之一,經(jīng)廣泛推廣應(yīng)用后,能為國家和用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。
[1]張炳達(dá).注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試專業(yè)基礎(chǔ)考試復(fù)習(xí)教程.天津大學(xué)出版社,308-311.
[2]廖秀華.電化學(xué)整流實(shí)用技術(shù)手冊.中國氯堿工業(yè)協(xié)會,228-230.
[3]全國統(tǒng)一編寫進(jìn)網(wǎng)作業(yè)電工培訓(xùn)教材.下冊.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2-12.