高低壓節(jié)能控制系統(tǒng)淺論低壓無(wú)功補(bǔ)償必要性與方法

高低壓節(jié)能控制系統(tǒng)淺論低壓無(wú)功補(bǔ)償必要性與方法

本文主要從無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?、工作原理、意義、補(bǔ)償方法的確定等多個(gè)方面， 詳細(xì)介紹了低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)問(wèn)題， 闡述了電氣設(shè)計(jì)的最優(yōu)化、規(guī)范化知識(shí)，對(duì)于電氣施工安裝實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)作用。

　　1 引言

　　當(dāng)今社會(huì)能源成本的不斷上升，無(wú)功補(bǔ)償可以改善電能質(zhì)量，降低電能損耗，低壓節(jié)能控制系統(tǒng)減少用戶的電費(fèi)支出，是一項(xiàng)投資少，收效快的節(jié)能措施。而且在工廠供電系統(tǒng)中，絕大多數(shù)用電設(shè)備都具有電感的特性。（諸如：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電力變壓器，電焊機(jī)等）這些設(shè)備不僅需要從電力系統(tǒng)吸收有功功率，還要吸收無(wú)功功率以產(chǎn)生這些設(shè)備正常工作所必需的交變磁場(chǎng)。然而在輸送有功功率一定的情況下，無(wú)功功率增大，就會(huì)降低供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。因此，功率因數(shù)是衡量企業(yè)供電系統(tǒng)電能利用程度及電氣設(shè)備使用狀況的一個(gè)具有代表性的重要指標(biāo)。而如何進(jìn)行是本文要探討的課題

　　2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

　　目前在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)采用的電容補(bǔ)償技術(shù)主要是集中補(bǔ)償與就地補(bǔ)償技術(shù)。就地補(bǔ)償技術(shù)主要適用于負(fù)荷穩(wěn)定，不可逆且容量較大的異步電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償，其它各種場(chǎng)合仍主要采用集中補(bǔ)償技術(shù)。常用的補(bǔ)償裝置有同步調(diào)相機(jī)和靜止補(bǔ)償裝置，早期的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置主要為同步調(diào)相機(jī)，多為高壓側(cè)集中補(bǔ)償。靜止補(bǔ)償器的基本作用是連續(xù)而迅速地控制無(wú)功功率，即以快速的響應(yīng)，通過(guò)發(fā)出或吸收無(wú)功功率來(lái)控制它所連接的輸電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓。 在我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展過(guò)程中，因多年“重發(fā)電，輕供電”思想的影響，造成電網(wǎng)建設(shè)落后，結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致城市和農(nóng)村配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償不足，電能質(zhì)量不高等。系統(tǒng)無(wú)功對(duì)電壓影響大。無(wú)功功率的不足或過(guò)大，將引起系統(tǒng)電壓的下降或上升，從而造成電能的損失和浪費(fèi)十分嚴(yán)重。從微觀角度看，隨著電網(wǎng)容量的擴(kuò)增，用戶家用電器感性負(fù)載的不斷增加，使得城市配電網(wǎng)公用變低壓側(cè)功率因數(shù)較低。從宏觀角度來(lái)看，低壓節(jié)能控制系統(tǒng)整個(gè)電網(wǎng)的無(wú)功潮流分布不平衡，目前國(guó)內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償主要采用變電站集中補(bǔ)償和企業(yè)就地補(bǔ)償兩種形式。這兩種形式都是基于某一個(gè)采樣點(diǎn)的無(wú)功情況進(jìn)行補(bǔ)償，不能綜合考慮整個(gè)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，而無(wú)功潮流在整個(gè)電網(wǎng)上是動(dòng)態(tài)分布的，傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法無(wú)法解決無(wú)功潮流分布不平衡，電壓波動(dòng)大等問(wèn)題。目前主要存在問(wèn)題是控制規(guī)律簡(jiǎn)單，抗干擾能力差，由于戶外工作環(huán)境相對(duì)惡劣，裝置的可靠性和控制精度難以滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的要求，不具備通訊功能，不能實(shí)現(xiàn)全電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)視，此外還存在著采用有觸點(diǎn)繼電器進(jìn)行電容器投切控制時(shí)產(chǎn)生的電網(wǎng)波動(dòng)大，無(wú)功功率補(bǔ)償產(chǎn)品的工作壽命低的缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)代化電力系統(tǒng)“綠色”環(huán)保的需要。 隨著電力電子技術(shù)，特別是大功率可開(kāi)斷器件技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外開(kāi)發(fā)不同結(jié)構(gòu)類型的靜止無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的安裝都是基于全電網(wǎng)的無(wú)功平衡和最優(yōu)效率，一般包括電網(wǎng)重要節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償和設(shè)備就地補(bǔ)償兩種。補(bǔ)償系統(tǒng)都采用先進(jìn)的電腦控制，自動(dòng)化程度高。 對(duì)比國(guó)內(nèi)外在補(bǔ)償技術(shù)上的差距，根據(jù)我們電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀，迫切需要我們對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究和設(shè)計(jì)。

　　3 無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?/p>

　　所有交流電網(wǎng)消耗兩種類型的功率：有功功率（kW）和無(wú)功功率（kvar）：

　　（1）有功功率 P （kW） 是實(shí)際傳輸給電力負(fù)荷的能量，電力的有功功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力、熱和光，如：電機(jī)、燈具、加熱器和電腦等

　　（2）無(wú)功功率Q （kvar） 僅用驅(qū)動(dòng)設(shè)備的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。產(chǎn)生無(wú)功功率的設(shè)備，如：電機(jī)和變壓器等。

　?。?）視在功率S（kVA）是有功功率和無(wú)功功率矢量合。

　　電網(wǎng)的無(wú)功功率循環(huán)，具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。對(duì)相同的有功功率P，較高的無(wú)功功率意味著更高的視在功率和更高的電流。隨著時(shí)間的推移，有功功率的循環(huán)會(huì)產(chǎn)生有功能量（kW時(shí)），隨著時(shí)間的推移，無(wú)功功率的循環(huán)會(huì)產(chǎn)生無(wú)功能量（kW時(shí)）。在一個(gè)電路中，除了有功的能量，還需要提供無(wú)功的能量。

　　正是由于這些原因，在負(fù)荷層面產(chǎn)生無(wú)功能源來(lái)避免不必要的網(wǎng)絡(luò)電流循環(huán)，這就是所謂的“功率因數(shù)校正”。通過(guò)電容器的連接可以得到這種校正，電容器能夠補(bǔ)償被負(fù)載（如：發(fā)電機(jī)）所消耗的無(wú)功能量。其結(jié)果就是視在功率降低，功率因數(shù)提高，如下圖1所示。發(fā)電和輸電網(wǎng)絡(luò)被部分補(bǔ)償，減少功率損耗，使更多的傳輸能力可用。

　　4 無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊饬x

　　4.1優(yōu)化的無(wú)功功率補(bǔ)償帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　電費(fèi)單上能夠體現(xiàn)的節(jié)省，排除無(wú)功電能的損失，低壓節(jié)能控制系統(tǒng)并且減少視在功率的需求，減少由變壓器和導(dǎo)線安裝所產(chǎn)生能量損失。例如630kVA的變壓器損失減少：PW = 6，500W，初始功率因數(shù)= 0.7。通過(guò)功率因數(shù)校正，我們得到最終功率因數(shù)= 0.98。能量損失變成：3316W，即減少49%。

　　4.2增加可用功率

　　應(yīng)用一個(gè)提高功率因數(shù)的設(shè)備，可以優(yōu)化電力設(shè)備。低壓變壓器的可用功率可以靠在低壓側(cè)合適的功率因數(shù)校正設(shè)備來(lái)提高。

　　4.3縮少安裝尺寸

　　安裝功率因數(shù)校正工具可以使導(dǎo)線的橫截面減小，因?yàn)閷?duì)應(yīng)相同的有功功率，補(bǔ)償設(shè)備會(huì)吸收更少的電流。

　　4.4降低設(shè)備的壓降

　　安裝電容器，可以使功率因數(shù)校正設(shè)備連接點(diǎn)以上的電壓降減少。這樣可以避免網(wǎng)絡(luò)過(guò)載，并且使諧波減少，降低您的成本。

　　5 確定補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>

　　5.1所需無(wú)功功率的計(jì)算

　　其目的是為了確定需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率Qc（kvar），以提高功率因數(shù)cosφ，并減少視在功率S。

　　當(dāng)φ' < φ時(shí)，我們得到：cosφ ' > cosφ 和 tgφ' < tgφ。如圖1所示

　　Qc可以由圖1推斷出的公式來(lái)確定：Qc = P. （tgφ - tgφ '）。 　　Qc：電容器組的功率，單位：kvar

　　P：有功功率，單位：kW

　　tgφ：補(bǔ)償之前，相位角φ的正切

　　tgφ' ：補(bǔ)償之后，相位角φ的正切

　　5.2補(bǔ)償方式的選擇

　　低壓電容器的安裝位置，確定了補(bǔ)償方式。低壓節(jié)能控制系統(tǒng)補(bǔ)償方式可能是集中補(bǔ)償（對(duì)全部設(shè)備）、分支補(bǔ)償（一個(gè)支路）、就地補(bǔ)償（對(duì)單個(gè)負(fù)載），或者是后兩者的組合方式。原則上，理想的補(bǔ)償方式應(yīng)用于能量消耗點(diǎn)上，并且實(shí)時(shí)達(dá)到所需能量值。但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素會(huì)制約補(bǔ)償方式的選擇。電容器組在配電網(wǎng)絡(luò)中的連接位置，由以下因素決定：

　　（1） 全部補(bǔ)給對(duì)象（避免無(wú)功電能的損失，減少變壓器或電纜，避免電壓降）

　?。?）工作方式（波動(dòng)負(fù)載的穩(wěn)定）

　?。?） 預(yù)知電容器給配電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響

　?。?）設(shè)備成本

　　5.2.1集中補(bǔ)償

　　電容器組安裝在需要補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備的首端，以便為下級(jí)全部設(shè)備提供無(wú)功電能。這種

　　配置適用于穩(wěn)定且連續(xù)的負(fù)載系數(shù)。

　　5.2.2分支補(bǔ)償

　　電容器組安裝在饋電首端，為某一特定設(shè)備組提供補(bǔ)償。這種配置十分方便大型設(shè)

　　備。這種配置適用于負(fù)載系數(shù)不同的大面積車間廠房。

　　5.2.3對(duì)單一負(fù)載的就地補(bǔ)償

　　電容器組安裝在單一負(fù)載的進(jìn)線端（特別是大型電機(jī)）。這是一種理想的配置，因?yàn)闊o(wú)功電能產(chǎn)生在真正需要的地方，并可以按照需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　5.3電容器的控制方式選擇

　　根據(jù)性能需求和控制的復(fù)雜程度，選擇不同的補(bǔ)償方式：

　　5.3.1定值補(bǔ)償：無(wú)需調(diào)節(jié)，連接一個(gè)定值電容器組。電容補(bǔ)償容量≤15% Sn（變壓器容量）

　　該方式使用一個(gè)或多個(gè)電容器來(lái)提供一個(gè)恒定的補(bǔ)償?？刂品绞接校?/p>

　　（1）手動(dòng)：由斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)來(lái)切換

　?。?）半自動(dòng)：由接觸器來(lái)控制

　?。?）直接連接到一臺(tái)設(shè)備并切換這個(gè)連接

　　這些電容器應(yīng)用于：

　　（1）電感負(fù)載終端（主要是電機(jī)）

　?。?）在提供眾多小型馬達(dá)和個(gè)別賠償?shù)馁M(fèi)用太昂貴歸納電器母線

　?。?）在負(fù)載情況下的因素是合理的常數(shù)

　　5.3.2自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償：電容器分多步投切來(lái)達(dá)到要求。電容補(bǔ)償容量 > 15% Sn（變壓器容量）

　　這種補(bǔ)償方式提供自動(dòng)控制，低壓節(jié)能控制系統(tǒng)并根據(jù)設(shè)備的變化提供適當(dāng)?shù)臒o(wú)功功率來(lái)保持特定的功率因數(shù)。該設(shè)備應(yīng)用于有功功率和/或無(wú)功功率變化相對(duì)較大的位置，例如：

　　（1）在主配電盤的母線處

　?。?）在大量饋線的終端

　　5.3.3根據(jù)工作環(huán)境和諧波影響，合理選擇電容器

　　需要根據(jù)工作環(huán)境選擇耐受程度不同的電容器。

　　工作環(huán)境對(duì)電容器的壽命有很大影響，選擇電容器時(shí)要遵循下列參數(shù)：

　?。?）環(huán)境溫度 （？C）

　?。?）需要考慮過(guò)電流、相關(guān)的電壓擾動(dòng)，包括最大的持續(xù)過(guò)電壓值

　?。?）每年最多的切換運(yùn)行次數(shù)

　　（4）要求的平均壽命

　　考慮諧波，根據(jù)不同的強(qiáng)度推薦不同的方案：

　　（1）標(biāo)準(zhǔn)型電容器：適用于輕度諧波污染環(huán)境

　?。?）過(guò)諧型電容器：適用于中度諧波污染環(huán)境，特別是電壓擾動(dòng)環(huán)境

　?。?）調(diào)諧型電容器：與調(diào)諧電抗器配合使用，適用于重度諧波污染環(huán)境（大量非線性負(fù)載）。電抗器是必要的，以限制諧波電流循環(huán)，同時(shí)避免共振

　　（4）調(diào)諧濾波器：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中主要都是非線性負(fù)載時(shí)，要求抑制諧波?；诂F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和計(jì)算機(jī)仿真，需要特殊設(shè)計(jì)。

　　6 結(jié)論

　　綜上所述，不論是從節(jié)約電能，提高供電質(zhì)量，低壓節(jié)能控制系統(tǒng)還是從提高供電設(shè)備的供電能力而言，都必須對(duì)供電電網(wǎng)和設(shè)備進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以便改善功率因數(shù)，提高系統(tǒng)的供電能力，使供電用電系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)合理狀態(tài)下運(yùn)行。