无功补偿、谐波治理方案及元器件的选取

摘要：本文对低压配电网内无功功率补偿、谐波治理等技术的解决方案， 以及成套装置中所需元器件的选型进行了简单的阐述。
关键词：无功功率补偿、谐波、控制器、投切器、电容器、电抗器。关键
　　
　　1.前言
　　
　　 随着国民经济的快速发展和持续增长, 电力建设更是取得了令人瞩目的成就, 到2004年底, 我国电站装机容量已达到4.4亿kW, 年发电量达21870亿kW/h, 同比增长14.8%。但是电力需求的增长更是迅速, 电力供需矛盾日益突出, 去年用电高峰时期全国就有24个省、区拉闸限电, 同时由于大部分电力设施长期处于超负荷运行状态, 存在诸多安全隐患, 也出现了不少事故, 给国家和人民财产造成了很大的损失。今年(2005)用电量仍有大幅度的增加，高峰时的电力供应缺口更大(仅北京(2005)用电量仍有大幅度的增加，高峰时的电力供应缺口更大(仅北京2005)用电量仍有大幅度的增加，高峰时的电力供应缺口更大(仅北京地区今年用电高峰时的供电缺口就达到百万KW以上),电力供应紧张的形势更加严峻。
　　
　　 电力供应的严重不足已制约了国民经济发展的速度。而要缓解当前乃至今后一个时期电力供需之间的矛盾, 并从根本上解决问题, 除了国家及地方加大对电力建设的投资力度、增加发电量这一主渠道外, 节约用电、合理用电－采用各种节电措施, 最大限度地利用现有各种电力设施资源也是非常重要的、也是很有必要的。就是要开源与节流并举。
　　
　　 众所周知, 利用无功功率补偿技术来挖掘现有电力资源潜力, 是一种能够迅速见效的、切实可行的措施之一, 同时也能够节约大量的电力能源。
　　
　　2.无功功率补偿技术应用方案的确定
　　
　　2.1无功功率补偿的概念
　　
　　 2.1.1无功功率和有功功率一样是输配电网中不可缺少的组成部分, 无功功率对供电系统和负载系统的正常运行是十分重要的、也是必需的。
　　
　　 2.1.2由于电网中存在大量的感性负载, 所以就需要供电部门提供足够的无功功率。如果这些无功功率都有发电机(厂)发出并通过长距离的输电线路传送到所需的地方, 这显然是不合理、不经济的, 实际上也是不可能的。而合理的也是最有效的方法就是在需要无功功率的地方或附近产生(发出)无功功率, 即无功功率补偿。
　　
　　 2.2无功功率补偿的作用
　　
　　 2.2.1由于无功功率的存在, 对电网也会带来不利的影响, 主要表现在以下方面:
　　
　　 (1) 无功功率的增加, 导致电流的增大和视在功率的增加, 从而使发电机、变压器、起动及控制设备和导线等电气设备容量的增加。
　　 (2) 供电设备及线路损耗增加。
　　 (3) 变压器及线路的电压降增大, 使供电网电压产生波动。在电网中, 有功功率的波动一般对电网电压的影响较小, 电网电压的波动主要是无功功率的波动引起的。如果是冲击性无功功率负载, 还会使电网产生剧烈的波动, 甚至发生事故。
　　
　　 2.2.2无功功率补偿的作用就是要尽量减少无功功率对电网的影响。其作用主要有:
　　
　　 (1) 提高供电系统及负载的功率因数, 降低输电线路及用电设备的容量和负荷, 减少功率消耗。
　　 (2) 稳定用电端及电网的电压, 提高供电质量, 增加输电系统的稳定性, 提高输电能力。
　　 (3) 平衡三相负荷, 减少无功功率对电网的冲击。
　　
　　 2.3无功功率补偿的方法
　　
　　 随着电力电子控制技术和计算机应用技术的逐步成熟, 用于无功功率补偿的方法日益增多, 且补偿效果也越来越明显, 其带来的经济效益和社会效益也是巨大的。
　　
　　 2.3.1同步调相机
　　
　　 同步调相机是早期的无功功率补偿方法, 已实际应用数十年, 在电压和无功功率控制中发挥了非常重要的作用, 同步调相机不仅能补偿固定的无功功率, 对变化的无功功率也能进行动态的连续的补偿, 而且对于容性、感性无功功率均能起到补偿的作用。但由于其自身的诸多缺点, 使其应用越来越少, 目前已基本上遭淘汰, 被新的补偿方式所取代。
　　
　　 2.3.2并联电容器及其装置
　　
　　 在各种无功功率补偿方法中, 并联电容器由于其简单的结构, 方便、灵活的安装方法, 较低的运行费用和低廉的产品价格等方面的特点, 已使其成为当今无功功率补偿技术中使用的主导产品。尤其是随着电容器制造技术的日益成熟, 其质量水平、寿命等级、安全运行可靠性等指标得以大大提高;品种、规格也越来越齐全, 为补偿装置的设计和制作带来了极大的便利。故由其为主体制作的各种电容器补偿和滤波成套装置的应用领域也越来越广泛。已逐步取代了传统的同步调相机。
　　
　　 但是并联电容器也有其不足之处:例如, 只能分级补偿固定的无功功率(其补偿精度决定于电容器组中单台电容器的电容量), 而不能实现连续、线性的补偿。另外, 在系统中存在谐波时, 还可能与系统中的固有电抗产生并联谐振, 使谐波电流放大(可达额定电流的几倍甚至几十倍), 导致电容器及相关元器件和线路严重过载而烧毁。
　　2.4无功功率补偿的方式
　　
　　 按补偿装置的工作方式可分为:(1)三相共同补偿;(2)三相分别补偿;(3)共补、分补相结合的综合补偿;(4)三相不平衡补偿等几种。
　　
　　 2.5无功功率补偿方案的确定
　　
　　 根据供、用电系统的无功功率实际需求情况, 决定采取并联电容器进行无功功率补偿时, 要对所采用装置的类型及配置方案进行策划、设计、确认。在确定最终方案时需要考虑多方面的影响因素, 还要吸取现有各种装置运行的经验和教训。
　　
　　 因需要进行无功功率补偿的位置不同, 要达到的预期目标有所区别, 而负载的性质以及供、用电质量也不一样, 同时也要从经济角度(投资成本)去考虑, 所以要从实际情况出发对各种方案进行综合的评定, 从中选择出合适的方案来。
　　
　　 2.5.1在有条件的情况下或必需时, 要对拟补偿系统的电能质量进行测试, 分析和评估。这项工作需要专用的测试仪器并由专业技术人员来完成。这一点是非常重要的, 对于一个完整、有效的解决方案以及整套装置的设计和制作可以说是不可缺少的环节。而以前乃至现在大多数的补偿装置在设计制作之前都没有认真进行此项工作, 或者说有不少的生产企业根本就没有技术和能力进行此项工作, 在制作装置之前仅凭以往的经验或参考同行厂的样机。这是目前在运行的大多数无功功率补偿装置补偿效果不理想, 达不到设计的功能, 而且经常出现故障, 不能正常工作(有些已弃之不用), 乃至发生火灾事故的主要原因之一。另外, 在装置设计时, 所选元器件的质量以及各种元器件之间参数的匹配是否合理或组装工艺等也是很重要的原因。
　　
　　 2.5.2补偿装置是否需要配置谐波治理功能(抑制或吸收)
　　
　　 随着各种新型电子设备/装置(主要是非线性负载)的安装使用, 在大量消耗无功功率的同时还会产生大量的谐波, 对公用电网造成了很大的“污染”。由于谐波的产生和存在, 已对电网的安全运行及用电设备的安全带来很大的危害, 而由于谐波原因造成的电力事故和经济损失也是有目共睹的。“谐波”－这一电网的公害, 现已引起相关部门越来越多的关注。
　　
　　 (1)根据GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的要求, 必须对各种非线性负载注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。当负载产生谐波或供电系统中存在谐波且超标时, 则需要设置滤波无功补偿装置。反之, 则不需要。
　　
　　 (2)在有些场合, 虽然谐波未超过标准的规定, 但已影响到系统的正常工作时, 也需要设置滤波无功补偿装置。
　　
　　 (3)在一些特殊场合, 例如:医院、宾馆、写字楼、智能小区、民航、军事、科研、精密测量、矿山、码头、冶金等, 都应该设置滤波无功补偿装置, 甚至需要配置专用的滤波装置。
　　
　　 (4)在同一供电系统(同一变压器)中, 当非线性负载(整流/变频、中/高频等设备, 一般情况下是谐波源)容量占总容量的25%以上时, 就应该配置滤波无功补偿装置。
　　
　　 笔者认为:随着科学技术的不断发展, 我国工业化程度的逐步提高, 传统的无功功率补偿装置(这种方案纯由并联电容器组构成), 在越来越多的场合将不能正常的使用, 将逐步被具有滤波功能的补偿装置以及不断出现的新型装置所取代。
　　
　　 2.5.3补偿装置需要采用何种控制类型
　　
　　 (1)当需要无功功率补偿位置的供电质量较好; 负载的无功功率变化不大(负荷相对稳定); 系统中无谐波或谐波含量较少; 可考虑采用相对固定的控制方法(固定分组、循环投切)－静态无功补偿装置。
　　
　　 (2)对于负载无功功率变化较大(快)而且频繁的场合;系统中无谐波或谐波含量较少; 则需要进行动态控制(非固定分组、快速编码投切)—动态无功补偿装置。
　　
　　 (3)对于单台的大功率平衡性负载或相对集中的小型设备, 则可考虑采用静止的就地补偿装置。
　　
　　 2.5.4采用何种补偿方式
　　
　　 (1) 当三相电压/电流基本平衡时, 采用共补或分补的补偿方式。
　　 (2) 当三相电压/电流不平衡时, 采用共补、分补相结合的综合补偿方式。
　　 (3) 当三相电压/电流严重不平衡时, 采用三相不平衡的补偿方式。
　　
　　 3.补偿装置所需元器件的选取
　　
　　 补偿方案确定后, 就要对制作装置所需用的元器件进行功能、质量、价格等方