電壓型無功補償研究與應用

姜春玲，羅 寧，楚德全，秦興中，江愛偉

(1.泰山學院物理與電子工程學院，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1.5萬千瓦發電機組，1#機組經1#隔離變及電抗器通過兩條6KV聯絡線供電至濟二礦變電所，2#機組經2#主變供電至電網，正常運行方式為6KV母線各段分列運行.由于隔離變和電抗器為高阻抗負荷，無功損耗較大，其無功消耗占1#機組廠用電的一半以上，造成1#機組長期無法保證輸出電力的功率因數在正常的范圍內，輸出無功不足.因此為了維持發電機出口電壓的穩定，提高供電電壓質量，降低發電成本，針對濟二電廠的實際，決定實施無功補償，以保證安全運行和經濟運行.

1 無功補償的概念

無功功率和有功功率一樣是輸配電網中不可缺少的組成部分，無功功率對供電系統和負載系統的正常運行是十分重要、也是必需的.

供配電系統中，絕大部分用電都具有電感特性，它們都需要從供電系統吸收無功功率.因此，當供電系統提供的無功功率不足時，就要設法產生無功功率，即無功補償.

無功補償的作用主要有:

(1)提高供電系統及負載的功率因數，降低輸電線路及用電設備的容量和負荷，減少功率消耗.

(2)穩定用電端及電網的電壓，提高供電質量，增加輸電系統的穩定性，提高輸電能力.

(3)平衡三相負荷，減小無功功率對電網的沖擊.

2 各種無功補償類型對比

2.1 同步調相機

相當于空載運行的同步電動機，在過勵磁運行時，它可作為無功電源向系統供給感性無功功率;在欠勵磁運行時，它可作為無功功率負荷從系統吸收感性無功功率.由于它是轉動設備，存在3個缺點:

(1)安裝投資大;(2)運行費用高;(3)檢修費用大，時間長.

2.2 固定電容器組

其特點是投資相對較少，但容量不能適時滿足系統對無功的需要，經常出現過補或欠補的現象［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，根據系統對無功的需要分別投入或切除.其主要缺點有: (1)分組容量不能過細，仍不能完全適應系統對無功變化的要求;(2)分組投切引起的涌流和過電壓嚴重影響電容器及系統的安全;(3)目前國內外沒有適合頻繁投切的高壓開關，開關需要經常檢修和更換，不能保證系統安全;(4)電容器退出系統后必須放電，才能重新投入使用，因此需要足夠的延時，不能適時投切.

2.4 靜止補償器(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要求.其特點是控制范圍大，可以從感性到容性變化.缺點是:(1)造價貴;(2)運行維護復雜，運行費用高; (3)有時會產生高次諧波，對電網造成污染.

2.5 電壓型無功補償裝置

可自動跟蹤電力系統功率因數，根據測量的系統功率因數和設定值的偏差，來調節電容器端電壓改變補償容量，不是采用傳統的投切電容器法，解決了電容器投切中產生過電壓、涌流等問題，是一種實時調節方式.可以大幅度降低線損，提高無功管理水平.

3 電壓型無功自動調節原理

對于110kV以下的電網主要是容性無功不足的問題，因此可以用調節電容器無功出力的大小來解決.根據計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，都可以實現調節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;改變頻率的方法國外才剛剛出現，不太容易實現;而用改變電容器端電壓U的方法來對電容器無功出力進行調節是可以實現的.

圖1 電壓型無功補償原理框圖

電壓型無功補償原理如圖1.主要有三部分組成:電力電容器、電壓調節器、控制器.電力電容器是容性無功源;電壓調節器為電力電容器連接母線的前端設備，接收來自微機控制器的控制指令，調節電容器端電壓，從而改變電容器的無功輸出容量，以滿足系統無功需求;控制器由PT和CT輸入系統電壓和電流，計算當前系統電壓和功率因數，按最佳設定要求控制電壓調節器輸出電壓，調節電容器無功出力，同時控制主變電壓分接開關，保證系統電壓、無功始終運行在設定范圍內，確保電壓質量符合要求［4］.

由于系統電壓和功率因數是相互影響、密切相關的，一般情況下僅調整其中一項是不能滿足要求的，因此要根據當前系統的狀態，對系統電壓和無功輸出的調整作綜合考慮.系統狀態分類如圖2［2］，其中縱軸為系統電壓U，橫軸為功率因數cos.依所整定的系統電壓上、下限和功率因數上、下限共分為9個工作區，其中第9區為正常工作區，系統電壓和功率因數均滿足要求.其余8個區均至少有一項不滿足要求，需要按一定的原則進行調整.調整原則如表1.

圖2 系統當前狀態分類

表1 電壓無功自動調節原則表

4 實際應用

查閱華聚能源濟二電廠系統運行記錄，以及原始設計，并通過認真調研分析，確定實施方案為:在6kV I段進行無功補償，采用電壓型無功補償裝置，提高無功輸出.一次系統接線圖如圖3所示.

圖3 一次系統接線圖

功率因數采樣點的選取在電廠聯絡線，即605或606開關處，以任一聯絡線的功率因數做為調節補償裝置的依據.電壓調節器輸出電壓為母線額定電壓的100%～60%，分九檔輸出，每檔調節額定電壓5%.通過計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.

無功補償裝置自投入運行以來，補償效果良好，已完全達到預期的效果，可以把功率因數控制在規定范圍內.增加無功補償裝置后，每年能為電廠減少功率因數罰款200萬元.

5 結束語

電壓無功自動調節是將傳統電壓無功補償方式的電容器“有級投切”，改為對無功功率的“無級調整”，大大提高了無功補償精度和實時性.通過調整電壓調節裝置而調整電容器端電壓，從而調整電容器的無功輸出功率，以達到補償系統無功的目的.由于電容器是固定接入，不存在放電問題，不需要調整延時，電壓實時分級調節，每次調節電容器端電壓的變化量比較小.因此，可以實時跟蹤系統的無功變化而調整電容器的無功輸出.另外，由于調整過程中不存在過電壓，故可有效地延長系統中元件的使用壽命［1］.從華聚能源濟二電廠的無功改造來看，電壓型無功補償能把功率因數控制在規定范圍內，提高了供電企業的經濟效益和電網的供電能力.

［1］羅寧.煤礦電力系統電壓無功補償自動調節的實現方法［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調節裝置的應用［J］.科技信息，2009，(9).

［3］高麗，羅寧.電壓無功自動調節裝置的研制及應用［J］.煤礦機械，2007，(9).

［4］王國志，張元敏，等.新型高壓無功自動補償裝置的應用［J］.內江科技，2009，(3).