工廠供配電系統中的無功補償技術探究

柳 楊

（北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

0 引 言

隨著社會經濟和科技的發展，工廠供配電系統不斷優化，如何降低整個系統的能耗并提高整個系統的效率成為焦點。此背景下，無功補償技術得到了較好推廣和運用。合理引入無功補償技術能有效提高有功功率比例常數并降低無功功率比例常數，達到優化工廠供配電系統和降低能耗等目的。目前，工廠供配電系統中常見的無功補償方式有集中補償、分散補償以及就地補償3種，常用的無功補償裝置有普通補償電容、串聯電抗器以及無功發生器等。實際設計時，合理運用無功補償技術使工廠供配電系統穩定安全運行的重點是如何選擇無功補償方式與裝置。

1 將無功補償技術引入工廠供配電系統的意義

1.1 減少工廠電費支出

供配電系統向工廠設備輸出的功率分有功功率和無功功率。電能以功率計算并計費的情況下，不管供配電系統輸出的是有功功率還是無功功率，都會消耗電能產生電費。工廠實際生產經營中，無功功率對工廠生產經營并無太大價值和意義。無功補償技術的引入和運用可降低無功功率占比，從而降低無功功率損耗的電能和產生的電費。工廠生產經營中，電費往往是一筆較大的成本支出。將無功補償技術引入工廠供配電系統，消耗等量電能可以完成更多的工廠生產任務，有助于工廠實現效益最大化[1]。

1.2 提升設備能力和電壓質量

有功功率保持不變時，如果提高功率因數，那么就需要進行無功補償。正弦交流電路中，電壓和電流的有效值乘積為有功功率P。電路中除了有功功率外還有無功功率Q，無功功率和有功功率組成視在功率S。它們的對應關系如圖1所示。

3種功率滿足：

圖1 視在、無功和有功功率關系圖

可見，改善無功功率，視在功率也將降低。也就是說，提升功率因數的同時，所需設備容量會減少，設備的出力將增加。將無功補償技術引入工廠供配電系統，可有效改善電壓質量，這是因為無功補償技術的運用降低了無功功率比例，一定程度上降低了工廠電壓損失，使工廠電壓保持在更加穩定的狀態[2]。工廠電壓更加穩定有兩個明顯的好處：一是進一步提高了整個供配電系統的安全性，降低了事故發生的概率；二是工廠設備可處于更加穩定的工作狀態，大大降低了設備因電壓不穩出現故障而引發工廠損失的概率。

1.3 對變壓器選擇較為有利

工廠供配電系統設計時是否引入了無功補償技術，對變壓器的選擇有一定影響。若未引入無功補償技術，則無功功率占比較高，那么在選擇變壓器時要盡量選擇大容量變壓器；在引入無功補償技術的條件下，可選用小容量變壓器。比起大容量變壓器，小容量變壓器主要有兩個優勢：一是價格較低，二是耗能較低。所以，在引入無功補償技術并選用小容量變壓器時，工廠的生產經營成本可得到進一步控制。

2 工廠供配電系統無功補償技術分析

2.1 工廠供配電系統無功補償方式分析

無功補償技術引入工廠配電系統時有多種方式可供選擇。要選出最合適的方式，首先要了解各種無功補償方式，其次要考慮工廠規模和工廠生產運營的需要。下面將對幾種常見的無功補償方式展開分析。

2.1.1 高壓集中補償方式和低壓集中補償方式

在采用高壓集中補償方式和低壓集中補償方式時，需將無功補償裝置（高壓電容器組）安裝在變電所變壓器的母線上。變電所變壓器的母線分為高壓母線和低壓母線。當無功補償裝置安裝在高壓母線上時，即為高壓集中補償方式，可有效降低高壓母線的無功損耗；當無功補償裝置安裝在低壓母線上時，即為低壓集中補償方式，具有接線簡單等優勢。所以，在兩種補償方式效果相差無幾時，建議優先選擇集中補償方式。牽引變電所的補償系統如圖2所示，此類變電所采用集中補償方式，能更好地滿足變電所電力系統的補償需求。

圖2 某牽引變電所集中補償系統圖

2.1.2 分散補償方式

無功補償技術引入工廠供配電系統時，是否選擇分散補償方式要結合實際情況進行判斷。選擇分散補償方式時，無功補償裝置的安裝有兩種方式：一種是把裝置安裝在工廠變電所低壓配電線路上；一種是把裝置安裝在工廠變電所低壓配電母線上。具體的安裝方式要結合電負荷實際分布情況判斷。運用分散補償方式的自動化程度較高，能減少工作人員負擔，所以該補償方式在大型工廠中備受青睞[3]。

2.1.3 就地補償方式

相比前兩種無功補償方式，就地補償方式更具針對性，效果更好。工廠某設備能耗巨大、負荷平穩時，可直接將合適的無功補償裝置設在該設備附近以降低設備能耗。就地補償方式的局限性明顯，如成本較高且不具備普適性，往往還需搭配集中補償方式或分散補償方式共同運用。3種無功補償方式優缺點比較如表1所示。

2.2 工廠供配電系統無功補償裝置分析

工廠供配電系統無功補償裝置可大致分為普通補償裝置、串聯電抗器以及無功發生器。這3類無功補償裝置各有優劣，在設計工廠供配電系統時，為保證無功補償效果，需比較市面上已有的無功補償裝置，并根據工廠供配電系統需要，選擇最合適的一種或幾種無功補償裝置。市面上常見無功補償裝置的比較，如表2所示。

單看無功補償性能，靜止無功補償器（SVG）與電力有源濾波器（APF）是工廠供配電系統的首選。但是，在實際選擇無功補償裝置時，還要考慮整體成本和工廠供配電系統無功補償需求等。綜合考慮多種影響因素，晶閘管投切電容器（TSC）搭配靜止無功補償器（SVG）或電力有源濾波器（APF）的混合型裝置更加實用。

表1 3種無功補償方式優缺點比較

表2 常見的幾種無功補償裝置比較

選擇哪一種補償裝置，需要依據電網的具體情況和線路的需求綜合考量。負荷變化快，可以采用動態無功補償裝置；線路工作情況較為平穩，可以采用靜態無功補償裝置；復雜工況則根據具體情況選擇綜合補償裝置，從而達到更好的補償效果。

3 結 論

將無功補償技術合理運用于工廠供配電系統，對工廠配供電系統整體性能提升較為有利，不僅可幫助工廠節約電費支出，還可改善電壓質量。在設計工廠供配電系統時，為保障無功補償技術取得較好的運用成效，需分析不同無功補償方式和無功補償裝置的優劣勢，結合工廠供配電系統運行管理需要，選擇并制定出最合適的無功補償方案，達到消除高次諧波和提高供電品質等目的，進而提高供配電系統效率，實現經濟效益的最大化。