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配电网建设的无功补偿技术的发展 应当值得被注意!

2017-08-23 09:38:02 北极星智能电网在线 作者:Kung

随着国家“重发电轻供电”现象的改善、配电网自动化的不断发展、智能电网、智能配电网的不断完善,围绕输配电的电能质量的问题越来越受到各方关注,对配电网无功平衡提出了更高的要求。使得无功补偿技术由单一技术向包含无功补偿、谐波滤波和有偿补偿的电能质量系统工程技术扩展、市场规模得以迅速壮大起来,给无功补偿技术和产业的发展带来前所未有的机遇。

有专家曾指出“当下,无功补偿已经成为现代配电网工程必不可少的重要组成部分。预计未来产业规模将以200亿元人民币/年的速度进行增长。”

无功电源如同有功电源一样,是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。无功功率和有功功率一样也是输配电网中不可缺少的组成部分,无功功率对供电系统的正常运行是十分重要的。功率因数过低,电气设备将得不到充分利用、电力网络的传输能力也会下降、损耗增加、系统电压下降还会导致设备损坏。可见,解决好网络补偿问题,对网络降损节能有着极为重要的意义。

无功补偿及我国的发展情况:

无功补偿全称无功功率补偿,在电力供电系统中起提高电网的功率因数,降低供电变压器及输电线路的损耗,提高供电效率,改善供电环境的作用,所以无功补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。

无功功率同有功功率一样必须保持平衡,负载所需要的感性无功必须要由电网中装设的无功电源(发电机、调相机、静止无功补偿器、并联电容器等)发出的容性无功来提供补偿。降低电力线路无功功率的有效途径就是人工无功补偿以提高线路功率因数,所谓无功补偿,是指在电网中安装并联电容器、同步调相机等设备,以向感性负荷设备提供无功功率,从而减少由输电线路输送的无功功率。在长距离输电线路中选择合适地点装设无功动态补偿装置,可以改善电网稳定性能、提高输电能力。

无功补偿在我国的发展情况:

在现阶段我国电力事业发展的大背景下,越来越多的分布式电源接入、微电网技术的不断发展和投放市场、变频电机的大量使用以及储能等新型辅助服务的兴起,是的配电网的低频振荡和经济运行问题越发的凸显出来,同时也为无功补偿技术与产业的横向拓展带来崭新的发展机遇和挑战。

无功补偿技术的滞后,将会对电网建设产生不利影响,甚者直接造成巨额经济损失。

其实,无功补偿原则我国电力管理部门早已充分认识到无功补偿的重要性,因此提出了无功补偿的基本技术原则,以求达到良好效果①无功补偿应根据分级就地平衡的原则进行配置,全面规划、合理布局、分级补偿、就地平衡。采用集中补偿和分散补偿相结合、以分散补偿为主,高压补偿和低压补偿相结合、以低压补偿为主,静态补偿和动态补偿相结合,调压和降损相结合、以降损为主的基本原则。②电力用户无功补偿后的功率因数应达到如下要求:IOOkVA及以上高压供电的电力用户,变压器一次侧功率因数应达到0.95以上;其它电力用户功率因数应达到0.90以上。③各电压等级的变电站应根据实际需要合理配置适当类型的无功补偿装置,再根据算法计算结果确定无功补偿的容量。所装设的无功补偿装置应以不引起系统谐波明显放大为原则。

无功补偿对电网建设的影响

无功补偿主要有以下几方面的作用。

(1)提高电网及负载的功率因数,设备设计容量将降低,投资也从而减少。

(2)稳定电网电压,提高电网质量。特别在长距离输电线路中安装合适的无功补偿装置可提高系统的输电能力及稳定性。

(3)减少负荷电流,降低线路电能损耗。

(4)无功补偿挖掘发供电设备潜力。在设备容量不变的条件下,提高功率因数可以少送无功功率,就可以多送有功功率。

(5)在三相负载不平衡的场合,可对三相视在功率起到平衡作用。

(6)无功补偿可以减少用户电费支出,避免因功率因数低于规定值而受罚,同时减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗。

从电力系统的几个环节来说,无功补偿同样也发挥着至关重要的作用:

对发电的影响:无功功率会降低发电机有功功率的输出。

对输配电的影响:电网内无功功率的流动会造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。

对变电的影响:视在功率一定时,增加无功功率就要降低变电设备的供电能力。

对用电的影响:系统缺乏无功功率时就会使电气设备容量得不到充分发挥,电气设备不能正常运行。

为了避免上述情况的发生,就需要装设无功补偿装置进行无功补偿。合理的选择补偿装置,不仅可以最大限度的减少电网的损耗,而且可以使电网质量提高,反之,如选择或使用不当,可能造成供电系统,电压波动,谐波增大等诸多因素。

配电网无功补偿的主要方式:

配电网无功补偿的主要方式有五种:变电站补偿、配电线路补偿、随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。

变电站补偿:

针对电网的无功平衡,在变电站进行集中补偿,补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等,主要目的是平衡电网的无功功率,改善电网的功率因数,提高系统终端变电所的母线电压,补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。

这些补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上,因此具有管理容易、维护方便等优点,缺点是这种补偿方式对10kV配电网的降损不起作用。

配电线路补偿:

线路无功补偿即通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。线路补偿点不宜过多;

控制方式应从简,一般不采用分组投切控制;

补偿容量也不宜过大,避免出现过补偿现象;保护也要从简,可采用熔断器和避雷器作为过流和过压保护。

线路补偿方式主要提供线路和公用变压器需要的无功,该种方式具有投资小、回收快、便于管理和维护等优点,适用于功率因数低、负荷重的长线路。缺点是存在适应能力差,重载情况下补偿不足等问题。

在低压三相四线制的城市居民和农网供电系统中:

由于用电户多为单相负荷或单相和三相负荷混用,并且负荷大小不同和用电时间的不同。所以,电网中三相间的不平衡电流是客观存在的,并且这种用电不平衡状况无规律性,也无法事先预知。导致了低压供电系统三相负载的长期性不平衡。对于三相不平衡电流,电力部门除了尽量合理地分配负荷之外几乎没有什么行之有效的解决办法。

电网中的不平衡电流会增加线路及变压器的铜损,还会增加变压器的铁损,降低变压器的出力甚至会影响变压器的安全运行,最终会造成三相电压的不平衡。

调整不平衡电流无功补偿装置,有效地解决了这个难题,该装置具有在补偿线路无功的同时调整不平衡有功电流的作用。其理论结果可使三相功率因数均补偿至1,三相电流调整至平衡。实际应用表明,可使三相功率因数补偿到0.95以上,使不平衡电流调整到变压器额定电流的10%以内。

随机补偿:

随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接,通过控制、保护装置与电动机同时投切的一种无功补偿方式。

县级配电网中有很大一部分的无功功率消耗在电动机上,因此,搞好电动机的无功补偿,使其无功就地平衡,既能减少配电线路的损耗,同时还可以提高电动机的出力。

随机补偿的优点是用电设备运行时,无功补偿装置投入;用电设备停运时,补偿装置退出。更具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低的特点。

适用于补偿电动机的无功消耗,以补励磁无功为主,可较好的限制配电网无功峰荷。年运行小时数在1000h以上的电动机采用随机补偿较其他补偿方式更经济。

随器补偿:

随器补偿是指将低压电容器通过低压熔断器接在配电变压器二次侧,以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功,配电变压器空载无功是农网无功负荷的主要部分.

随器补偿的优点是接线简单,维护管理方便,能有效地补偿配电变压器空载无功,限制农网无功基荷,使该部分无功就地平衡,从而提高配电变压器利用率,降低无功网损,提高用户的功率因数,改善用户的电压质量,具有较高的经济性,是目前无功补偿最有效的手段之一。

缺点是由于配电变压器的数量多、安装地点分散,因此补偿工作的投资比较大,运行维护工作量大。

跟踪补偿:

是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置,将低压电容器组补偿在用户配电变压器低压侧的补偿方式。

这种补偿方式,部分相当于随器补偿的作用,主要适用与100kVA及以上的专用配电变压器用户。

跟踪补偿的优点

是可较好地跟踪无功负荷的变化,运行方式灵活,补偿效果好,但是费用高,且自动投切装置较随机或随器补偿的控制保护装置复杂,如有任一元件损坏,则可导致电容器不能投切。其主要适于大容量大负荷的配变。

配电网常见的无功补偿设备

电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始发展到今天,历经了电容器、同步调相机、静止无功补偿装置(SVC)、静止同步补偿器(SVG)等几个不同的阶段。其中,并联电容器是电网中用的最多的一种专用的无功功率补偿设备。它的特点是价格便宜,易于安装维护。并联电容器补偿无功功率方式有三种:集中补偿,分组补偿及就地补偿。

静止同步补偿器(SVG)是目前最先进的补偿装置,已进入实用化阶段,随着IGBT等器件、高速CPU器件及光纤技术的发展,SVG系统的价格不断下降并渐渐被行业接受,以成为静止无功补偿技术的发展方向,SVG系统将是今后柔性交流输电系统的重要组成部分。

(图片整理自网络)

无功补偿设备大致可分为三类:调相机、静止无功补偿装置(Static Var Compensator, SVC)、静止无功发生装置(Static Var Generator, SVG)。

调相机或称同步调相机、同步补偿机是较早出现的一类无功补偿设备。调相机实际是一台空载运行的同步电动机,利用同步电动机在不同励磁电流下的发出或吸收无功电流的能力起到无功补偿作用。当正常励磁时,调相机的电枢电流接近于零;过励磁时,调相机向电网发出无功电流;欠励磁时,调相机从电网中吸收无功电流。因此,调相机经常运行在过励状态,励磁电流较大,损耗也比较大,发热比较严重。为方便运行起见,调相机一般与发电厂中的同步发电机组或负荷端的异步电动机组安装在一起,容量较大的调相机还需要采用氢气冷却。以上缺点均大大限制了调相机的应用范围,目前除在高压直流输电线路的终端作动态无功支持外,已很少使用。

SVC是目前应用最为广泛的一类无功补偿设备。单就字面而言,SVC中的“Static”即静止,是相对于调相机的旋转而言,因此除调相机和SVG之外,凡是用电感或电容进行无功补偿的装置均可称作SVC。按国际大电网会议的定义,SVC可分为以下7类:机械投切电容器(MSC)、机械投切电抗器(MSR)、自饱和电抗器(SR)、晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)、自换向或电网换向转换器(SCC/LCC)。实际上以上7类仍未能涵盖全部SVC设备,例如MCR(Magnetic Control Reactor)——磁阀式可控电抗器设备以及由以上两类或几类技术混合构成的设备。一般认为应慎重使用SVC这一名词,因为其所能指代的范围过于宽泛。

在种类繁多的SVC设备中,一般可按控制/投切设备的种类分为机械投切型及电力电子型两大类,通常所称的SVC设备也是指这两类。前者一般包括机械投切电容器(MSC)、机械投切电抗器(MSR)等,共同特点是采用机械投切开关如接触器、遥控断路器等作为投切设备,其优点是鲁棒性较好、不易受谐波干扰等,缺点则是响应时间长、一般只能分级投入不易实现动态无级补偿等。后者一般包括晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)等,其优点是响应速度快、控制精度较好、能实现过零投切、具备动态补偿能力等,缺点则是电力电子器件易受谐波干扰。随着电力电子技术的发展,电力电子型SVC设备有逐渐取代机械投切型SVC设备的趋势。

SVG(Static Var Generator)与SVC一样,也是一种“静止”设备,是近年出现的新一代无功补偿设备。SVG以IGBT模块构成的电压源型逆变器为核心,通过实时检测负载电流波形,并调节桥式整流电路交流侧输出电流达到调节负载电流的幅值和相位的目的。通过以上调节,可以吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿。SVG具有响应速度快、吸收无功连续、产生的高次谐波量小、调节范围广、耗损与噪音小等突出优点。 SVG的主要问题是电压等级和容量受IGBT器件性能限制,较难做到较高电压等级和较大规模容量,目前一般在1kV以下电压等级应用较为广泛。

未来发展趋势

随着国家“重发电轻供电”现象的改善,围绕输配电的电能质量的问题越来越受到各方关注。特别是无功问题,是电力部门和用户共同关注的问题。合理选择无功补偿方案和补偿容量,能有效提高系统的电压稳定性,保证电网的电压质量,提高发输电设备的利用率,降低有功线损和减少发电费用。

随着智能电网、智能配电网的发展,使得无功补偿技术由单一技术向包含无功补偿、谐波滤波和有偿补偿的电能质量系统工程技术扩展、市场规模得以迅速壮大起来,给无功补偿技术和产业的发展带来前所未有的机遇。

有专家曾指出“当下,无功补偿已经成为现代配电网工程必不可少的重要组成部分。预计未来产业规模将以200亿元人民币/年的速度进行增长。”

而我们应该清楚,机遇往往是与困难并存的,无功补偿技术与产业发展面临这技术提升和企业转型的挑战。现阶段国家和企业正着力推动的解决智能电网、智能配电网建设所面临的一系列问题,一流配电网的建设必然是一场旷日持久的“战场”,如何从中脱颖而出,成为主流企业、推出主流技术就成为了企业将来所要面临的问题之一。

关于配电技术,还有很多东西需要进一步探讨,中国的配电网建设也不是世界上建设的最好的国家。但是,想要建设世界一流的配电网,便离不开每位电力人的努力,为此,北极星电力网在2017年8月31日-9月1日,将在北京召开:建设“安全可靠、经济高效、绿色低碳、友好互动”的世界一流城市配电网会议,届时将邀请来自于院士、国家电网公司、南方电网公司、全国各网省电力公司、电力科研院所、知名专家、学者及企业代表进行主题演讲;

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