安科瑞 繆凱倫
提及“無(wú)功補(bǔ)償",，首先我們要了解無(wú)功功率的概念,，什么是無(wú)功功率？
人們對(duì)有功功率相對(duì)容易理解,，因?yàn)樗茏龉?、產(chǎn)生熱量、帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)等,。例如,，當(dāng)交流電通過(guò)純電阻時(shí)，電流能使電阻發(fā)熱,，是實(shí)實(shí)在在能感受得到的功率,。但“無(wú)功功率"一般則難于理解，它僅存在于交流電中,，直流電不存在無(wú)功功率的問(wèn)題,。例如，當(dāng)交流電流通過(guò)純電容或純電感負(fù)載時(shí)并不做功,，也就是說(shuō)純電容或者純電感負(fù)載不消耗有功功率,，但在它們中流過(guò)的電流以及對(duì)應(yīng)電壓就形成了交流功率，這種交流功率即稱為無(wú)功功率,。理論上講,，無(wú)功功率是不做工的，當(dāng)然它不應(yīng)該產(chǎn)生光和熱,，更不能帶動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn),。
往往我們遇到的負(fù)載很少有純感性或純?nèi)菪缘模话愣际腔旌闲载?fù)載,，這樣電流在通過(guò)它們的時(shí)候,，有部分功率能做功，有部分功率不能做功,，不能做功的功率就是無(wú)功功率,，為了直觀的體現(xiàn)無(wú)功功率和有功功率的關(guān)系,，人們采用功率因數(shù)的概念來(lái)表述電能的利用率。功率因數(shù)越接近1,，說(shuō)明有功功率的占比高,，電能的利用率高；反之,，功率因數(shù)越接近0,，說(shuō)明有功功率的占比低，電能的利用率則低,。為了提高電能的利用率,，就提出了“無(wú)功補(bǔ)償"的概念。
了解了無(wú)功功率,、有功功率,、功率因數(shù)的概念，也知道了無(wú)功補(bǔ)償?shù)母灸康木褪翘岣唠娔芾寐?。接下?lái)我們具體分析下：為什么要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,、無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑硎鞘裁础⒀a(bǔ)償形式有哪些以及補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)性的分析等,。
一,、為什么要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償
無(wú)功功率不是無(wú)用功率，在交流供電系統(tǒng)中,，電感和電容都是負(fù)載,，如電動(dòng)機(jī)、變壓器等鐵磁性負(fù)載,，如果沒(méi)有感性無(wú)功的勵(lì)磁,，設(shè)備無(wú)法正常工作，比如定距離送電的線路本身,，就是容性負(fù)載,，只要是送電當(dāng)中就會(huì)相當(dāng)于電容器在工作。那么也就是說(shuō)在交流供電系統(tǒng)中,，無(wú)功的存在對(duì)功率的傳輸和交換有著巨大意義,，*，或者說(shuō)離開無(wú)功功率的交換系統(tǒng)就不能正常工作,。
那么,，大量的無(wú)功由哪里來(lái)？系統(tǒng)中眾多的無(wú)功負(fù)載,，尤其是感性無(wú)功負(fù)載,，正常來(lái)講，這些負(fù)載所吸收的無(wú)功功率是由發(fā)電廠提供的，也就是說(shuō)發(fā)電機(jī)在工作時(shí)就會(huì)向系統(tǒng)釋放有功電能,，同時(shí)對(duì)感性負(fù)載提供相應(yīng)的無(wú)功電能,。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要要保持適當(dāng)?shù)臒o(wú)功輸出，如果沒(méi)有無(wú)功輸出就會(huì)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)造成破壞性的影響,也就是說(shuō)保護(hù)系統(tǒng)的無(wú)功平衡至關(guān)重要,。
當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)功功率需求增加時(shí),，如果不在系統(tǒng)人為地安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，發(fā)電廠要通過(guò)調(diào)相的方式來(lái)加大無(wú)功功率輸出,，由于發(fā)電機(jī)的容量是有限的，那么就勢(shì)必要減少有功功率的輸出量,，也就是降低發(fā)電機(jī)的輸出能力,，為滿足用電的要求，發(fā)電機(jī),、供電線路和變壓器的容量需增加,，這樣不僅增加供電投資、降低設(shè)備利用率,，也將增加線路損耗,。
為了降低發(fā)電廠的無(wú)功供給壓力，我們?cè)诠╇娤到y(tǒng)中感性負(fù)載消耗較大的點(diǎn)投入相應(yīng)的電容器來(lái)為感性負(fù)載提供無(wú)功功率,，這樣就減輕了發(fā)電廠的無(wú)功供給壓力,。用戶應(yīng)在提高用電自然功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置,，并做到隨其負(fù)荷和電壓變動(dòng)及時(shí)投入或切除,，防止無(wú)功倒送。同時(shí)將用戶的功率因數(shù)達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),，以避免供電部門加收力率電費(fèi),。因此，無(wú)論對(duì)供電部門還是用電部門,，對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償以提高功率因數(shù),，防止無(wú)功倒送，對(duì)節(jié)約電能,、提高運(yùn)行質(zhì)量都具有非常重要的意義,。
二、無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑硎鞘裁?/span>
1,、從吸收功率和釋放功率角度分析
一般在系統(tǒng)中所說(shuō)的無(wú)功負(fù)載大部分是感性無(wú)功負(fù)載,，把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路，當(dāng)感性無(wú)功負(fù)載吸收功率時(shí),，容性負(fù)載釋放功率,，而感性負(fù)載釋放功率時(shí)，容性負(fù)荷卻在吸收功率，功率在容性負(fù)載和感性負(fù)載之間交換,，這樣容性負(fù)載所吸收的無(wú)功功率可以從感性負(fù)荷裝置輸出的無(wú)功功率中得到補(bǔ)償,，無(wú)功功率就地平衡掉，以降低線路損失,，提高帶載能力,，降低電壓損失及緩和發(fā)電廠的供電壓力，這就是無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹怼?/span>
2,、從相位（感性/容性）角度分析
純電感負(fù)載中電流IL滯后電壓90°,，其功率稱為感性無(wú)功功率；而純電容負(fù)載中電流Ic則超前電壓90°,，其功率稱為容性無(wú)功功率,。
電容中的電流與電感中的電流相位相差180°,可以相互抵消。電力系統(tǒng)中的負(fù)載大部分是感性負(fù)載,，因此總電流I將滯后電壓一個(gè)角度Φ1,如果將并聯(lián)電容器與負(fù)載并聯(lián),，這時(shí)I′＝I+IC,電容器的電流將抵消一部分電感電流，從而使總電流從I降低到I′,，相位角由Φ1減少為Φ2,可以提高功率因數(shù),，無(wú)功就地得到治理。
三,、無(wú)功補(bǔ)償?shù)男问接心男?/span>
廣義上講,，無(wú)功補(bǔ)償?shù)男问椒N類較多，比如：
按照補(bǔ)償并網(wǎng)點(diǎn)PCC點(diǎn)電壓等級(jí)不同,，可分為高壓補(bǔ)償,、中壓補(bǔ)償、低壓補(bǔ)償,；
按照補(bǔ)償點(diǎn)在輸配電系統(tǒng)中的位置不同,，可分為設(shè)備側(cè)就地補(bǔ)償、區(qū)域局部補(bǔ)償,、變電所集中補(bǔ)償,；
按照補(bǔ)償設(shè)備類型，可分為投切電容器補(bǔ)償（FC補(bǔ)償）,、機(jī)械旋轉(zhuǎn)類補(bǔ)償（如：同步調(diào)相機(jī),、同步發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)）,、靜止類無(wú)功補(bǔ)償（靜止無(wú)功補(bǔ)償器：晶閘管投切電容TSC,、晶閘管控制電抗器TCR、磁控電抗器MCR,；靜止同步補(bǔ)償器STATCOM,；靜止無(wú)功發(fā)生器SVG）,、復(fù)合類無(wú)功補(bǔ)償（FC+TCR、FC+MCR,、FC+STATCOM）等,。
3.1 按照補(bǔ)償位置區(qū)分的補(bǔ)償形式
接下來(lái)主要針對(duì)低壓0.4KV系統(tǒng)補(bǔ)償點(diǎn)位置不同，無(wú)功補(bǔ)償?shù)男问阶鰝€(gè)簡(jiǎn)單介紹,。
1,、設(shè)備側(cè)就地補(bǔ)償
設(shè)備側(cè)就地補(bǔ)償就是對(duì)單臺(tái)用電設(shè)備所需的無(wú)功就近補(bǔ)償?shù)霓k法，把電容器直接接到單臺(tái)用電設(shè)備的同一個(gè)電氣回路,，用同一臺(tái)開關(guān)控制,，同時(shí)投運(yùn)或斷開。這種補(bǔ)償方法的效果較好,，電容器靠近用電設(shè)備,，就地平衡無(wú)功電流，可避免無(wú)負(fù)荷時(shí)的過(guò)補(bǔ)償,，使供電質(zhì)量得到保證。這種補(bǔ)償方式常用于高低壓電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備,。但這種補(bǔ)償方式在用戶設(shè)備非連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),，電容器利用率低，不能充分發(fā)揮其補(bǔ)償效益,。
2,、區(qū)域局部補(bǔ)償
區(qū)域局部補(bǔ)償是將電容器分組安裝在車間配電室或變電所各分路的出線上，它可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化投入或切除電容器組,，補(bǔ)償效果也比較好,，但造價(jià)相對(duì)較高。
3,、變電所集中補(bǔ)償
變電所集中補(bǔ)償是所有電容器組集中安裝在變電所的一次或二次側(cè)的母線上,。這種補(bǔ)償方式安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠,，可以集中補(bǔ)償?shù)蛪?/span>0.4KV系統(tǒng)的無(wú)功功率,，對(duì)于變壓器原邊（一般是10KV計(jì)量點(diǎn)）功率因數(shù)的提升有比較直接的效果，這類補(bǔ)償方式是當(dāng)前采用廣泛,，性價(jià)比相對(duì)比較高的方案,。
3.2 按照補(bǔ)償設(shè)備類型區(qū)分的補(bǔ)償形式
按照補(bǔ)償設(shè)備類型細(xì)分的設(shè)備就非常多了,，一般都是按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行設(shè)備類型,，各個(gè)補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行都各有利弊，在本文中我們主要針對(duì)市場(chǎng)上0.4KV配電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的兩類產(chǎn)品——投切電容器補(bǔ)償（FC補(bǔ)償）和靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG補(bǔ)償）,，在此給大家做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹,。
1、投切電容器補(bǔ)償（FC補(bǔ)償）
投切電容器補(bǔ)償也就是傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器補(bǔ)償方式，他的原理是通過(guò)增加容性無(wú)功補(bǔ)償負(fù)載的感性無(wú)功需求,，提升負(fù)載電壓的穩(wěn)定性,，提高功率因數(shù),。
由于早期并聯(lián)電容器的投切是通過(guò)接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn),，接觸器動(dòng)作時(shí)間都是秒級(jí),，所以它的致命缺點(diǎn)是：合閘涌流大，嚴(yán)重的情況下可以達(dá)到補(bǔ)償電容器額定電流的50-100倍,，會(huì)產(chǎn)生較大的弧光，造成電容器和接觸器的損壞,。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載實(shí)際運(yùn)行情況,，市場(chǎng)上逐漸出現(xiàn)同步開關(guān)、復(fù)合開關(guān),、晶閘管開關(guān)等替代接觸器的方案,，在電壓過(guò)零點(diǎn)合閘、電流過(guò)零點(diǎn)切斷方面有了很大的提升,，大大降低了投切涌流導(dǎo)致的設(shè)備損壞,。
為了投切控制智能化、采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)多元化,、保護(hù)功能多樣化,、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單化，近些年又衍生出了另一類投切電容器補(bǔ)償——智能電容,，相比于傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償,，它具有多項(xiàng)技術(shù)功能是傳統(tǒng)電容器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。另外,，隨著負(fù)載設(shè)備電力電子化,，配電系統(tǒng)諧波影響不容忽視，尤其對(duì)電容的影響,，所以針對(duì)諧波的影響,，FC補(bǔ)償也做了很多相關(guān)改進(jìn)，比如提出串抗率的概念,，什么情況下用6%,、7%的串抗率,？什么情況下用13%、14%的串抗率,？這部分內(nèi)容后期做專題進(jìn)一步講解,。
2、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG補(bǔ)償）
靜止無(wú)功發(fā)生器是一種用于補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置,，它能對(duì)大小變化的無(wú)功以及負(fù)序進(jìn)行快速和連續(xù)的補(bǔ)償,，其應(yīng)用可克服FC補(bǔ)償器等傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償器響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償效果不能合理控制,、容易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振和投切震蕩等缺點(diǎn),。
相比于FC補(bǔ)償大的三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)在于：
①線性補(bǔ)償無(wú)功功率，補(bǔ)償階梯小于1KVar,；
②無(wú)木及性補(bǔ)償,，既可以輸出容性無(wú)功，也可以輸出感性無(wú)功,；
③響應(yīng)時(shí)間快,，全響應(yīng)時(shí)間小于5ms。
四,、無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益
1,、補(bǔ)償無(wú)功功率，提高功率因數(shù)
根據(jù)《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》的通知內(nèi)容,，不難發(fā)現(xiàn)，功率因數(shù)以0.9為標(biāo)準(zhǔn)值的力率調(diào)整規(guī)定,，提高功率因數(shù)可以減少總電費(fèi)的繳納,，甚至功率因數(shù)高于0.9的配電用戶，還能獲得電力公司力率調(diào)整的獎(jiǎng)勵(lì)費(fèi)用,。
通過(guò)合理的補(bǔ)償,，使計(jì)量點(diǎn)的功率因數(shù)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以去除力率電費(fèi),，從而使電力用戶電費(fèi)支出大幅度降低,。
動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的有功節(jié)能只是降低了補(bǔ)償點(diǎn)至發(fā)電機(jī)之間的供配電的損耗。所以高壓網(wǎng)側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償不能減少低壓閥側(cè)的損耗,，亦不能使低壓供電變壓器的利用率提高,，根據(jù)合適的補(bǔ)償理論，就地動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償節(jié)能好,。
另外,，市場(chǎng)上很多補(bǔ)償設(shè)備宣傳“節(jié)能"“省電"等等概念，也基本上都是從無(wú)功補(bǔ)償入手,，提高功率因數(shù),，減少力率罰款,，或者由力率罰款轉(zhuǎn)化為力率獎(jiǎng)勵(lì)的方式，實(shí)現(xiàn)為配電用戶省錢的目的,。所以關(guān)于無(wú)功補(bǔ)償,，在自然界功率傳遞的角度認(rèn)識(shí)的話，嚴(yán)格講并不屬于“節(jié)能"“省電"范疇,，但是實(shí)實(shí)在在可以給配電用戶省錢,。
2、降低輸電線路及變壓器的損耗
合理的補(bǔ)償可以合理的降低系統(tǒng)電流,，以系統(tǒng)自然功率0.7為例,，如通過(guò)補(bǔ)償裝置將系統(tǒng)功率因數(shù)提高到接近1的水平，系統(tǒng)電流將下降30%左右,，即線路和變壓器的損耗可降為P=I2R＝(1-30%)2R=0.49R,，即線路和變壓器損耗可降低51%。用電企業(yè)的自然功率因數(shù)一般在0.7左右,，功率因數(shù)從0.7提高到0.95以上線損降低率和變壓器的銅損降低率如下表：
降低線路及變壓器損耗,，節(jié)約有功電度，是重要的節(jié)能措施,。如在石油行業(yè)中,，線路比較長(zhǎng)，而且比較復(fù)雜,，那么可以通過(guò)增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備來(lái)降低運(yùn)行電流,，從而降低線路損耗，節(jié)約有功電度,，節(jié)能效果明顯,。
3、增加電網(wǎng)的傳輸能力,，提高設(shè)備利用率
由于補(bǔ)償裝置可以合理的降低系統(tǒng)電流和視在功率,，故可以合理的降低電網(wǎng)建設(shè)中所有相關(guān)設(shè)備的容量，從而降低電網(wǎng)建設(shè)中的投資,。功率因數(shù)在0.7左右的系統(tǒng),，由于合理的補(bǔ)償可使系統(tǒng)電流下降30%，即提高發(fā)電廠,、變配電設(shè)施30%的帶載能力,。
如果變壓器及線路小容量不足時(shí)，可以通過(guò)安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置的方法解決,。安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置可以使無(wú)功功率就地平衡,，從而減小流過(guò)線路及變壓器的電流，減緩導(dǎo)線及變壓器的絕緣老化速度,，延長(zhǎng)使用壽命,。同時(shí)可以釋放變壓器及線路的容量,，增加變壓器及線路帶負(fù)荷能力。如,，有一臺(tái)100KVA變壓器,，目前負(fù)載率為85%，COSΦ=0.7,。如果加裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,，可使變壓器釋放30%的帶載量，用戶可在變壓器不增容的情況下,，增加負(fù)載,，進(jìn)行擴(kuò)大生產(chǎn)。
4,、改良電壓質(zhì)量
由于系統(tǒng)存在的大量感性負(fù)載將造成供電線路壓降,，尤其在供電線路末端更為嚴(yán)重,，通過(guò)合理的補(bǔ)償可以合理的緩和線路壓降，改良電能質(zhì)量,。
線路中的電壓損失的計(jì)算公式如下：
式中：
P —— 有功功率，kW
U —— 額定電壓,，kV
R —— 線路總電阻,，Ω
Q —— 無(wú)功功率，kVar
Xl—— 線路感抗,，Ω
由于系統(tǒng)的感抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻抗,，從上式中可以看到,無(wú)功的變化會(huì)引起電壓產(chǎn)生很大的變化。當(dāng)線路中，無(wú)功功率Q減小以后,，電壓損失也就減少了,。
對(duì)于供電線路末端電壓一般較低,，可通過(guò)增加無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)提升線路末端電壓，使用記設(shè)備安全可靠運(yùn)行,。
另一方面，隨著工業(yè)的發(fā)展,，大量的自控設(shè)備及非線性負(fù)載的使用,，使大量諧波在供配電網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)，污染電網(wǎng),。通過(guò)合理的配置補(bǔ)償濾波設(shè)備,，治理或大幅度降低諧波對(duì)供電系統(tǒng)和用電設(shè)備的影響是改良電能質(zhì)量的主要手段之一,。
電能質(zhì)量問(wèn)題隨著新型電力系統(tǒng)的興起，必然要面臨很多電能質(zhì)量相關(guān)問(wèn)題,，以下幾類問(wèn)題值得進(jìn)一步了解,、熟悉、探索：
① 諧振問(wèn)題分析,，什么是諧振,？
② 什么現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)濾波器損壞現(xiàn)象？
③ 濾波器就地補(bǔ)償和集中補(bǔ)償?shù)膮^(qū)別,？
④ 要求諧波治理到5%,，如何去理解？
⑤ 加裝濾波器到底能不能起到“節(jié)能"的作用,？
⑥ 儲(chǔ)能,、光伏、風(fēng)電等電力電子器件的并網(wǎng),，對(duì)電能質(zhì)量的影響如何？
⑦ 微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的需求是否重要,？
⑧ ,。,。。
