电压型无功补偿研究与应用

姜春玲，罗 宁，楚德全，秦兴中，江爱伟

(1.泰山学院物理与电子工程学院，山东泰安 271021;2.山东华聚能源股份有限公司，山东邹城 273500)

华聚能源济二电厂共有110KV母线一段和6KV母线两段，6KV母线采用单母线分段式接线，两台1.5万千瓦发电机组，1#机组经1#隔离变及电抗器通过两条6KV联络线供电至济二矿变电所，2#机组经2#主变供电至电网，正常运行方式为6KV母线各段分列运行.由于隔离变和电抗器为高阻抗负荷，无功损耗较大，其无功消耗占1#机组厂用电的一半以上，造成1#机组长期无法保证输出电力的功率因数在正常的范围内，输出无功不足.因此为了维持发电机出口电压的稳定，提高供电电压质量，降低发电成本，针对济二电厂的实际，决定实施无功补偿，以保证安全运行和经济运行.

1 无功补偿的概念

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、也是必需的.

供配电系统中，绝大部分用电都具有电感特性，它们都需要从供电系统吸收无功功率.因此，当供电系统提供的无功功率不足时，就要设法产生无功功率，即无功补偿.

无功补偿的作用主要有:

(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，减小无功功率对电网的冲击.

2 各种无功补偿类型对比

2.1 同步调相机

相当于空载运行的同步电动机，在过励磁运行时，它可作为无功电源向系统供给感性无功功率;在欠励磁运行时，它可作为无功功率负荷从系统吸收感性无功功率.由于它是转动设备，存在3个缺点:

(1)安装投资大;(2)运行费用高;(3)检修费用大，时间长.

2.2 固定电容器组

其特点是投资相对较少，但容量不能适时满足系统对无功的需要，经常出现过补或欠补的现象［2］.

2.3 分组投切电容器(VQC)

即把固定电容器组分成若干小电容器组，根据系统对无功的需要分别投入或切除.其主要缺点有: (1)分组容量不能过细，仍不能完全适应系统对无功变化的要求;(2)分组投切引起的涌流和过电压严重影响电容器及系统的安全;(3)目前国内外没有适合频繁投切的高压开关，开关需要经常检修和更换，不能保证系统安全;(4)电容器退出系统后必须放电，才能重新投入使用，因此需要足够的延时，不能适时投切.

2.4 静止补偿器(SVC)

SVC是将感性、容性无功源组合在一起，通过晶闸管控制电容或电抗改变其无功输出满足系统要求.其特点是控制范围大，可以从感性到容性变化.缺点是:(1)造价贵;(2)运行维护复杂，运行费用高; (3)有时会产生高次谐波，对电网造成污染.

2.5 电压型无功补偿装置

可自动跟踪电力系统功率因数，根据测量的系统功率因数和设定值的偏差，来调节电容器端电压改变补偿容量，不是采用传统的投切电容器法，解决了电容器投切中产生过电压、涌流等问题，是一种实时调节方式.可以大幅度降低线损，提高无功管理水平.

3 电压型无功自动调节原理

对于110kV以下的电网主要是容性无功不足的问题，因此可以用调节电容器无功出力的大小来解决.根据计算电容器无功输出功率的公式Q=πf/CU2［3］，可以看出，改变频率f、电容量C或者电压U，都可以实现调节电容器无功出力的目的.前面提到的固定电容器组和分组投切电容器都是采用的改变电容量C的方法，可以看到这种方法有缺陷;改变频率的方法国外才刚刚出现，不太容易实现;而用改变电容器端电压U的方法来对电容器无功出力进行调节是可以实现的.

图1 电压型无功补偿原理框图

电压型无功补偿原理如图1.主要有三部分组成:电力电容器、电压调节器、控制器.电力电容器是容性无功源;电压调节器为电力电容器连接母线的前端设备，接收来自微机控制器的控制指令，调节电容器端电压，从而改变电容器的无功输出容量，以满足系统无功需求;控制器由PT和CT输入系统电压和电流，计算当前系统电压和功率因数，按最佳设定要求控制电压调节器输出电压，调节电容器无功出力，同时控制主变电压分接开关，保证系统电压、无功始终运行在设定范围内，确保电压质量符合要求［4］.

由于系统电压和功率因数是相互影响、密切相关的，一般情况下仅调整其中一项是不能满足要求的，因此要根据当前系统的状态，对系统电压和无功输出的调整作综合考虑.系统状态分类如图2［2］，其中纵轴为系统电压U，横轴为功率因数cos.依所整定的系统电压上、下限和功率因数上、下限共分为9个工作区，其中第9区为正常工作区，系统电压和功率因数均满足要求.其余8个区均至少有一项不满足要求，需要按一定的原则进行调整.调整原则如表1.

图2 系统当前状态分类

表1 电压无功自动调节原则表

4 实际应用

查阅华聚能源济二电厂系统运行记录，以及原始设计，并通过认真调研分析，确定实施方案为:在6kV I段进行无功补偿，采用电压型无功补偿装置，提高无功输出.一次系统接线图如图3所示.

图3 一次系统接线图

功率因数采样点的选取在电厂联络线，即605或606开关处，以任一联络线的功率因数做为调节补偿装置的依据.电压调节器输出电压为母线额定电压的100%～60%，分九档输出，每档调节额定电压5%.通过计算选择电容器固定投入容量为2400KVar，其无功输出容量为100%～36%额定容量.

无功补偿装置自投入运行以来，补偿效果良好，已完全达到预期的效果，可以把功率因数控制在规定范围内.增加无功补偿装置后，每年能为电厂减少功率因数罚款200万元.

5 结束语

电压无功自动调节是将传统电压无功补偿方式的电容器“有级投切”，改为对无功功率的“无级调整”，大大提高了无功补偿精度和实时性.通过调整电压调节装置而调整电容器端电压，从而调整电容器的无功输出功率，以达到补偿系统无功的目的.由于电容器是固定接入，不存在放电问题，不需要调整延时，电压实时分级调节，每次调节电容器端电压的变化量比较小.因此，可以实时跟踪系统的无功变化而调整电容器的无功输出.另外，由于调整过程中不存在过电压，故可有效地延长系统中元件的使用寿命［1］.从华聚能源济二电厂的无功改造来看，电压型无功补偿能把功率因数控制在规定范围内，提高了供电企业的经济效益和电网的供电能力.

［1］罗宁.煤矿电力系统电压无功补偿自动调节的实现方法［J］.中州煤炭，2007，(3).

［2］宋玉鹏，田景美.WZT型变电站电压无功自动调节装置的应用［J］.科技信息，2009，(9).

［3］高丽，罗宁.电压无功自动调节装置的研制及应用［J］.煤矿机械，2007，(9).

［4］王国志，张元敏，等.新型高压无功自动补偿装置的应用［J］.内江科技，2009，(3).