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力调电费(六):无功补偿的方式

来源:小九直播NBA直播下载    发布时间:2024-03-06 14:54:41

  前面几篇文章,我们从无功功率和功率因数的概念出发,讲到提高功率因数不但可以降低线路和变压器损耗、提高设备可用容量,还可以有效的预防被惩罚力调电费。 而对于一向被忽视的力调电费,我们也援引几个案例,说明其不被重视可能会引起的危害。 既然需要提高功率因数,那么就要做到优秀无功补偿,今天我们来谈下无功补偿的几种方式。

  无功的存在不是无用也不是废物,仅仅是对能量的转化无用,但其对维持电磁场的能量交换至关重要,可以说没有无功功率,设备也就无法正常运行。 所以在具体的设备支路,无功功率是一直存在的,且不能被消除的。 而我们所谓的无功补偿是在与该设备相同电气连接点处,并联接入无功补偿设备,由其向该设备提供所需的无功。 那么设备正常运行所需要的无功不再由上一级的电力系统提供。 与分布式光伏发电自发自用的电量类似,在本级可以抵消掉就不用上级再提供。 所以无功可以被补偿,但不会被消灭。

  上图为一简化的用户内部供配电系统,若无B支路无功补偿设备不工作,则C支路的用电设备所需的有功P用和无功Q用都将来自上级系统。 而当无功补偿设备工作后,其提供用电设备所需的全部或者大部分无功,则相应主线路供应的无功降低。 所以,C支路的无功功率依然存在,并没有被消灭,只是被临近的B支路提供,而相对来说,在主线路也就是B、C支路之前更接近于大电网系统的点位看,无功供应降低,即视为无功补偿。 可见,所谓的无功补偿,就是找一个“无功源”,让其来提供设备正常运行所需要的无功功率,这个源可以来自电源,也可以来自一些专门的补偿设备。

  发电机作为电源,即可发出有功功率也可以发出无功功率。 当发电机向电网同时发送有功功率和无功功率时,称之为迟相运行,这也是发电机组运行的常态。 向电网输送有功功率好理解,而其输送无功的无功功率是为满足感性负载的需要,毕竟在整个电力系统的用电侧,感性负荷远多于容性负荷。 当发电机组向电网发送有功功率但吸收无功功率时,称之为进相运行。 而当发电机组不向电网发出有功功率,而仅仅是提供无功功率时,称之为调相运行。 只要发单机组有无功功率的发出或者吸收,则意味着其运行在非单位功率因数,而我们已知道功率因数与可利用容量有关。 为了发出无功或者吸收无功让发电机组腾出一部分容量来输出无功,势必会降低自身有功的份额,而发出的有功电量才被计量为上网电价,获得发电收益。 所以一般发电机组并不会过多承担无功,而是配置调相机来完成无功的输出,这一点和大型光伏电站有些类似,光伏组件和逆变器构成了发电机,而配置的SVG类似调相机的功能,承担无功的作用。 无需过多深究以上内容,但要知道不论是发电机还是调相机,其负责无功功率都是需要电机的旋转,而这也是为何在用户侧的一些无功补偿设备都以“静止”这两个字开头。

  静止无功补偿器SVC(Static Var Compensators)是一种应用于电力系统中,用于动态调节系统无功功率,从而改善电压稳定性和提高电力系统的传输效率的装置。 SVC多利用在用户侧,而其之所以叫做静止,对应的并不是“动态”,而是“旋转”。 区别于前述的发电机和调相机都要通过自身的旋转来提供无功,显然SVC要安静的多,所以被叫做静止。 简单来说,SVC的工作原理是基于可控硅(thyristor)的开关操作来调节其连接的电抗器(reactor)或电容器(capacitor)的有效电抗值,从而动态地提供或吸收无功功率。 而基于此技术,有两类主要的SVC设备,一个是TCR,一个是TSC。 可控硅开关电抗器(TCR, Thyristor-Controlled Reactor):TCR通过调节可控硅的导通角来改变电流的相位,从而调节流过电抗器的电流的大小,实现无功功率的动态调整。 TCR大多数都用在吸收无功功率,帮助提升低电压或抑制过高电压,其可在连接的电抗器额定感抗下提供连续动态调整的无功功率。 如果简单说,TCR适用于那些容性符合较多的用户,用自身可调节的感抗来无补偿负荷的容抗。

  TCR结构图TSC结构图可控硅开关电容器(TSC, Thyristor-Switched Capacitor):与TCR相对应,TSC通过可控硅的开关操作来连接或断开电容器组,从而在电网中补偿或吸收无功功率。 TSC是大部分用电企业在配电室里的标配,其通过晶闸管来控制电容器的投切,但是电容器要么整组投入,要么整组切除,虽然其能够准确的通过当前负荷的情况做动态调整,但每次投入的补偿量却是固定值,受电容器组的容量限制。 所以可以说TSC依然是依靠投切电容器组进行无功补偿,但是不同容抗的电容器可以配置多组,还能够按角接(三相全投全切)或者星接(可单相投切)与线路连接。

  为了继续优化无功补偿,实现连续可调,又出现了新的静止型无功补偿设备SVG。 静止无功发生器(SVG),与传统的静止无功补偿器(SVC)相比,提供了更为精确和快速的无功功率调节能力,可以有明显效果地地提高电力系统的电压稳定性和运行效率。 SVG利用全控型半导体器件(如IGBT)来直接控制无功功率的生成或吸收,无需通过改变电抗器或电容器的物理连接状态。 SVG可以在极短的时间内(通常为毫秒级)对电网的无功需求作出响应,实现从满负荷吸收无功到满负荷输出无功的快速切换。 简单讲,TSC只能按固定值进行无功补偿,而SVG可实现额定容量下的任意数值补偿。 当然,二者也能结合自身优势,形成组合补偿。用TSC充当基础补偿,再用SVG进行差额的补充,这样做才能够把造价成本降下来,还能轻松实现连续可调。 当年黄师傅在电网的时候做过一个科技项目与之有关,当时系统原理图如下:

  用户侧的补偿设备大致都集中在TCR(提供连续容性无功),TSC(提供固定感性无功),SVG(提供连续容/感性无功),而且后两者尤为常见。 但不论哪种设备,其运行都要通过内部的控制器。 在用户侧,控制器通过对变压器低压主进线处的电压和电流信号进行采样,计算出当前的无功需量和功率因数,再根据内置的补偿算法来控制晶闸管或者IGBT的通断,进行达到无功补偿的目的。 这个低压一般是相对的低压,比如用户10kV进线kV侧;如果是更高电压等级入户,那么进行分级补偿,主补偿依然在主变压器的副边电压等级,同时各配电变压器的低压0.4kV侧依然配置就地补偿装置。 我们不用去深究具体的补偿算法,但要清楚的是设备采集信号的位置,变压器低压主进线处的电压和电流信号,如图:

  因为无功补偿的目的是要将上一级的功率因数维持好,而0.4kV的上一级是10kV,从高压侧采集信号挺麻烦,而变压器低压主进线和高压侧相差仅为变压器的损耗,所以采集低压侧较为方便且易于整套柜体的集成。 之所以强调这一点是因为很多分布式项目都在头疼于造成了用户计量点功率因数的降低,进而造成了不菲的力调电费。 而很多原有且好用的无功补偿设备因为光伏的加入顿时变得无所适从,像丧失了功能一样,原因就在于控制器采集的电压和电流信号处因为系统潮流的变化而产生了一些变化。 接下来的文章,我们就着重谈一下这些现象产生的原因,并对一些当下的解决方案提供一些不一样的视角。

  无功补偿不是消灭无功功率,而是通过同级无功补偿设备的投入来满足用电设备的无功需求,最终使得上一级系统提供的无功功率降低,功率因数提高。

  发电侧的发电机和调相机通过旋转的方式提供无功功率,这也是为何用户侧无功补偿设备被冠以“静止”的原因。

  SVC静止无功补偿器可提供连续可调的容性无功或者固定补偿但动态可调整的感性无功。

  SVG静止无功发生器可提供连续可调的容性和感性无功,且与SVC设备可配合使用。

  用户侧无功补偿设备内部控制器采集的电气信号来自于变压器副边低压侧主进线处。

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