提高功率因数的节能解决方案

1）基本概况

电压质量是电力系统电能质量的重要指标之一，它的好坏主要取决于电力系统无功潮流分布是否合理。这不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣，而且还直接影响电网自身运行的安全性和经济性。这在与用户直接相关的配电网中显得尤为重要。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。

随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，大量的高档商场宾馆、办公楼等公共建筑在城市中拔地而起，使城市用电量快速增长。但是，在这些公共建筑场所内使用的负荷，因其自身功率因数较低，在电网中滞后无功功率的比重较大。为保证降低电网中的无功功率，提高功率因数，保证有功功率的充分利用，提高系统的供电效率和电压质量，减少线路损耗，降低配电线路的成本，节约电能，通常在低压供配电系统中装设电容器无功自动补偿装置。无功功率自动补偿是电力系统中应用无功功率自动调节措施改善电网无功功率分布和电压水平，从而降低地区电网间损耗和输变电线路功率损耗的方法。因此，公共建筑电力系统中无功功率自动补偿设备及装置有着极其重要的作用。优化配置补偿设备及装置，不但可以减少电网损耗、提高供电质量，还能有效解决系统电压波动和谐波的问题，提升电网能源的利用率，降低建筑电气系统能耗。

在实际的电网运行时，补偿电容器不可能随意地安装在任何地方，需要根据实际情况的补偿量来确定安装位置。通常根据不同的安装位置，其补偿方式分为集中补偿、分散补偿和就地补偿3种，如图7.1所示。

图7.1　无功补偿装设方式

集中补偿是指将低压无功补偿装置通过低压开关接在用户专用变电所或配电室的低压母线上，用以补偿配电变压器的无功损耗和变电所以上输电线路的损耗，如图4.1中C1所示。其适用于线路末端负荷波动幅度不大、地点集中的场合。它的优点是接线简单，便于维护和控制；缺点是节能效果差、容易降低电容器的寿命等。

分组补偿又称分散补偿，它是将电容器组按低压配电网无功负荷的分布分组装设在相应的母线上，或者分散地装设在车间或设备功率因数较低的地方，如图4.1中C2所示。这种方式是使被补偿的无功功率不再通过主干线以上线路输送，从而减小主干线路的无功电流，减小无功功率损耗，适用于用电负荷点较多（比如多个车间）、距离较远的场所。

就地补偿，又称随机补偿，它是将电容器组直接并联装设在电动机的供电回路上，就地补偿用电设备所消耗的无功功率，如图7.1中C3所示。电容器组随电动机同时投入或退出运行，使装设点以上输配电线路输送的无功功率减少，能获得明显的降损效益。它适用于长距离大用电设备，因为由于负载末端功率因数的提高，可使前面的配变电设备、配电线路等的损耗减少。但它存在着投资高、利用率低的缺点，同时因为安装在生产现场，维护很不方便。

目前无功补偿主要有以下两种形式。

（1）三相共补

传统的低压补偿大都采用三相共补，根据控制器统一采样，各相投入相同的补偿容量。每相中电容承受的是线电压，所以其补偿容量。这种补偿方式适用于三相负载基本平衡、各相负载的功率因数相近的网络。三相共补技术接线方式如图7.2所示。

图7.2　三相共补技术接线方式

三相共补广泛采用两组晶闸管作为控制器件。为了提高运行的可靠性，防止电容器和晶闸管损坏，晶闸管投入时必须要有过零检测，即只有当晶闸管两端的电压等于零时晶闸管才导通。实际上电压绝对过零很难做到，会存在电流的暂态过程。但只要线路电参数配合合理，这个过程持续时间不长，并很快过渡到稳定状态。值得注意的是，当晶闸管切除后，晶闸管和电容器均存在着很高的残压，这对晶闸管和电容器的耐压也提出了更高的要求。如果器件选择不当或保护不够，常常会造成晶闸管和电容器烧毁。因此，三相共补适用于三相负载较平衡的场合。

（2）三相分补

在公共建筑等工程项目中，大量使用的是单相负荷，照明、空调等由于负荷变化的随机性大，容易造成三相负载的严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。由于调节补偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相，造成未检测的两相要么过补偿，要么欠补偿。如果过补偿，则过补偿相的电压升高，造成控制、保护元件等用电设备因过电压而损坏；如果欠补偿，则补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备由于电流的增加而导致发热被烧坏。这种情况下用传统的三相无功补偿方式，不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功补偿进行有效补偿，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来了严重的危害。

对于三相不平衡及单相配电系统采用分相补偿是解决上述问题的一种较好的办法，其原理是通过调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相，根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿，对其他相不产生相互影响，故不会产生欠补偿和过补偿的情况。而分相无功功率自动补偿技术，则是对低压配电末端每相照明负载的无功功率分相采样，按各相各自的工况需要进行较为精确、合理的补偿。另外考虑到负载功率、动态变化量均相对较小的特点，对每相电容量进行级数细分，使得每相电容补偿量趋于较为平滑，并且尽可能缩短系统动态响应时间，以适应系统对负载各工况变化的要求。

三相分补方式就是各相分别取样，按照需要分别投入不同的补偿容量，每相承受的是相电压，所以补偿容量QCY＝ωCU2。此种方法适用于各相负载相差较大，其功率因数值也有较大差别的场合。它与三相共补不同处在于它的控制器分相进行工作，互不影响。但是，其价格比三相共补的装置要贵20%～30%。三相分补技术接线方式如图7.3所示。

分相补偿电原理结构方框图如图7.4所示。

从图7.4可知，系统采样信号分别独立取自于进线端A、B、C三相。采样得到的信号送入计算机控制器CPU进行实时分析、处理，正确判断系统三个相分别是否需要投入或退出补偿，以计算投入或退出补偿量的多少。因为采样信号分别独立取自于三个相，所以当A相和B相的负载正常投入运行，而C相负载由于某种原因未投入运行，本系统仍能做到对A相和B相的负载进行自动跟踪补偿，而系统则对C相跟踪监视。

图7.3　三相分补技术接线方式

图7.4　分相补偿电原理结构图

智能三相自动无功补偿能自动检测各相负载的功率因数，同时自动分相投入各相所需的电容补偿量，以使各相的无功功率补偿达到最佳状态。对大量使用单相用电负荷，易产生三相不平衡的用电单位，如宾馆、饭店、大型商场等公共建筑的配电系统有改善功率因数、提高电网效率、改善电压质量、节约用电、增大变压器有功容量等显著效果，较大程度地满足了“电网绿化”的要求。

2）节能诊断

（1）节电量计算数据

节电量计算数据如表7.1所示。

表7.1　无功补偿节电量计算数据

（2）示例

110 kV变电站通过无功补偿措施降低电网损耗，在10 kV母线加装4组电容器，每组电容器补偿容量为2 000 kvar。项目实施前后参数如表7.2所示。

表7.2　无功补偿项目实施前后参数表

续表

统计报期按典型月计算，假定报告期已包含典型负荷工况。根据表中数据，可得年（8 760 h）节约最大电功率为39.2 kW。

相应的年节能量为：

Δ（ΔE）＝12×（2.4×170＋9.8×200＋23.7×200＋39.2×100）＝13.2万kW·h。

（3）计算标准依据

计算依据标准为《电力网电能损耗计算导则》DL/T 686。

（4）无功补偿估算法

变电站无功补偿项目节电量根据无功补偿装置全投入时的容量，无功补偿电容器的介质损耗，无功经济当量，无功补偿装置在最大节电力情况下的等效运行时间以及无功补偿投入运行后运行月数进行估算，具体如表7.3所示。

表7.3　无功补偿装置运行参数表

(www.xing528.com)

典型介质损耗常数值如表7.4所示。

表7.4　典型介质损耗常数值

典型无功经济当量值如表7.5所示。

表7.5　典型无功经济当量值

无功节电年等效运行时间（用能单位变电站）如表7.6所示。

表7.6　无功节电年等效运行时间

3）无功补偿技术

（1）技术背景

无功补偿技术是借助于无功补偿设备提供额外的无功功率来提高电力系统的功率因数，从而降低电网损耗、改善电网电压质量。

无功补偿设备是指在电力系统（包括用户）中安装的用于平衡无功功率的并联电容器设备、并联电抗器、同期调相机和动态无功补偿设备。

在交流电路中，除了电阻负载以外，还有电感负载和电容负载。例如，在电力网中使用最多的电动机与变压器，在运行中要产生磁场；而电容器及空载输电线则产生电场，交流电在电源与这类电感或电容负载之间往返流动，在流动中通过磁场或电场时，不会使电能转换成热能、机械能、化学能或其他任何类型的能量。此电能既不做功也不消耗，这种电能称为无功电能，习惯上称为“无功电功率”，简称“无功功率”。无功功率的符号用Q表示。

功率因数是电压与电流之间的相位差φ的余弦，用符号表示。在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即，其中符号P代表有功功率，它是指用电设备正常运行时，将电能转换为其他形式能量（如机械能、光能、热能等）的电功率；符号S代表视在功率，它是指有功功率与无功功率的向量和。功率关系如图7.5所示。

它们之间的关系是：

S2＝Q2＋P2

P＝S cosφ

Q＝S sinφ

电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此，在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。减少了无功功率在电网中的流动，可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这种措施称作功率因数补偿。由于功率因数提高的根本原因在于无功功率的减少，因此功率因数补偿通常称为无功补偿。无功补偿的原理如图7.6所示。

图7.5　功率关系

图7.6　无功补偿原理图

其中，P为有功功率，S1为补偿前的视在功率，S2为补偿后的视在功率，Q1为补偿前的无功功率，Q2为补偿后的无功功率，φ1为补偿前的功率因数角，φ2为补偿后的功率因数角。

由图7.6可以看出，在有功功率P一定的前提下，无功功率补偿以后（补偿量Qc＝Q1-Q2），功率因数角由φ1减小到φ2，则cosφ2＞cosφ1，提高了功率因数。

如果能维持无功功率平衡，使输电线路及变压器中尽量不流过无功电流，就可以维持电压稳定，保证电压质量。无功补偿技术在此背景下得到了快速发展。

（2）常用无功补偿设备的技术原理

常用的无功功率补偿设备包括同步调相机和固定电容器。随着电力电子技术的发展，静止无功补偿装置（SVC）、静止无功发生器（SVG）得到快速发展。

同步调相机实质上是不带机械负载的同步发电机。改变同步调相机的励磁，可以使同步调相机工作在过励磁或欠励磁状态，从而发出或吸收无功功率。它是最早采用的无功调节设备之一。同步发电机处在过励磁状态时，可以从电网汲取相位超前于电压的电流，从而改善电网的功率因数。根据电网负载情况的不同，适当调节调相机的励磁电流，可改变调相机汲取的无功功率，使电网的功率因数接近于1。在长距离输电线路中，线路电压将随负载情况的不同而变化。如果在输电线的受电端装一同步调相机，在电网负载重时，让其过励运行，增加输电线路中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降；在输电线路轻载的情况下，让其欠励运行吸收滞后的无功电流，可防止电网电压上升，从而维持电网电压在一定的水平上。同步调相机的优点：当系统故障引起电压下降时，同步调相机可以快速动作，输出大量感性无功功率，起到电压支撑的作用。

作为无功功率补偿用的电容器以并联的方式接入电力系统，电容器只能输出无功功率，其产生的无功功率大小可表示成并联电容器是目前最主要的无功补偿方法，其主要特点是价格低、效率高、运行成本低，在保护完善的情况下可靠性也很高。

（3）节能效果

一般的用电负载都有线圈，如异步电动机绕组、电器的线圈等。线圈消耗的感性无功（称为滞后无功），电容器则消耗容性无功（称为超前无功）。无功功率是不消耗能量的功率，只是在交流电的半个周期内暂时将电能以磁场（感性无功）或电场（容性无功）的形式储存起来，然后在另外半个周期内将所储存的能量返还给电网。虽然无功不消耗电能，但是要储存电功率就必须通过增加电流来实现，而电流的增加会导致电网传输线路的损耗增大。所以，增加无功本身不消耗功率，而是电流的增加使电能传输的损耗增加。电流通过线路或变压器时要产生电路电阻损耗或变压器负载损耗，其有功功率损失计算公式如下：

则有功功率损失下降百分率为，如果功率因数从0.8补偿到0.9，线路或变压器损耗下降21%。功率因数从0.6～0.9提高到0.95时能损降低的百分率大致如表7.7所示。

表7.7　人工补偿后的节能效益

当采取人工补偿以后，由于压降减小，提高了用户运行电压。由于运行电压提高又节约了电能，提高运行电压后的节能效益如表7.8所示。

表7.8　提高运行电压的节能效益

（4）经济效益分析

无功补偿可以在以下3个方面为公共建筑带来经济效益。

①节省公共建筑电费开支。提高功率因数对公共建筑的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有线电能出发，对不同公共建筑的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费；高于规定数值，可相应减少电费。可见，提高功率因数对公共建筑有着重要的经济意义。

②提高输变电设备的利用率，减少新建输变电工程投资费用。对于原有供电设备来讲，在同样的有功功率下，因功率因数提高，负荷电流减少。因此，向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要。如果原网络已趋于过载，由于功率因数提高，输送无功电流减少，使系统不至于过载运行，从而发挥原有设备的潜力；对尚处于设计阶段的新建公共建筑来说，则能降低设备容量，减少投资费用。因此，采用无功补偿装置不但减少初次投资费用，而且能减少运行后的基本电费。

③减少输电线路及变压器损耗，节省电费。无功功率不平衡时，线路和变压器中会流过大量无功电流，电流流过输电线路和变压器会产生损耗。如果能在负荷侧提供无功电源，线路中只有有功电流，线路损耗就会大大减少。