朱 根

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司能源動(dòng)力廠，山東 濟(jì)南 271104）

電力供電系統(tǒng)作為各種自動(dòng)化電氣設(shè)備的能源供應(yīng)裝置，為工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)提供了源源不斷的動(dòng)力能源。但是，受到電力供電系統(tǒng)功率因數(shù)的影響，系統(tǒng)在提供電力能源的同時(shí)，極易出現(xiàn)供電變壓器與輸送線路損耗，進(jìn)而影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，導(dǎo)致自動(dòng)化電氣設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而無功補(bǔ)償技術(shù)的出現(xiàn)，能夠提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，有效改善供電環(huán)境，并且在保持穩(wěn)定供電電壓的前提下，能夠節(jié)省大量的電力能源。

1 無功補(bǔ)償技術(shù)基本原理

無功補(bǔ)償又稱之為無功功率補(bǔ)償，是電力供電系統(tǒng)當(dāng)中調(diào)節(jié)和改善供電環(huán)境，提升電網(wǎng)功率因數(shù)的重要裝置。近年來，由于我國工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的自動(dòng)化電氣設(shè)備越來越多，導(dǎo)致設(shè)備功率消耗量巨大，無形當(dāng)中就增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。而無功補(bǔ)償技術(shù)的出現(xiàn)恰恰解決了這一難題，尤其在電氣自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，使得電網(wǎng)供電質(zhì)量得到可靠保障，進(jìn)而電網(wǎng)的電力能源損耗量也顯著降低，因此，無功補(bǔ)償裝置始終在電力供電系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色。

圖1 無功補(bǔ)償裝置的工作原理

無功補(bǔ)償技術(shù)的基本原理是將感性功率負(fù)荷裝置與容性功率負(fù)荷裝置并聯(lián)在一起，使二者同處于一個(gè)電路當(dāng)中，當(dāng)容性負(fù)荷本身進(jìn)入到能量釋放狀態(tài)時(shí)，釋放出的能量可以被感性負(fù)荷裝置及時(shí)回收，而感性負(fù)荷裝置釋放能量的同時(shí)，容性負(fù)荷同時(shí)扮演著吸收能量的角色，因此，二者之間的能量可以相互交換，在這種情況之下，感性負(fù)荷對無功功率的需求均可以由容性負(fù)荷輸出的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償[1]。在電路系統(tǒng)當(dāng)中，如果電路本身表現(xiàn)為感性，將吸收無功功率，此時(shí)，電流滯后于電壓，當(dāng)電路表現(xiàn)為容性時(shí)，電路將釋放出無功功率，電流將超前于電壓，所以說，電網(wǎng)系統(tǒng)往往包含感性與容性兩種無功功率。無功補(bǔ)償裝置的工作原理如圖1 所示。

2 無功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 滿足電氣設(shè)備對無功功率的需求

自動(dòng)化電氣設(shè)備在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將同時(shí)產(chǎn)生無功功率，這與電氣設(shè)備的實(shí)際工作電壓以及設(shè)備的額定電壓存在必然聯(lián)系。當(dāng)額定電壓與實(shí)際電壓數(shù)值趨于相等時(shí)，此時(shí)，電氣設(shè)備的實(shí)際工作電壓數(shù)值與無功功率數(shù)值相同。如果電力系統(tǒng)無法提供電氣設(shè)備所需的工作電壓，設(shè)備將中止運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)。而無功補(bǔ)償技術(shù)能夠及時(shí)補(bǔ)給電力系統(tǒng)所需的無功功率，在這種情況之下，自動(dòng)化電氣系統(tǒng)才能在電力能源的驅(qū)動(dòng)下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 節(jié)能降耗，節(jié)省成本

自動(dòng)化電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生有功功率與無功功率，有功功率能夠及時(shí)轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所消耗的電能，將其轉(zhuǎn)化成為熱能與機(jī)械能，而無功功率則可以將系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中消耗的電能轉(zhuǎn)化成為其它的可利用能源。在這種情況下，電網(wǎng)中的電力能源可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。隨著工業(yè)生產(chǎn)對電氣設(shè)備需求量的不斷增長，電力能源消耗量持續(xù)增加，這就加大了企業(yè)的生產(chǎn)投入成本，而應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)能夠大幅減少電力能源損耗，使單位時(shí)間內(nèi)的用電量大幅降低，進(jìn)而為企業(yè)節(jié)省大量的生產(chǎn)成本，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的快速提升[2]。

2.3 響應(yīng)時(shí)間短

以SVG 無功補(bǔ)償技術(shù)為例，該技術(shù)主要采用無功電流源型實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆绞?，因此，無功功率補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時(shí)間僅為10ms，而且補(bǔ)償效果較高，補(bǔ)償精度較高。另外，SVG 無功補(bǔ)償技術(shù)可以對電力系統(tǒng)中的感性負(fù)載與容性負(fù)載同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過現(xiàn)場測試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償后的功率因數(shù)能夠達(dá)到0.98 以上。與普通的無功補(bǔ)償裝置相比，這種新型的無功補(bǔ)償技術(shù)效率顯著提升。

2.4 減少發(fā)、供電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，如果發(fā)、供電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量過大，就會(huì)增加生產(chǎn)成本，進(jìn)而給企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益造成嚴(yán)重影響，而應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)以后，電力系統(tǒng)中的發(fā)、供電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量明顯降低，這就就大大減少了生產(chǎn)性投資，進(jìn)行間接為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。比如當(dāng)電力系統(tǒng)的功率因數(shù)從cosΦ=0.8 增加到cosΦ=0.95 時(shí)，裝1Kvar 電容器可以節(jié)省設(shè)備容量0.52KW；同時(shí)，增加0.52KW 對原有的自動(dòng)化電氣設(shè)備而言，相當(dāng)于增大了發(fā)、供電設(shè)備容量。因此，當(dāng)應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)以后，可以減少設(shè)計(jì)容量，減少投資，促進(jìn)企業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

3 無功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的具體應(yīng)用

3.1 在配電線路中的應(yīng)用

配電線路作為電網(wǎng)中的重要分支線路，主要承擔(dān)著分配電能的任務(wù)，如果將無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于配電線路當(dāng)中，首先需要計(jì)算出各分支線路的無功損耗值，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇最為經(jīng)濟(jì)合理的補(bǔ)償方式，使電力系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中損耗的功率能夠得到有效補(bǔ)償。在計(jì)算無功損耗值時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)對空載時(shí)的無功損耗予以確定，以避免出現(xiàn)各分支線路功率補(bǔ)償不足的情況。

配電線路中的無功補(bǔ)償主要包括三種方式，即低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償以及高壓集中補(bǔ)償。其中，低壓個(gè)別補(bǔ)償與電氣設(shè)備開啟與關(guān)閉同步進(jìn)行，因此，這種補(bǔ)償方式很少出現(xiàn)無功倒送現(xiàn)象。低壓集中補(bǔ)償具有較好的經(jīng)濟(jì)性，而且便于維修和維護(hù)，其功率補(bǔ)償機(jī)理主要是依靠于對電容器的投切進(jìn)行無功補(bǔ)償。高壓集中補(bǔ)償投資小，易于維護(hù)，但是，適用范圍具有局限性特點(diǎn)，目前，這種無功補(bǔ)償方式多用于6KV ～10KV 的配電線路中母線無功功率的補(bǔ)償，因此，更適合在一些大型工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中推廣和應(yīng)用。

3.2 在晶閘管調(diào)節(jié)電抗器中的應(yīng)用

在自動(dòng)化電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，系統(tǒng)將產(chǎn)生大量的諧波，這些諧波不僅能夠降低變壓器、斷路器的容量，同時(shí)，也能夠加快電氣設(shè)備的老化速度，縮短設(shè)備使用壽命，尤其是系統(tǒng)內(nèi)部的晶閘管控制電抗器，產(chǎn)生的諧波量相對較大，為了減少諧波的產(chǎn)生量，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)將無功補(bǔ)償技術(shù)與晶閘管控制電抗器技術(shù)融合到一起，并收到了理想的應(yīng)用效果。比如以某冶金企業(yè)煉鋼生產(chǎn)車間為例，為了減少諧波的危害，技術(shù)人員在晶閘管理控制電抗器當(dāng)中安裝了無功補(bǔ)償裝置，并對安裝前后35KV 母線、電爐以及精煉爐三處位置的電壓、電流、功率因數(shù)變化情況進(jìn)行比對，比對數(shù)據(jù)如表1 所示。通過該裝置安裝前后的數(shù)據(jù)比對可以看出，安裝無功補(bǔ)償裝置后，系統(tǒng)的功率因數(shù)顯著提升，母線電壓也得到大幅提升，而兩臺(tái)電爐與精煉爐的功率因數(shù)也出現(xiàn)小幅度增長態(tài)勢，進(jìn)而在保證正常生產(chǎn)作業(yè)流程的情況下，有效降低了單位時(shí)間內(nèi)的電力能源損耗量[3]。

表1 安裝無功補(bǔ)償裝置前后系統(tǒng)參量變化情況

3.3 在有源與無源濾波器中的應(yīng)用

過去，在補(bǔ)償電氣設(shè)備固定濾波器的無功功率時(shí)，常常運(yùn)用電力電容器等無源器件構(gòu)成無源濾波器，該裝置與需要補(bǔ)償無功功率的非線性負(fù)載呈現(xiàn)出并聯(lián)關(guān)系，這種傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式無法滿足電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的無功功率。因此，近年來，出現(xiàn)了一種新型的有源電力濾波器，這種新型裝置能夠隨時(shí)跟蹤補(bǔ)償各次諧波，自動(dòng)產(chǎn)生電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的無功功率，而且不會(huì)出現(xiàn)無諧波放大的危險(xiǎn)，使自動(dòng)化電氣設(shè)備能夠高效運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，減少大量的能量損耗。有源濾波器的工作原理主要是借助于大功率的電力器件，構(gòu)成電力系統(tǒng)所需的電源，該電源可以隨時(shí)向系統(tǒng)提供無功電流，使電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的諧波與反相諧波相抵消，進(jìn)而延長電氣設(shè)備的使用壽命。

3.4 在磁飽和式可控電抗器中的應(yīng)用

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程中應(yīng)用的大型設(shè)備數(shù)量急劇增長，比如對于鋼鐵企業(yè)來說，大型軋鋼機(jī)、大型電弧爐、大型電焊機(jī)等電氣設(shè)備的使用頻率越來越高。而這些設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中常常產(chǎn)生沖擊性負(fù)荷，而給電網(wǎng)的電壓造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而直接威脅電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，提高供電效率，減少能源消耗，多數(shù)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)相繼把無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于磁飽和式可控電抗器當(dāng)中。

磁飽和可控電抗器主要由電容器組、可控電抗器、可控硅閥和控制柜組成，在該裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果產(chǎn)生的控制電流越大，輸出的感性電流也越大。而應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)通過調(diào)整晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通角，對系統(tǒng)滯后的無功功率進(jìn)行連續(xù)控制，使供給系統(tǒng)的無功功率始終保持在常數(shù)狀態(tài)，這就遏制了電壓的波動(dòng)與閃變，進(jìn)而大量吸收與沖擊負(fù)荷同時(shí)產(chǎn)生的高次諧波。由此可見，無功補(bǔ)償技術(shù)在磁飽和可控電抗器的應(yīng)用不但解決了電壓波動(dòng)問題，同時(shí)，也有效降低了電力能源消耗。

3.5 在電力用戶補(bǔ)償中的應(yīng)用

為了滿足電力用戶對電力能源的需求，技術(shù)人員將無功補(bǔ)償技術(shù)引入電氣自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中，該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，不僅節(jié)約了電能，使電力用戶的正常能源消耗得到滿足，而且也給電力用戶節(jié)省了大量的費(fèi)用。需要注意的是，在選擇無功補(bǔ)償方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合電力用戶的用電范圍合理進(jìn)行選擇，也可以結(jié)合自動(dòng)化電氣設(shè)備的特點(diǎn)與電能集中使用的時(shí)間區(qū)間予以確定。比如以安裝電容器的方式為為例，這種方法主要是將電容器安裝在自動(dòng)化電氣設(shè)備當(dāng)中，并采取分組安裝的形式，使無功補(bǔ)償裝置能夠發(fā)揮最大化價(jià)值，保證電氣設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

無功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用開辟了工業(yè)生產(chǎn)的嶄新格局，尤其在電氣設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償技術(shù)能夠有效提升系統(tǒng)的功率因數(shù)，在這種情況下，無功補(bǔ)償裝置能夠及時(shí)供給系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的無功功率，進(jìn)而降低電力能源損失，提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，電氣自動(dòng)化技術(shù)與無功補(bǔ)償技術(shù)的深度融合不僅是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平提升的堅(jiān)實(shí)保障，同時(shí)，也推進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)自動(dòng)化、智能化、信息化發(fā)展進(jìn)程。