作者:qiqi 日期:2012-04-26 点击数:次
如何最大限度地提高发电和输配电设施的利用率,是电力部门和用电一单位都十分关心的问题,其中蕴涵着巨大的经济效益,包括两方面的工作:
①各种用电器在耗电做功的过程中,尽量提高其效率,即在保证供应终端用户所需用能量的同时,努力降低其自身的损耗。不断实现“高效率用电”,这就是节能(电)事业追求的目标。
②终端用户做功所需的电能和用电器自身在变换时消耗的电能,统称为“有功”,发电设施发出的这部分“有功”电能被用电器使用而消耗了,达到了发电用电的目的。
但是,在交流供电系统中,人们发现还有部分发出的电能虽然通过电网导线送向用电器,却又因某些原因被回送电网,没有得到利用而又返回了电源。这部分由于种种原因没有得到利用,只是在电源和供电器之间进行了能量交换的电能,被称为“无功”。
单位时间做的功称为功率,相应的就有了“有功功率”和“无功功率”。在直流电路中,通过用电器或电源的电流和它们两端电压的乘积就是该用电器或电源的功率。直流电路中没有无功的问题。在交流电路中,这种电流和电压的乘积反映了电源或用电器做功的能力,称为“视在功率”(又常称为电源或用电器的“容量”)。对于交流电源来说,它有能力提供额定电压和额定电流相乘的全部视在功率的能力。但是无功功率的存在,使它实际只有一部分电能做了功,另一部分被送了回来,没能发挥作用。由此,引人了“功率因数”的概念
功率因数=有功功率/视在功率
简单地讲,功率因数可以理解为电源发电能力的利用率,以及各种用电器接受输人总电能的利用率。有功功率只是视在功率的一部分,所以功率因数是一个小于或等于1的系数。努力提高功率因数,使之接近或达到1,即努力减少无功,是电力工作者和用电人员为之奋斗的又一个目标,这也是“高质量用电”的有机组成部分。这是节电工作的又一个重要侧面。
20世纪70年代,中国为了缓解薄钢板供应紧张的问题在武钢实施了引进“一米七”轧钢设备系统的重大工程。该轧钢系统是设计能力为年产300万吨钢板,总装机容量为50万千瓦的大型设备。为此,还配套建设了发电能力为70万千瓦的丹江口水电站。
按常规考虑,用70万千瓦发电能力的电站来供应50万千瓦用电需求的轧机设备应该足够了。但是,在工程完工,进行试运行的时候,却屡屡掉闸,整个系统无法启动,不能正常运行。这是无功功率在作怪。该轧钢系统由十几个机架组成,各由一台大功率直流电动机拖动,为了限制启动电流,晶闸管整流装置实施软启动,降低启动时加到电动机上的电压,所以启动导通角很小。供电电压的启动相位与电流的启动相位相差很大,所以基波功率因数很低;加上电流畸变有相当多的谐波,致使i皆波功率因数也很低,所以系统的启动功率因数非常低,也就是启动时系统无功功率太大,超过了丹江口电站的供电能力。于是,保护环节只好动作,系统无法正常启动。后来,在武钢和丹江口之间的风凰山设置了动态无功功率补偿站,解决了这个问题,整个“一米七”工程才正常投产。从此,无功补偿,特别是动态无功补偿问题得到了普遍的重视。
这里,既有基波电流与基波电压之间存在相位差带来的“相移无功”,又有基波电压同各次谐波电流之间的“畸变无功”。特别是后者,多数人当时是不熟悉的。随着微电子和电力电子技术和产品的普及,这方面的问题日益突出。我们将对这些概念进行讨论。
用电系统中,由于存在无功功率,所以功率因数较低,致使发电和输配电设施利用率下降,带来的经济损失是明显的。功率因数每降低一个百分点,意味着我国有二三百万千瓦的电力设施如同自建;反之,我们能提高一个百分点的功率因数,就等于全国多建了二三百万千瓦的设施,几乎节约100亿元人民币的投资。
另一方面,在电源和用电器之间交换的那部分无功功率是无法从电表计量中收取电费的,电度表只是用户使用有功电能的计量;但是输运无功功率的电流分量—无功电流却仍是从输电线上流过的,它们在电网上(输电线的电阻)仍然产生有功损耗,变成了无法利用的热能,输电线上损耗的有功功率称为“线损”,我国电力系统中的线损约占发电总量的6%~8%,是十分可观的。无功功率的存在,不仅降低了电力设施的利用率,还增加了电力系统的线损。所以,提高功率因数,对发生的无功功率进行合理的补偿,减少系统的总无功功率,有显著的节电效果。
对于用户来讲,实施无功补偿,既可减少因功率因数低而产生的电力罚款,还会因补偿后造成的功率因数高而获取电力奖金,并通过提高自已电源变压器的利用率,在用电设备增容时减少相应的动力投资,特别是对于轧机、电弧炉等许多重要设备,能降低启动无功冲击,解决其无法正常运行的问题。
总之,实行无功补偿具有很大的技术经济效益,是节能事业的重要组成部分。
近些年来,电网中的非线性负载越来越多,谐波问题,特别是电流谐波日益严重,畸变无功的含量日益增大。所以无功补偿和谐波滤波越来越紧密地结合起来实施,无功补偿的发展进人了一个新阶段。
“高效率用电”和“高品质用电”相结合,是所有从事电科学、电技术和电产业人员共同努力争取实现的目标。当前,解决和高品质用电及二者结合的问题,很大程度上是借助电力电子技术的发展。高效率用电,无疑可以节能。实现高品质用电也会直接、间接地节约大量电能。
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