淺析電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償?shù)难芯窟M(jìn)展

陶明越 薛玉翠

黑龍江省綏化學(xué)院電氣學(xué)院

淺析電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償?shù)难芯窟M(jìn)展

陶明越 薛玉翠

黑龍江省綏化學(xué)院電氣學(xué)院

無功功率補(bǔ)償技術(shù)是保持電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行的一種主要手段，也是當(dāng)今電力電子技術(shù)及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個重大課題，已經(jīng)引起人們的高度關(guān)注。本文在無功功率補(bǔ)償原理的基礎(chǔ)上，探討了我國相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，以期促進(jìn)我國電力系統(tǒng)中無功功率補(bǔ)償應(yīng)用的不斷發(fā)展和進(jìn)步。

無功功率補(bǔ)償；研究進(jìn)展；重要意義；補(bǔ)償裝置

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力不斷增強(qiáng)，其用電量也在不斷增長，用電結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了巨大的變化，使得電力供需矛盾不斷激化和加深。要保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和獲得高質(zhì)量的電能，其先決條件就是解決遠(yuǎn)距離輸電，無功補(bǔ)償能有效提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，保證電壓質(zhì)量，提高發(fā)輸電設(shè)備的利用率，降低不必要的網(wǎng)損和減少發(fā)電費(fèi)用，對電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行具有重要的作用。因此，無功補(bǔ)償在電力體系中的應(yīng)用備受矚目，已成為全社會普遍關(guān)注的問題。

1 相關(guān)理論概述

1.1 無功功率補(bǔ)償?shù)脑?/h3>

電能通過發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路送到用戶端，由于受到功率、發(fā)熱和溫升的限制，發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等各種電器都有額定電流、電壓和功率的限制，輸電線路中傳送的功率包括有功功率和無功功率兩部分，有功功率(P)是保持電力設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的電功率，也就是將電力能量全部轉(zhuǎn)化成除電能以外的其他能量（機(jī)械能、光能、熱能等）形式所得出的一個電功率；無功功率(Q)就是在整個電氣設(shè)備里的電感、電容這系列的元件在上作的時候因建立電力磁場而耗用的一個電功率。目前，在我國的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活用電負(fù)載中，大部分都是感性負(fù)載，如熒光燈、變壓設(shè)備等，這些設(shè)備在運(yùn)行過程中是需要急時進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)?。無功補(bǔ)償?shù)幕驹硎前丫哂腥菪缘脑O(shè)備與感性用電負(fù)載之間相并聯(lián)，電能就會在這兩種負(fù)荷間進(jìn)行隨意的轉(zhuǎn)換，從而就達(dá)到了減少在整個電網(wǎng)系統(tǒng)中無功功率耗用的作用。

1.2 無功功率補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償形式

無功功率補(bǔ)償?shù)姆绞接泻芏?，要根?jù)自身實際情況選取不同的補(bǔ)償方式。首先，是集中補(bǔ)償。在高低壓配電中心內(nèi)設(shè)置若干組電容器，將電容器連接在配電母線上，實現(xiàn)集中補(bǔ)償，從而到達(dá)補(bǔ)償供電范圍內(nèi)無功功率的目的；其次，是分散就地補(bǔ)償，就是在高壓配電裝置或者動力箱的母線上連接電容器，實現(xiàn)對高壓配電裝置或者動力箱附近電動機(jī)的無功補(bǔ)償。還可以將電容器裝于控制箱中，放置在電動機(jī)旁邊，對其進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償。這種單獨(dú)的補(bǔ)償，一般用于降壓啟動以及一些有可逆運(yùn)行操作要求的電動機(jī)等；再次，是組合補(bǔ)償，這是目前應(yīng)用比較廣泛的一種補(bǔ)償方式。組合補(bǔ)償方式可以分為固定補(bǔ)償與動態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合的組合補(bǔ)償、三相共補(bǔ)與分相補(bǔ)償相結(jié)合的組合補(bǔ)償、穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償與快速跟蹤補(bǔ)償相結(jié)合的組合補(bǔ)償三種；最后，是智能無功補(bǔ)償，是目前比較先進(jìn)的一種補(bǔ)償方式，這種方式可以進(jìn)行低壓無功補(bǔ)償、監(jiān)測綜合配電、計量配電區(qū)的線損、考核電壓合格率等。

2 電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償研究現(xiàn)狀

我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展離不開電力系統(tǒng)的長足進(jìn)步，目前，國內(nèi)已經(jīng)形成了巨大的電路網(wǎng)絡(luò)，只要有一點(diǎn)點(diǎn)改變能降低能耗損失，就是巨大的財富，會為我國減少很多能源。因此，自從武功功率補(bǔ)償原理明確之后，就有很多專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究。1989年，貴州工學(xué)院電氣工程系的胡國根、劉明富等幾名專家全面地分析了當(dāng)時國內(nèi)外無功功率研究的動態(tài)和現(xiàn)狀，并根據(jù)貴州電網(wǎng)的實際現(xiàn)狀，提出了一些有益的改進(jìn)建議和措施[1]；2008年，廣東省電力試驗研究所的曾紀(jì)添闡述了國內(nèi)外電力系統(tǒng)無功電壓控制的問題、發(fā)展的方向、AVC研究現(xiàn)狀及電網(wǎng)動態(tài)電壓穩(wěn)定的策略[2]；2010年，華南理工大學(xué)電力學(xué)院的朱鷹屏博士研究了電壓穩(wěn)定性的定義、本質(zhì)、研究方向和相關(guān)理論，以及無功功率控制策略在電壓穩(wěn)定性方面的研究現(xiàn)狀[3]；2011年，牡丹江電業(yè)局的李春麗對在電網(wǎng)建設(shè)里無功功率補(bǔ)償技術(shù)的實施意義方面進(jìn)行了講解，介紹了目前國內(nèi)外在無功補(bǔ)償技術(shù)上的開發(fā)、研究現(xiàn)狀[4]；同年，廣西電網(wǎng)公司欽州供電局的黃林燕，以廣西欽州10 kV配網(wǎng)為例，分析了電網(wǎng)無功的管理以及無功補(bǔ)償設(shè)備的重要性，重點(diǎn)研究了配網(wǎng)無功補(bǔ)償容量如何優(yōu)化配置、容量選擇及應(yīng)用前景等[5]。雖然我國已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但是科學(xué)是在不斷進(jìn)步的，我們應(yīng)積極利用先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，研究無功功率補(bǔ)償設(shè)備的研制等，促進(jìn)我國電力系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

3 無功功率補(bǔ)償裝置的研究進(jìn)展

3.1 并聯(lián)電容器組裝置

并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置就是把電容器組并聯(lián)接在用電負(fù)荷或者供電設(shè)備上，負(fù)荷所需的無功功率是由電容器組供給一部分，而相應(yīng)的裝置就是并聯(lián)電容器組裝置。通過電容器組減少了無功功率的輸送，達(dá)到了減少線路電量損耗、改善電壓質(zhì)量、提高了電力設(shè)備效率的作用。采用這種形式一般都是就地補(bǔ)償，將電容器組安裝在用電負(fù)荷中心或者附近位置，補(bǔ)償線路以及變壓器的I2X損耗，保證在重負(fù)荷下有很好的電壓水平，越在線路末端，短路容量越小，改善電壓的效果也就越好。目前，靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是這種裝置的主要形式之一。靜止同步補(bǔ)償器可以校正穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電壓，也可以在故障之后恢復(fù)期間的高速穩(wěn)定電壓，對提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定具有十分重要的作用，而且這種裝置的體積小、價格低、機(jī)械慣性小、機(jī)械損耗和旋轉(zhuǎn)噪聲也很小。但是這種并聯(lián)補(bǔ)償裝置是以犧牲穩(wěn)定區(qū)域以及電壓調(diào)節(jié)范圍為代價的，因此，應(yīng)該根據(jù)實際情況適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用。

3.2 串聯(lián)電容器組裝置

電容器串聯(lián)補(bǔ)償裝置是把電容器組串聯(lián)于輸電線路上，采用集中電容補(bǔ)償線路的電感，改變線路的具體參數(shù)，減少了線路上的電壓損耗。電壓的提高導(dǎo)致線路的參數(shù)改變，功率損失也就相應(yīng)的減少了。這種補(bǔ)償裝置無功功率輸出是隨著線路的負(fù)載增加而不斷增加的，增加穩(wěn)定極限，改善電壓的調(diào)節(jié)。制約這種裝置應(yīng)用的主要問題在于次同步諧振和過電壓現(xiàn)象，因此，只有當(dāng)功率因數(shù)較低，導(dǎo)線截面積較大的長線路，才可以使用這種串聯(lián)電容器組裝置這樣才會更合理。

3.3 調(diào)相機(jī)裝置

調(diào)相機(jī)裝置其本質(zhì)就是一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，是沒有有功輸出的同步機(jī)，它的電壓控制特性與同步發(fā)電機(jī)是一樣的，不托動機(jī)械的負(fù)載，也不需要原動機(jī)的托動，這是因為它可以吸收系統(tǒng)少量的有功功率，為本身轉(zhuǎn)動提供能量。調(diào)相機(jī)裝置的轉(zhuǎn)子上有直流勵磁，以保持其與系統(tǒng)頻率相同轉(zhuǎn)速。調(diào)相機(jī)裝置可以方便地調(diào)節(jié)無功功率的供需平衡，還可以提均勻地調(diào)整供電電壓。

3.4 靜止無功補(bǔ)償(SVC)裝置

靜止無功補(bǔ)償器(SVC)裝置是當(dāng)前最先進(jìn)的無功補(bǔ)償裝置，它大致可以分為可控飽和電抗器型、自飽和電抗器型、相控電抗器型三種形式。靜止無功補(bǔ)償器可以進(jìn)行雙向連續(xù)、平滑的調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)速度快，沒有旋轉(zhuǎn)部件，因此，運(yùn)行維護(hù)非常簡單，特別適合用于中高壓電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償。但是它也存在一定的問題，它自身工作過程中會產(chǎn)生諧波，會污染整個電力系統(tǒng)，如何避免這一現(xiàn)象也是各國專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

4 無功功率補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢

根據(jù)上述我國無功功率補(bǔ)償?shù)那闆r及出現(xiàn)的問題，今后我國的無功功率補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展方向是無功功率動態(tài)自動無級調(diào)節(jié)，諧波抑制，有以下幾種裝置。⑴TSC補(bǔ)償裝置。這種TSC是通過微機(jī)檢測電網(wǎng)電壓和電流，計算需要補(bǔ)償?shù)碾娙轃o功量，在恰當(dāng)?shù)臅r間投入或切除相當(dāng)數(shù)量的帶你容器，從而控制電網(wǎng)的功率因數(shù)在允許的范圍內(nèi)，TSC 補(bǔ)償裝置操作無涌流，跟蹤響應(yīng)快，并具有各種保護(hù)功能；⑵SVG。SVG靜止無功發(fā)生器的原理是將自然換相電路接到電網(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)交流側(cè)的電壓或電流，使得SVG電路吸收或者發(fā)出無功電流，實現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。其具有響?yīng)速度快，連接電抗小，諧波含量小，運(yùn)行范圍廣，通過增大直流側(cè)電容值，在短時間內(nèi)還可以向電網(wǎng)提供部分有功功率等優(yōu)點(diǎn)；⑶電力有源濾波器。運(yùn)用瞬時濾波形成技術(shù)，對包含諧波和無功分量的非正弦波進(jìn)行“矯正”，其補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗參數(shù)影響較??；⑷綜合潮流控制器。其方法是將一個由晶閘管換流器產(chǎn)生的交流電壓串入并疊加在輸電線相電壓上，使其幅值和相角皆可連續(xù)變化，從而實現(xiàn)線路有功和無功功率的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，并可提高輸送能力以及阻尼系統(tǒng)振蕩。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)：無功是其本身裝置控制和產(chǎn)生的，消耗或提供有功功率較少。

伴隨著超高壓輸電技術(shù)的發(fā)展，對輸電線路的無功功率補(bǔ)償技術(shù)研究仍在繼續(xù)，研究的重點(diǎn)主要在控制策略上，模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等控制手段已經(jīng)應(yīng)用在SVC和SVG系統(tǒng)中，提高了SVC和SVG系統(tǒng)性能。隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，電力電子源濾波器因為具有良好的動態(tài)控制性能正日益受到重視，應(yīng)用越來越多，必將成為今后無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)的發(fā)展方向。

[1]胡國根,劉明富,許克明等.電力系統(tǒng)無功功率控制的研究現(xiàn)狀[J].貴州工學(xué)院學(xué)報, 1989, 18(1):1-6.

[2]曾紀(jì)添.電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償及電壓穩(wěn)定性研究綜述[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2(1):56-60.

[3]朱鷹屏,蔡澤祥,張緒紅.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及其無功功率控制策略研究[J].廣東電力, 2010,23(12):13-17.

[4]李春麗.電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].中國科技財富, 2011,10:18.

[5]黃林燕.電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償設(shè)備的應(yīng)用—以廣西欽州10kV配網(wǎng)為例[J].技術(shù)研發(fā), 2011,18(12):70-72.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.20.003

陶明躍（1990-），男，黑龍江省通河縣人，綏化學(xué)院電氣學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)，研究方向：電力電子與電力傳動。

薛玉翠 綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院。