無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備分析

魯偉靜，丁光彬，王鵬飛

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲056021）

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)人民生活和企業(yè)發(fā)展等對(duì)電力的需求也越來(lái)越大，對(duì)電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)要求也越來(lái)越高。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中的電力緊張狀況已經(jīng)成為發(fā)展的突出矛盾，在全國(guó)已經(jīng)達(dá)到了3000萬(wàn)千瓦以上的電力缺口，同時(shí)形成的主干網(wǎng)架也存在問(wèn)題，例如電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，各個(gè)地區(qū)之間聯(lián)絡(luò)容量不充足，主干網(wǎng)架薄弱等等。以上種種原因制約了電力的輸送能力，同時(shí)也使電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性與可靠性降低。

現(xiàn)今，不論是水力發(fā)電、火力發(fā)電，還是核能發(fā)電，都是以犧牲環(huán)境和資源為代價(jià)的。水電站的運(yùn)行破壞了江海河流的生態(tài)情況；火電站燃燒煤產(chǎn)生大量的二氧化碳和二氧化硫及粉塵，嚴(yán)重污染了空氣質(zhì)量，危害了附近生物和人類(lèi)的身體健康。嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致酸雨和全球范圍內(nèi)溫室效應(yīng)的形成；核電站的廢料破壞了周邊環(huán)境，甚至人類(lèi)的居住環(huán)境，核輻射對(duì)人類(lèi)生態(tài)環(huán)境還有更多影響。我們應(yīng)當(dāng)從自我做起節(jié)約用電，盡可能減少浪費(fèi)，增加電能的利用率，減少電能損耗。

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)雙贏的前提下，我國(guó)政府和企業(yè)共同制定了新的電力發(fā)展目標(biāo)，分別是提高電能的供應(yīng)量，提高電能的傳送能力，穩(wěn)定供電的電壓，節(jié)約電能，降低損耗，減少電力成本。

發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)為電力系統(tǒng)的4大部分，由于電能不能大量?jī)?chǔ)存，所以必須同時(shí)進(jìn)行發(fā)電、輸電、配電和用電，也就是說(shuō)電力系統(tǒng)必須保持一定的平衡。但是由于來(lái)自電能線路、電力變壓器和用電設(shè)備無(wú)功功率的大量存在，致使電力系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。在配電系統(tǒng)中，大量的異步電動(dòng)機(jī)和變壓器等設(shè)備消耗了大量的無(wú)功功率，對(duì)配電網(wǎng)的平穩(wěn)安全運(yùn)行產(chǎn)生了諸多影響：①線路中的供電電流增大，使線路和用電設(shè)備的損耗增加，甚至?xí){到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行；②配電系統(tǒng)中的視在功率增大，使發(fā)電機(jī)和變壓器等用電設(shè)備的容量增加，導(dǎo)致電力用戶的各種控制設(shè)備和檢測(cè)儀表的規(guī)格相應(yīng)增大；③致使供電電壓降低。

所以，保持電力系統(tǒng)運(yùn)行的平衡，有效解決配電系統(tǒng)中功率因數(shù)不斷降低的有效方法就是對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，充分利用電網(wǎng)中的電氣設(shè)備，提高功率因數(shù)。

1 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究的意義和作用

電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備都存在電容和電感。無(wú)功功率的概念是指維持電源和電氣設(shè)備的電容和電感之間進(jìn)行的電磁能量交換必須的功率。由此可知，只要電力系統(tǒng)已經(jīng)形成，無(wú)功能量是不可避免的。同有功電源一樣，無(wú)功電壓是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行、電能質(zhì)量提高及降低電力網(wǎng)損耗必不可少的部分。在電力網(wǎng)中，無(wú)功功率要保持平衡，否則將會(huì)使系統(tǒng)的電壓下降，甚至?xí)斐呻姎庠O(shè)備的損壞，系統(tǒng)解列。

無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕饔茫孩偬岣唠娏ο到y(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)中電壓波動(dòng)和變化，使系統(tǒng)的不平衡現(xiàn)象得到改善；②可以增加電力網(wǎng)中的有功功率比例；③減少發(fā)電設(shè)備和供電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量，減少電力投資成本；④降低線路損耗，減少電力網(wǎng)的設(shè)計(jì)，減少投資。

2 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?/h2>

在電力網(wǎng)中除了要負(fù)擔(dān)用電負(fù)荷的有功功率P，也要負(fù)擔(dān)負(fù)荷的無(wú)功功率Q和視在功率S三者之間存在以下關(guān)系：

補(bǔ)償無(wú)功功率的電路圖和向量圖見(jiàn)圖1。

圖1 補(bǔ)償無(wú)功功率的電路和向量圖

在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，阻感負(fù)載占了很大比例：異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等都是典型的阻感負(fù)載。異步電動(dòng)機(jī)和變壓器消耗的無(wú)功功率在電力網(wǎng)提供的無(wú)功功率中占有很高的比重。電力網(wǎng)中的電抗器和架空線等也需要消耗一些無(wú)功功率，而且，各種諧波源也要消耗一定的無(wú)功功率。阻感負(fù)載也可以看做電阻R與電感L串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為：

3 無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展歷程

早期的無(wú)功補(bǔ)償裝置是調(diào)相機(jī)，而后并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、各種類(lèi)型的SVC和新型靜止無(wú)功發(fā)生器開(kāi)始廣泛采用。

3.1 同步調(diào)相機(jī)

作為電網(wǎng)中最早使用的無(wú)功補(bǔ)償裝置，又稱同步補(bǔ)償器，屬于有源補(bǔ)償器。調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)具有相同的工作原理，不產(chǎn)生有功功率只輸送無(wú)功電流。它在實(shí)質(zhì)上是一個(gè)被拖動(dòng)到某一轉(zhuǎn)速下并與電力系統(tǒng)同步且空載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)。

調(diào)相機(jī)的工作狀態(tài)是通過(guò)調(diào)節(jié)激磁電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。當(dāng)激磁電流增大時(shí)，輸出的容性無(wú)功電流也增大。當(dāng)激磁電流減小時(shí)，輸出的容性無(wú)功電流也隨之減小。所以，當(dāng)激磁電流減小到接近零時(shí)，輸出無(wú)功電流也為零，繼而只有很少的無(wú)功電流用于彌補(bǔ)調(diào)相機(jī)的損耗。如果激磁電流繼續(xù)減少，則會(huì)輸出感性無(wú)功電流。當(dāng)系統(tǒng)的電壓偏低時(shí)，過(guò)勵(lì)磁供給的無(wú)功功率將調(diào)高系統(tǒng)電壓，當(dāng)系統(tǒng)的電壓偏高時(shí)，則欠勵(lì)磁會(huì)吸收系統(tǒng)多余的無(wú)功功率進(jìn)而將電壓調(diào)低。

同步調(diào)相機(jī)可以對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，但是屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行時(shí)的損耗和噪聲比較大，維護(hù)也比較復(fù)雜，運(yùn)營(yíng)成本高，響應(yīng)的速度相對(duì)較慢，不適合快速變化的非線性負(fù)載要求。

3.2 并聯(lián)電容器補(bǔ)償

作為目前應(yīng)用最廣的一種無(wú)功補(bǔ)償方式，并聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾妷旱燃?jí)和補(bǔ)償容量可以通過(guò)串、并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在理論上可以達(dá)到任何電壓等級(jí)和補(bǔ)償容量。由于沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，因此無(wú)噪聲影響。同時(shí)隨著無(wú)功補(bǔ)償電容器技術(shù)的發(fā)展，高電壓等級(jí)的電容器損耗率已經(jīng)降至0.05%以下，同時(shí)自愈式電容器自身的自愈能力使其可靠性大大提高。

由于電容器的阻抗和頻率是成反比的，因此對(duì)于系統(tǒng)中的高次諧波呈低阻抗，同時(shí)由于諧波過(guò)量流入會(huì)引起電容器的過(guò)載運(yùn)行，減少電容器的使用壽命。

并聯(lián)電容器的優(yōu)點(diǎn)是損耗小，投資少，可以自動(dòng)投切，維護(hù)簡(jiǎn)單，可以選擇容量大小，卻不能連續(xù)調(diào)節(jié)，由電容器的補(bǔ)償容量和電壓的關(guān)系式：QC＝w·CU2可得，當(dāng)電壓下降時(shí)則無(wú)功輸出減小，故調(diào)壓效果下降。而且對(duì)電力系統(tǒng)中的高次諧波有放大作用，當(dāng)諧波電流增大時(shí)，可能引起內(nèi)部過(guò)熱，甚至引起爆炸。

3.3 并聯(lián)電抗器

并聯(lián)電抗器主要用在33kV和330kV以上的超高壓系統(tǒng)線路上，主要作用是：吸收容性電流，補(bǔ)償容性無(wú)功，使電力系統(tǒng)達(dá)到無(wú)功平衡，削弱了電容效應(yīng)，限制工頻電壓升高及操作過(guò)電壓。容量固定的并聯(lián)電抗器的缺點(diǎn)是，當(dāng)線路傳輸功率接近于自然功率時(shí)，會(huì)使線路電壓降低，而且造成附加有功損耗，如果將其撤掉，則線路在某些情況下可能失去補(bǔ)償而產(chǎn)生不允許的過(guò)電壓。

3.4 靜止無(wú)功補(bǔ)償器

在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）是利用晶閘管作為固態(tài)開(kāi)關(guān)來(lái)控制接入系統(tǒng)的電容器和電抗器的容量，提供可以變動(dòng)的容性和感性的無(wú)功，來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。

目前市場(chǎng)上主要的靜態(tài)補(bǔ)償產(chǎn)品有晶閘管投切電容器（TSC），晶閘管控制電抗器（TCR），固定電容和晶閘管控制電抗器（FC+TCR）及混合型（TCR＋TSC）。

3.4.1 TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置

TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置是斷續(xù)可調(diào)的可發(fā)出無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。它由一對(duì)相反極性的并聯(lián)晶閘管與電容器及電抗器串聯(lián)而成。其電路原理及工作特性見(jiàn)圖2。

圖2 TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置電路原理及工作特性

TSC的關(guān)鍵技術(shù)是如何選擇電容器的投切時(shí)刻，電容器組的最好投切時(shí)間應(yīng)是晶閘管兩端電壓為零的時(shí)刻，既電容器兩端電壓等于電源電壓時(shí)。TSC一般情況采取過(guò)零投切，采用過(guò)零投切時(shí)電路中的沖擊電流是零，為了使投切效果好，則必須對(duì)電容事先充電。

TSC的優(yōu)點(diǎn)是電容器只有投入和切除兩個(gè)狀態(tài)，所以不易產(chǎn)生諧波，但無(wú)功功率的補(bǔ)償量是跳躍的，大小等于單個(gè)電容器組的容量，且響應(yīng)的速度較差。在負(fù)荷產(chǎn)生諧波電流大的場(chǎng)合，TSC的運(yùn)行是不可靠的，由于諧波的注入使得并聯(lián)電容器出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓及過(guò)熱情況，從而導(dǎo)致電容器擊穿等事件。

3.4.2 TCR無(wú)功補(bǔ)償裝置

TCR無(wú)功補(bǔ)償裝置是由一對(duì)相反極性的并聯(lián)晶閘管和一個(gè)電抗器串聯(lián)組成。其電路原理圖和電流波形圖見(jiàn)圖3。

圖3 TCR無(wú)功補(bǔ)償裝置電路原理和電流波形

TCR無(wú)功補(bǔ)償裝置相當(dāng)于交流調(diào)壓器電路中接電感性負(fù)載，在此電路中的有效移相范圍為90°～180°。當(dāng)觸發(fā)角為90°時(shí)，晶閘管全部導(dǎo)通，同時(shí)導(dǎo)通角為180°，此時(shí)的電抗器吸收無(wú)功電流達(dá)到最大值。根據(jù)觸發(fā)角與補(bǔ)償器導(dǎo)納之間的關(guān)系得：增加觸發(fā)角可以增加補(bǔ)償器的等效導(dǎo)納，這樣就可以減少補(bǔ)償電流的基波分量。所以可以調(diào)整觸發(fā)角的大小來(lái)改變補(bǔ)償器所吸收的無(wú)功分量，從而調(diào)整無(wú)功功率。

TCR的響應(yīng)時(shí)間小于半個(gè)周期，可以連續(xù)吸收無(wú)功功率，但其電流中存在諧波，有功功率損耗，補(bǔ)償器的體積較大，成本也較高。并且單獨(dú)的TCR不能發(fā)出無(wú)功功率，所以可以將并聯(lián)電容器與TCR配合構(gòu)成無(wú)功補(bǔ)償器。

3.4.3 FC＋TCR型補(bǔ)償器

FC＋TCR型補(bǔ)償器由不可控電容器與TCR并聯(lián)而成，原理圖見(jiàn)圖4。

FC＋TCR型補(bǔ)償器的電容器的容量是負(fù)載所需要的無(wú)功總量，電感為可變電感?？梢酝ㄟ^(guò)控制調(diào)節(jié)雙向晶閘管的導(dǎo)通角，即可向系統(tǒng)輸送容性或感性的無(wú)功功率。當(dāng)導(dǎo)通角為零時(shí)，晶閘管全部導(dǎo)通，電感支路變?yōu)橐粋€(gè)純電感，消耗最大無(wú)功功率值，補(bǔ)償器向系統(tǒng)輸出了最小的無(wú)功功率值。增大導(dǎo)通角，則電感支路中的電流減小，電感吸收的無(wú)功功率隨之減小，補(bǔ)償器輸出的無(wú)功功率增加。當(dāng)導(dǎo)通角為90°時(shí)，電感支路則相當(dāng)于斷開(kāi)，吸收無(wú)功，為零時(shí)補(bǔ)償器輸出最大無(wú)功功率。FC＋TCR型補(bǔ)償器的響應(yīng)時(shí)間小于半個(gè)周期，靈活性比較大，而且可以連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率的輸出，但輸出電流中含有較多的高次諧波，而且電抗器的體積較大，成本較高。

圖4 FC+TCR型補(bǔ)償器原理

3.4.4 TCR＋TSC混合型

TCR＋TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置是使用幾組電容器和一組晶閘管相控電抗組成的，見(jiàn)圖5。

圖5 TCR＋TSC混合型原理

基本運(yùn)行原理是：如果系統(tǒng)的電壓低于設(shè)定的運(yùn)行電壓時(shí)，則根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)娜菪詿o(wú)功量來(lái)投入適當(dāng)?shù)碾娙萜鹘M數(shù)，并略有過(guò)補(bǔ)償，此時(shí)用晶閘管相控電抗器的感性無(wú)功功率來(lái)抵消這部分的過(guò)補(bǔ)償容性無(wú)功功率，而當(dāng)系統(tǒng)電壓高于設(shè)定的運(yùn)行電壓時(shí)，則要切除所有的電容器組，TCR＋TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置此時(shí)只有TCR工作。

3.4.5 靜止無(wú)功發(fā)生器

靜止無(wú)功發(fā)生器也稱為靜止同步補(bǔ)償器（SVG），是在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。它由直流電容、電壓型變流器和與系統(tǒng)連接的變壓器構(gòu)成，原理圖見(jiàn)圖6。

圖6 靜止無(wú)功發(fā)生器原理

SVG中6個(gè)可關(guān)斷晶閘管分別與6個(gè)二極管反向并聯(lián)，控制其晶閘管通斷，可把電容器上的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，裝置的交流側(cè)通過(guò)電抗器或變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)中。與SVC相比，SVG的響應(yīng)速度更快，運(yùn)行的范圍更寬，諧波的電流含量也更小，尤為重要的是，電壓較低時(shí)，SVG可向系統(tǒng)注入較大的無(wú)功電流。在穩(wěn)態(tài)情況下，SVG的直流側(cè)和交流側(cè)之間沒(méi)有有功功率交換，無(wú)功功率在三相之間不斷流動(dòng)，因此它的直流儲(chǔ)能元件（電容器）只需要較小的容量電容即可。

綜上所述，我們可以得出各個(gè)無(wú)功補(bǔ)償方法的優(yōu)缺點(diǎn)，同步調(diào)相機(jī)（SC）響應(yīng)速度較慢，連續(xù)吸收無(wú)功功率，控制簡(jiǎn)單，沒(méi)有諧波電流，分相調(diào)節(jié)有限，損耗和噪聲比較大。晶閘管控制電抗器（TCR或FC＋TCR）響應(yīng)的速度較快，也能夠連續(xù)吸收無(wú)功功率，控制較為簡(jiǎn)單，諧波電流大，可以進(jìn)行分相調(diào)節(jié)，損耗中等，噪聲比較小。晶閘管投切電容器（TSC）響應(yīng)速度比較快，分級(jí)吸收無(wú)功功率，控制較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有諧波電流，分相調(diào)節(jié)有限，損耗和噪聲都比較小?；旌闲停═CR＋TSC）的響應(yīng)速度較快，能夠連續(xù)吸收無(wú)功，控制較簡(jiǎn)單，諧波電流大，可以分相調(diào)節(jié)，損耗和噪聲比較小。靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）的響應(yīng)速度快，連續(xù)吸收無(wú)功功率，控制復(fù)雜，諧波電流小，可以分相調(diào)節(jié)，損耗和噪聲都很小。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和SVC應(yīng)用的不斷普及，國(guó)際上SVC的生產(chǎn)和技術(shù)已經(jīng)基本成熟，特別是光觸發(fā)晶閘管等新型器件的應(yīng)用，進(jìn)一步提高其可靠性。計(jì)算機(jī)控制系的進(jìn)一步應(yīng)用和瞬時(shí)無(wú)功功率理論的引入，也提高了其控制的精度和響應(yīng)速度。單個(gè)晶閘管器件耐壓和功率不斷提高，則使SVC向著更為緊湊的方向發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

由不同時(shí)期出現(xiàn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，同步調(diào)相機(jī)由于自身不足，正在逐漸被其他無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞剿〈?。從總的無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘可峡?，并?lián)電容器補(bǔ)償仍是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中主要的無(wú)功補(bǔ)償方式。并聯(lián)電抗器主要用在輸電系統(tǒng)中。SVC無(wú)功補(bǔ)償已經(jīng)形成了比較成熟的技術(shù)方案，所以在輸配電系統(tǒng)中可以發(fā)揮很好的應(yīng)用。它在提高電網(wǎng)穩(wěn)定性及改善配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量等方面發(fā)揮了重要作用，因此現(xiàn)在的研究重點(diǎn)是研制可靠性高、大容量的SVC。而新型的無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）具有響應(yīng)速度快，吸收無(wú)功連續(xù)，產(chǎn)生的高次諧波量小等優(yōu)點(diǎn)，代表了無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。所以在大容量無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域中，SVG性價(jià)比有待進(jìn)一步提高，這樣才能拓寬市場(chǎng)前景。

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