電力系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償裝置分類(lèi)及選擇

惠立新，崔紹偉

（1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050021；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，石家莊 050000）

電力系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償裝置分類(lèi)及選擇

惠立新1，崔紹偉2

（1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050021；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，石家莊 050000）

無(wú)功補(bǔ)償是電力系統(tǒng)廣泛采用的改善電網(wǎng)質(zhì)量、節(jié)能降損最經(jīng)濟(jì)有效的方法之一，通過(guò)對(duì)各種自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的分類(lèi)比較，介紹了各類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)明了無(wú)功補(bǔ)償裝置的選擇方法。

電力系統(tǒng)；無(wú)功補(bǔ)償；電網(wǎng)質(zhì)量；選擇

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和國(guó)際化能源緊張局勢(shì)的加劇，加強(qiáng)電能質(zhì)量和節(jié)能降損管理已成為國(guó)家政策的重要內(nèi)容。電力系統(tǒng)中電壓和頻率是衡量電能質(zhì)量的兩個(gè)最重要指標(biāo)。為確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，供電電壓和頻率必須穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)。其中電壓控制的重要方法就是對(duì)電力系統(tǒng)的無(wú)功功率進(jìn)行控制，采用無(wú)功補(bǔ)償裝置已成為電力系統(tǒng)改善電網(wǎng)質(zhì)量、節(jié)能降損最經(jīng)濟(jì)有效的方法之一。

無(wú)功補(bǔ)償裝置在供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。在電力系統(tǒng)中，存在大量的電感性負(fù)載，在運(yùn)行中消耗大量無(wú)功，無(wú)功儲(chǔ)備不足將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓水平降低，沖擊性的無(wú)功功率負(fù)載還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，惡化電網(wǎng)的供電質(zhì)量。所以無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個(gè)不可缺少的重要位置。

無(wú)功補(bǔ)償裝置種類(lèi)繁多，針對(duì)性較強(qiáng)，技術(shù)水平參差不齊。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，可控硅的工業(yè)控制技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟，從而為無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 無(wú)功補(bǔ)償裝置分類(lèi)

無(wú)功補(bǔ)償裝置分類(lèi)有很多種方法，按能源供給的角度可分為無(wú)源補(bǔ)償和有源補(bǔ)償兩大類(lèi)。

2.1 無(wú)源補(bǔ)償

無(wú)源補(bǔ)償裝置僅能發(fā)出無(wú)功功率，而不能吸收無(wú)功功率，早期的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要是無(wú)源裝置，是在系統(tǒng)母線上并聯(lián)或者在線路中串聯(lián)一定容量的電容器或者電抗器。按控制方式可分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及混合方式3種。

靜態(tài)補(bǔ)償指以電磁型交流接觸器為電容器投切開(kāi)關(guān)的自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置，即控制器控制的投切器件是有觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償指采用可控硅投切電容器、電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置，即控制投切的開(kāi)關(guān)是無(wú)觸點(diǎn)的復(fù)合開(kāi)關(guān)，快速投切調(diào)節(jié)器。

無(wú)源補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了2代：第1代為機(jī)械式投切的無(wú)源補(bǔ)償裝置，屬于固定補(bǔ)償、分組投切的慢速無(wú)功補(bǔ)償裝置，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較早，目前仍在應(yīng)用；第2代為晶閘管投切的靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）（自飽和電抗器型SSR、晶閘管投切電容器型TSC、晶閘管相控電抗器型TCR、高阻抗變壓器型TCT等），SVC依靠電力電子器件開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功調(diào)節(jié)，由于其換流元件關(guān)斷不可控，易產(chǎn)生較大的諧波電流，而且對(duì)其電網(wǎng)電壓波動(dòng)的調(diào)節(jié)能力不夠理想，出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為普遍。

2.2 有源補(bǔ)償

有源補(bǔ)償裝置不僅能夠發(fā)出無(wú)功功率，而且也能夠吸收無(wú)功功率，具有雙向調(diào)節(jié)的強(qiáng)大能力。早期的如同步調(diào)相發(fā)電機(jī)，現(xiàn)代常見(jiàn)的為靜止同步補(bǔ)償器（SVG）。

同步調(diào)相發(fā)電機(jī)相應(yīng)速度慢，噪聲大，損耗大，技術(shù)陳舊，屬淘汰技術(shù)；靜止同步補(bǔ)償器（SVG）指采用電力電子器件IGBT功率模塊搭建整流和逆變電路，組成可控電壓源有源發(fā)生裝置，提供感性或容性電流自動(dòng)連續(xù)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)全過(guò)程調(diào)節(jié)。SVG屬快速的無(wú)功補(bǔ)償裝置，國(guó)外從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究，90年代末得到較廣泛的應(yīng)用。

3 無(wú)功補(bǔ)償裝置特點(diǎn)

3.1 靜態(tài)補(bǔ)償

（1）電容器容量存在級(jí)差，分級(jí)投切使補(bǔ)償容量不連續(xù)，經(jīng)常發(fā)生投則過(guò)補(bǔ)，不投則欠補(bǔ)的問(wèn)題，系統(tǒng)不能處在最佳經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償狀態(tài)之下，功率因數(shù)不會(huì)補(bǔ)償?shù)煤芨摺?/p>

（2）受電容器承受涌流能力、放電時(shí)間限制，不能連續(xù)頻繁投切電容。接觸器操作頻率制約投切速度慢，功率因數(shù)不穩(wěn)定，不能對(duì)快速變化的負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）采用接觸器或斷路器做投切開(kāi)關(guān)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)零電壓投切，存在較大操作電壓，需串接電抗器或限流電抗器，容易引起電容器與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，造成電容器過(guò)電流或過(guò)電壓，損壞設(shè)備。

（4）機(jī)械觸電動(dòng)作速度慢，不具備快速性、反復(fù)性、連續(xù)性的特點(diǎn)，對(duì)快速頻繁波動(dòng)的沖擊性負(fù)荷不能有效補(bǔ)償，不能實(shí)現(xiàn)短時(shí)糾正電壓升高或降落的功能，造成電壓不穩(wěn)。

（5）諧波嚴(yán)重系統(tǒng)不能使用，否則會(huì)造成電容擊穿，發(fā)生爆炸。

3.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

（1）采用可控硅光電觸發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)壽命大大延長(zhǎng)。

（2）觸發(fā)精度高，實(shí)現(xiàn)一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)隔離，保證高可靠性觸發(fā)。

（3）實(shí)現(xiàn)過(guò)零投切，投切過(guò)程無(wú)沖擊、無(wú)涌流、無(wú)過(guò)渡，不引入暫態(tài)和諧波，提高了電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

（4）有效穩(wěn)定負(fù)載端電壓，改善電壓質(zhì)量，保證用電設(shè)備運(yùn)行在良好的工況下，提高經(jīng)濟(jì)效益，最大限度地延長(zhǎng)電容器的使用壽命。

（5）在規(guī)定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，多級(jí)電容器可實(shí)現(xiàn)快速頻繁投切，一次到位，響應(yīng)速度快。

（6）降低網(wǎng)損和變壓器損耗，提高電氣設(shè)備效率，增加變壓器帶載能力，充分挖掘供電設(shè)備潛力，起到良好的節(jié)能效果。

（7）造價(jià)較高，可控硅附加損耗增加，本身也是諧波源，污染電網(wǎng)。

3.3 有源補(bǔ)償

（1）實(shí)現(xiàn)雙向、動(dòng)態(tài)無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，即可補(bǔ)償系統(tǒng)中的感性無(wú)功，又可補(bǔ)償系統(tǒng)中的容性無(wú)功，抑制電壓閃變，有效提高功率因數(shù)，降低線路損耗。

（2）響應(yīng)速度快，即可跟蹤補(bǔ)償沖擊性負(fù)荷的沖擊電流，實(shí)現(xiàn)基波無(wú)功電流，也可對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）取消傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置中的電容器、電抗器，占地面積大為減少，節(jié)約空間，調(diào)節(jié)過(guò)程平滑無(wú)階躍，可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)全程趨于1，最大限度地降低線路和變壓器的無(wú)功損耗，從機(jī)理上避免了因系統(tǒng)運(yùn)行方式改變或設(shè)備參數(shù)變化而與系統(tǒng)串聯(lián)或并聯(lián)諧振的發(fā)生。

（4）工作狀態(tài)不受系統(tǒng)參數(shù)變化影響，能實(shí)時(shí)跟蹤快速響應(yīng)，動(dòng)態(tài)特性好。（5）輸出電流為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，自身不產(chǎn)生諧波。（6）造價(jià)偏高，運(yùn)行維護(hù)水平要求較高。

3.4 無(wú)功補(bǔ)償裝置主要技術(shù)性能及參數(shù)比較

無(wú)功補(bǔ)償裝置主要技術(shù)性能及參數(shù)比較如表1所示。

表1 無(wú)功補(bǔ)償裝置主要技術(shù)性能及參數(shù)對(duì)比

4 無(wú)功補(bǔ)償裝置選擇及其應(yīng)用

應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)及具體要求，選擇適宜的無(wú)功補(bǔ)償裝置，包括不同補(bǔ)償方式及補(bǔ)償容量。

4.1 補(bǔ)償方式選擇

4.1.1 根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)選擇

（1）對(duì)負(fù)荷平穩(wěn)、大型沖擊負(fù)荷不多、沖擊不頻繁的系統(tǒng)優(yōu)先采用靜態(tài)補(bǔ)償；或雖有大型沖擊負(fù)荷，但每日投切次數(shù)很少，起動(dòng)時(shí)雖造成瞬時(shí)電壓波動(dòng)，但只要與之相連的母線其他設(shè)備能夠承受的，宜采用靜態(tài)補(bǔ)償。如連續(xù)工作制為主的棉紡企業(yè)，用電負(fù)荷主要為連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)，三相負(fù)載基本平衡，無(wú)功補(bǔ)償量穩(wěn)定，采用靜態(tài)補(bǔ)償即可。

（2）對(duì)大型沖擊負(fù)荷、非線性負(fù)荷、頻繁起動(dòng)負(fù)荷的系統(tǒng)宜采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償或有源補(bǔ)償。如煉鋼企業(yè)的電弧爐，設(shè)備容量大、負(fù)荷變化無(wú)規(guī)律，負(fù)荷沖擊強(qiáng)、無(wú)功負(fù)荷瞬時(shí)變化大，選用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償或有源補(bǔ)償方可穩(wěn)定母線電網(wǎng)電壓，提高生產(chǎn)效率。

（3）對(duì)單項(xiàng)負(fù)荷嚴(yán)重不平衡的系統(tǒng)，如電氣化鐵路供電系統(tǒng)中的電力機(jī)車(chē)采用單相交流供電，供電網(wǎng)三相嚴(yán)重不平衡，采用分相補(bǔ)償裝置的分相補(bǔ)償可改善不平衡狀態(tài)，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

（4）對(duì)大多數(shù)動(dòng)態(tài)負(fù)荷只占一部分的場(chǎng)合，可采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和靜態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合的補(bǔ)償方式，如高層住宅區(qū)、大型商場(chǎng)、寫(xiě)字樓等用電場(chǎng)所既存在較多的單相負(fù)荷又有電梯、空調(diào)等動(dòng)力負(fù)荷?？照{(diào)負(fù)荷季節(jié)性強(qiáng)，負(fù)荷電流平穩(wěn)、無(wú)功負(fù)荷變化小，電梯等動(dòng)力負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間短、啟動(dòng)頻繁，采用混補(bǔ)方式效果明顯。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償作為負(fù)荷變化時(shí)的快速補(bǔ)償，靜態(tài)補(bǔ)償作為不頻繁投切的基本負(fù)荷補(bǔ)償。

（5）對(duì)諧波含量較大的用電負(fù)荷，可在無(wú)功補(bǔ)償裝置基礎(chǔ)上增加濾波功能。如鋼鐵行業(yè)中的各種整流設(shè)備、電熔煉設(shè)備等非線性負(fù)荷，諧波含量大，均應(yīng)進(jìn)行諧波治理。

4.1.2 根據(jù)調(diào)節(jié)方式選擇

（1）以節(jié)能為主進(jìn)行補(bǔ)償者，采用無(wú)功功率參數(shù)調(diào)節(jié)；當(dāng)三相負(fù)荷平衡時(shí)，也可采用功率因數(shù)參數(shù)調(diào)節(jié)。如一般性生產(chǎn)企業(yè)、區(qū)域變電站等，以減少無(wú)功需求或提高功率因數(shù)、減少系統(tǒng)損耗為目的，此種補(bǔ)償主要為靜態(tài)補(bǔ)償。

（2）為改善電壓偏差為主進(jìn)行補(bǔ)償者，應(yīng)按電壓參數(shù)調(diào)節(jié)。如遠(yuǎn)距離輸電工程，主要控制指標(biāo)為電壓偏移。

（3）對(duì)沖擊性負(fù)荷、動(dòng)態(tài)變化快的負(fù)荷及三相不平衡負(fù)荷，可采用晶閘管（電子開(kāi)關(guān)）控制，必要時(shí)可采用組合調(diào)節(jié)方式。如鋼鐵企業(yè)的大型軋機(jī)，主要通過(guò)快速補(bǔ)償穩(wěn)定電壓，提高功率因數(shù)，節(jié)能降損。

（4）對(duì)三相負(fù)荷不平衡系統(tǒng)，采用分相補(bǔ)償或混合補(bǔ)償方式；對(duì)含有諧波的配電系統(tǒng)，補(bǔ)償裝置中應(yīng)設(shè)置抑制諧波和涌流的措施。

4.2 無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算

設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置的目的就是要提高配電網(wǎng)的運(yùn)行指標(biāo)，因此補(bǔ)償容量的確定方法分為兩種。

4.2.1 提高功率因數(shù)和降低線損

某引水工程渠首泵站，裝機(jī)容量3×250kW，水泵電機(jī)自然功率因數(shù)0.78，系統(tǒng)要求補(bǔ)償至0.95，依據(jù)補(bǔ)償容量QC計(jì)算公式：QC=Pmj（tgφ1-tgφ2）=Qpj計(jì)算，需補(bǔ)償容量355.5kvar，選擇補(bǔ)償容量400kvar。

4.2.2 提高運(yùn)行電壓

某引水工程加壓泵站，裝機(jī)容量3×1000kW，配電電壓10kV，配電距離4km，架空線路導(dǎo)線型號(hào)LGJ-70，輸電線路感抗0.4×4=1.6Ω，平時(shí)運(yùn)行電壓偏低，現(xiàn)技術(shù)改造欲提高運(yùn)行電壓1.5%（150V），依據(jù)運(yùn)行電壓公式△U計(jì)算，需在泵房加裝補(bǔ)償容量937.5kvar，選擇安裝容量1000kvar。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了從同步調(diào)相機(jī)→開(kāi)關(guān)投切固定電容→靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）→靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）的幾個(gè)不同階段，技術(shù)日益成熟，實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)功補(bǔ)償裝置選擇應(yīng)根據(jù)具體工程負(fù)荷性質(zhì)、運(yùn)行工況、工藝要求、運(yùn)行維護(hù)水平等具體分析，既要考慮補(bǔ)償裝置的技術(shù)先進(jìn)性，也要考慮裝置的經(jīng)濟(jì)型，以達(dá)到最優(yōu)的增容、穩(wěn)壓和節(jié)能效果。

［1］國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，等.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）［K］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［2］翁雙安.供配電工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］湯繼東.低壓配電常見(jiàn)問(wèn)題分析［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［4］靳龍章.電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1997.

［5］方大千.輸配電速查速算手冊(cè)［K］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

Classification and Choice of Reactive Power Compensation Device

HUI Li-xin1，CUI Shao-wei2
（1.The Second Institute for Design and Research of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China；2.Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion middle Route Project，Shijiazhuang 050000，China）

Reactive power compensation is one of the most economic effective way and widely used to improve power quality and save energy in power system.This paper introduces the classification of reactive power compensation，the advantages and disadvantages of all kinds of reactive power compensation，given the choice of reactive power compensation principle.

electrical power system;reactive power compensation;power quality;choice

TV737；TM714

A

1672-9900（2013）01-0054-04

2012-11-05

惠立新（1966-），男（漢族），河北霸州人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作，（Tel）13398610202。