無功補(bǔ)償綜述

周仲晶

【摘 要】無功補(bǔ)償是保持電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的主要手段之一。本文綜合闡述了國(guó)內(nèi)外無功補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，分析與研究了電網(wǎng)參數(shù)的測(cè)量方法，以及常見的無功補(bǔ)償方式方法及其適用環(huán)境和優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】無功補(bǔ)償；功率因數(shù)；靜止無功補(bǔ)償器；靜止無功發(fā)生器

0.概述

近年來，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的提高，我國(guó)的電力工業(yè)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，而大多數(shù)電力電子設(shè)備的功率因數(shù)很低，它們所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所輸送的電量中占有很大比例。無功功率的增加會(huì)導(dǎo)致線路電流的增加，線路的損耗也隨之增加，導(dǎo)致大量有用電能損耗。同時(shí)使功率因數(shù)偏低、系統(tǒng)電壓下降。如果無功功率得不到補(bǔ)償，就會(huì)造成配電、輸電和發(fā)電設(shè)備不充分發(fā)揮作用，降低發(fā)、輸電能力，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)電壓崩潰，造成大面積停電事故。

無功補(bǔ)償裝置，在電力供電系統(tǒng)中用于提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器級(jí)輸送線路的損耗，提供供電效率，改善供電環(huán)境。因此無功補(bǔ)償裝置在電力系統(tǒng)中處于一個(gè)不可缺少的非常重要的位置。

1.無功補(bǔ)償?shù)脑?/p>

電力系統(tǒng)中的變壓器和電動(dòng)機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，磁場(chǎng)所具有的磁場(chǎng)能是由電源供給的。變壓器和電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變磁場(chǎng)，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率稱為感性功率。接在交流電網(wǎng)中的電容器，在一個(gè)周期內(nèi)上半周期的充電功率和下半周期的放電功率相等，這種充電功率叫做容性無功功率。所以無功功率被使用與建立磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)，它存儲(chǔ)與電感和電容中，通過電力網(wǎng)往返與電源和電感、電容之間。無功功率在電網(wǎng)組件中流動(dòng)，便會(huì)在電網(wǎng)中引起電壓損耗和有功損耗，降低電網(wǎng)質(zhì)量，增加電網(wǎng)的線損率。無功補(bǔ)償裝置即把具有容性功率負(fù)荷的裝置和感性功率負(fù)荷裝置并接在同一電路中，當(dāng)容性負(fù)荷釋放能量時(shí)，感性負(fù)荷吸收能量，而感性負(fù)荷釋放能量時(shí)，容性負(fù)荷吸收能量，能量在兩種負(fù)荷之間交換。這樣當(dāng)線路中有感性負(fù)荷吸收無功功率時(shí)，可以從容性負(fù)荷釋放的無功功率中得到補(bǔ)償，當(dāng)線路中有容性負(fù)荷吸收無功功率時(shí)，可以從感性負(fù)荷釋放的無功功率中得到補(bǔ)償。

2.無功補(bǔ)償?shù)难芯亢桶l(fā)展趨勢(shì)

早期的無功補(bǔ)償裝置主要分同步調(diào)相機(jī)和并聯(lián)電容器兩種[1]。同步調(diào)相機(jī)可以理解為用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī)，可根據(jù)需要控制同步電機(jī)的勵(lì)磁，使其工作在過勵(lì)磁或欠勵(lì)磁的狀態(tài)下，從而發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率，來得以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中的無功進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。但同步調(diào)相機(jī)在運(yùn)行中損耗和噪聲比較大，維護(hù)復(fù)雜，成本高，而且響應(yīng)速度比較慢，難以滿足快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊蟆２⒙?lián)電容器相比之下簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，靈活方便，但其阻抗固定，不能根據(jù)電網(wǎng)需求動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，而且對(duì)電網(wǎng)補(bǔ)償時(shí)會(huì)出現(xiàn)“涌流”現(xiàn)象影響電網(wǎng)運(yùn)行，也會(huì)影響電容器壽命。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了多種電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)男录夹g(shù)。采用電力電子器件從根本上改變了交流電網(wǎng)過去基本依靠機(jī)械型、慢速、間斷及不精確的控制局面，為交流電網(wǎng)提供了快速、連續(xù)和精準(zhǔn)的無功補(bǔ)償控制方式。無功補(bǔ)償控制器已由基于晶閘管控制串聯(lián)電容的靜止無功補(bǔ)償器發(fā)展到基于GTO的靜止無功發(fā)生器等方式。

靜止無功補(bǔ)償器（SVC）早期的靜止無功補(bǔ)償裝置是飽和電抗器型，1967年英國(guó)GEC公職制成了全世界第一批飽和電抗器型SVC[2]。飽和電抗器與同步調(diào)相機(jī)相比，具有靜止型的優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)速度快，但由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪音都很大，所以沒有占據(jù)靜止無功補(bǔ)償裝置的主流。隨后使用晶閘管的SVC研制成功，具有優(yōu)良的特性，使其占據(jù)了靜止無功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位。因此SVC一般專指使用晶閘管的靜止補(bǔ)償裝置。但由于晶閘管很容易受“涌流”的沖擊而損壞，因此晶閘管必須過零觸發(fā)，就是當(dāng)晶閘管兩端電壓為零的瞬間發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。

靜止無功發(fā)生器（SVG）也稱靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）或先進(jìn)型靜止無功發(fā)生器（ASVG）。其分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種。電壓型橋式電路，其直流側(cè)采用電容作為儲(chǔ)能組件，交流側(cè)通過串聯(lián)電抗器并入電網(wǎng)；電流型橋式電路，直流側(cè)采用電感作為儲(chǔ)能組件，交流側(cè)并聯(lián)電容后接入電網(wǎng)。目前SVG大都采用電壓型橋式電路。SVG整個(gè)主回路主要由以下3部分組成：（1）直流側(cè)電容，目的是為裝置提供一個(gè)電壓支撐，同時(shí)使SVG直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。（2）由大功率電力電子開關(guān)器件（如GTO、IGBT）組成的電壓源逆變器，通過脈寬調(diào)制（PMW）技術(shù)控制功率開關(guān)器的通斷，將直流電壓變換為具有一定頻率、幅值和相位的交流電壓。（3）連接電抗器，其作用一方面將逆變裝置與電力系統(tǒng)耦合在一起，另一方面還可以通過它濾除逆變器輸出電壓中的高次諧波，實(shí)現(xiàn)SVG輸出電壓正弦化。

與SVC相比，SVG有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）調(diào)節(jié)速度快。

（2）運(yùn)行范圍寬。

（3）可以對(duì)感性到容性的整個(gè)范圍中進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。

（4）SVG不需要大容量的電容、電感等儲(chǔ)能組件，直流側(cè)所使用的電容組件和電抗器的容量遠(yuǎn)比SVC中使用的小，可大大縮小裝置的體積和成本。

（5）諧波含量小。SVG采用PWM技術(shù)等措施后，可大大減少補(bǔ)償電流中的諧波含量。

3.無功補(bǔ)償控制量的選擇

3.1功率因數(shù)控制

再表示有功功率在線路中所占的比例。即當(dāng)cos?=1時(shí)，線路中沒有無功損耗。提高功率因數(shù)以減少無功損耗成為這類控制器的目標(biāo)。一般控制器將無功補(bǔ)償?shù)耐肚虚T限設(shè)為cos?=0.95，當(dāng)cos?大于0.95時(shí)，控制器將不再有補(bǔ)償指令。但當(dāng)線路負(fù)載很大時(shí)，即使cos?大于0.95，此時(shí)線路上的無功功率仍然很大，而采用這種控制方式，無功補(bǔ)償裝置將不能給予有效充分的補(bǔ)償。

3.2無功功率控制

無功功率的控制器可以比較完善的解決功率因數(shù)的缺陷。控制器對(duì)電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采樣檢測(cè)，計(jì)算當(dāng)前的無功功率值。若當(dāng)前檢測(cè)值大于一個(gè)電容的補(bǔ)償值，則投入一個(gè)電容器組；若當(dāng)前值已經(jīng)超前，則切除一個(gè)電容器組。以無功功率作為裝置投切控制判據(jù)，可使電網(wǎng)無功補(bǔ)償更加到位，避免反復(fù)投切對(duì)電網(wǎng)和電容器影響。

4.常見的補(bǔ)償方式分析

電網(wǎng)系統(tǒng)中常見的無功補(bǔ)償方式包括：

（1）集中補(bǔ)償：在高低壓配電線路中安裝并聯(lián)電容組。

（2）單臺(tái)電動(dòng)機(jī)就地補(bǔ)償：在單臺(tái)電動(dòng)機(jī)處安裝并聯(lián)電容器。

（3）分組補(bǔ)償：在配電變壓器低壓側(cè)和用戶車間配電屏安裝并聯(lián)補(bǔ)償電容器。

就三種補(bǔ)償方式而言，無功就地補(bǔ)償克服了集中補(bǔ)償和分組補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，是一種較為完善的補(bǔ)償方式，然后從經(jīng)濟(jì)角度考慮，無功就地補(bǔ)償也有成本高的缺點(diǎn)，選擇補(bǔ)償方式應(yīng)從實(shí)地需要考慮選擇合適的補(bǔ)償方式。

5.總結(jié)

本文通過對(duì)無功補(bǔ)償?shù)脑?、無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展趨勢(shì)和種類，以及在實(shí)地應(yīng)用的一些無功補(bǔ)償方式的闡述，充分說明了無功補(bǔ)償在電力系統(tǒng)中的重要性，它與人們?nèi)粘Ｉ钍敲懿豢煞值摹Ｍㄟ^對(duì)無功補(bǔ)償裝置的認(rèn)識(shí)，研制更加完善的無功補(bǔ)償裝置，對(duì)提高電網(wǎng)輸送的電能質(zhì)量和我國(guó)的科技發(fā)展有重大意義。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊孝志.幾種無功補(bǔ)償技術(shù)的分析和比較[M].合肥：安徽電力，2006：40-43.

[2]劉懿.靜止型無功補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)的研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)，2008：16.