淺談電力系統(tǒng)中的無功補償

孫耀斌 趙朝

摘要：在電力系統(tǒng)中存在許多感性負(fù)荷和非線性裝置，這些負(fù)荷需要消耗大量的無功功率。為了確保電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量、降低電網(wǎng)損耗，在電力系統(tǒng)中必須采用大量的無功補償裝置。文章闡述了無功功率、無功補償?shù)母拍钜约盁o功補償在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，并對電力系統(tǒng)常用的幾種無功補償方式進(jìn)行了對比分析。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；無功補償；無功功率；電壓質(zhì)量；電網(wǎng)損耗 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2016）16-0120-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.058

在電力系統(tǒng)中運行的很多電氣設(shè)備如電弧爐、電動機、變壓器等，它們屬于既有電感又有電阻的感性負(fù)載，這些感性負(fù)載在正常運行中，會建立交變磁場，進(jìn)行著“電”“磁”之間的轉(zhuǎn)換。這些電感性負(fù)載的電流和電壓向量之間存在著一個相位差，相位差的余弦cosφ即是功率因數(shù)，它是有功功率（P）與視在功率（S）之比。功率因數(shù)是電氣設(shè)備合理使用狀況及用電管理水平的一個重要技術(shù)指標(biāo)，可以衡量電氣設(shè)備效率的高低。

交流電源提供的功率為視在功率（S），視在功率不等于有功功率（P）也不等于無功功率（Q）。視在功率、有功功率和無功功率的關(guān)系可以用功率三角形來表示，如圖1所示：

功率三角形實際是一個直角三角形，兩個直角邊分別是有功功率和無功功率，斜邊為視在功率，有功功率和視在功率的夾角為功率因數(shù)角（φ），它表示交流回路中電壓與電流之間的相位差。從以上功率三角形中可以看出，當(dāng)設(shè)備的視在功率一定時，如果功率因數(shù)降低，有功功率也就隨之降低，此時無功功率就會增大，這樣線路及變壓器就會傳送更多的無功功率以滿足電網(wǎng)需求，從而降低了設(shè)備的利用率，也增加了電氣設(shè)備及線路中的損耗，因此電力系統(tǒng)必須采取無功補償?shù)拇胧?，以提高功率因?shù)。

1 無功功率及無功補償?shù)母拍?/p>

在電力系統(tǒng)中，變壓器、電動機等一些電氣設(shè)備都是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，當(dāng)設(shè)備線圈流過交流電流時，在鐵芯中會產(chǎn)生交變磁通，在交變磁場的作用下，這些電氣設(shè)備才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，建立磁場所需要的電流是電感性的，相位滯后電壓90度，屬于無功電流。因此為建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱為無功功率，無功功率并不會直接轉(zhuǎn)化為熱能或者機械能，它們并不是“無用”的電功率，相反它們是電氣設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn)的一個必備條件。無功功率在電網(wǎng)中不會被消耗，它只是與電能一直進(jìn)行著周期性轉(zhuǎn)換，并沒有真正消耗能量，因此這類功率通常稱之為無功功率，為保證電力系統(tǒng)能夠正常運行，電力系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。

電流在電感元件中做功時，電壓超前于電流90度，而電容器接入電力系統(tǒng)后，其電壓滯后電流90度，在同一電路中，流過電容設(shè)備的電流與流過電感設(shè)備的電流方向正好相反，相差180度，所以流過電容器的電流與用電設(shè)備建立磁場所需要的無功電流相位相反，可以互相抵消（補償），從而使總電流減小，因此，在電力系統(tǒng)中，常把具有容性功率的裝置與感性負(fù)荷連接在同一電路中，通過容性設(shè)備與感性負(fù)荷之間的能量相互轉(zhuǎn)化，從而使感性負(fù)荷所需要的無功功率得到補償，也就是電力系統(tǒng)所說的無功補償。

2 無功補償在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)的功率平衡是指電力有功功率和無功功率的平衡，電能具有一個很重要的特點就是不能儲存，在任何時刻，電力系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸送、分配和消耗在功率上必須嚴(yán)格保持平衡，否則電能質(zhì)量就不能保證。當(dāng)系統(tǒng)供給的有功功率大于負(fù)載消耗的有功功率時，系統(tǒng)頻率就會升高，當(dāng)系統(tǒng)供給的有功功率小于負(fù)載消耗的有功功率時，系統(tǒng)頻率就會降低。在電力系統(tǒng)中，電壓與無功功率也是一對統(tǒng)一體。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出的無功功率大于負(fù)載所消耗的無功功率時，系統(tǒng)電壓就會升高，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出的無功功率小于負(fù)載所消耗的無功功率時，系統(tǒng)電壓就會降低，無功功率嚴(yán)重不足時，會造成電力系統(tǒng)電壓急劇下降，可能會使系統(tǒng)瓦解，造成電網(wǎng)大面積停電。

因此在電力系統(tǒng)中，為保障供電質(zhì)量以及提高電氣設(shè)備利用率，電力系統(tǒng)會采用大量的無功補償裝置，為避免輸電系統(tǒng)長距離傳輸無功功率而增大無功損耗，電力系統(tǒng)基本在受電端安裝無功補償裝置即采用就地平衡的原則以保證系統(tǒng)各樞紐變電站的電壓能夠滿足規(guī)定的要求。

3 電力系統(tǒng)無功補償?shù)膸追N方式

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)也得到快速的發(fā)展，尤其是大范圍的高電壓甚至特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的逐漸形成，負(fù)荷的增長對無功的需求也大幅度上升，因此無功功率的平衡也成為了更多人關(guān)注的焦點，無功補償裝置的多樣性及技術(shù)的先進(jìn)性也得到了很大的提高。目前，我國電力系統(tǒng)主要有以下三種無功補償方式：

3.1 并聯(lián)電容器和同期調(diào)相機

裝設(shè)并聯(lián)電容器是電力系統(tǒng)中補償無功功率最常用的方法之一。并聯(lián)電容器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和原理簡單，安裝、運行以及維護(hù)方便，損耗低，效率高，缺點是只能補償固定的無功，不能夠連續(xù)調(diào)節(jié)，有時甚至?xí)霈F(xiàn)過補償現(xiàn)象，而且易與系統(tǒng)中的感性元件發(fā)生并聯(lián)諧振導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。由于電容器輸出的無功功率與系統(tǒng)電壓的平方成正比，當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時，電容器輸出的無功也將會隨之下降。比如，當(dāng)系統(tǒng)電壓降低5%時，電容器輸出的無功功率將會下降10%左右，電容器無功功率輸出的減少將會導(dǎo)致電壓繼續(xù)下降，此時電容器就不能起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的作用。同期調(diào)相機在運行原理上相當(dāng)于空載運行的同步電動機，通過改變同期調(diào)相機的勵磁電流，可以使同期調(diào)相機既能供給系統(tǒng)滯后的無功功率又能從系統(tǒng)吸收滯后的無功功率。所以同期調(diào)相機既可作為無功電源使用，也可作為無功負(fù)荷使用。同期調(diào)相機的優(yōu)點是能夠通過適當(dāng)調(diào)整它的勵磁電流可以平滑地改變同期調(diào)相機所供給或吸收的無功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近于1。其主要缺點是投資大，而且由于同步調(diào)相機經(jīng)常運行在過勵磁狀態(tài)下，勵磁電流較大，其損耗也比較大，發(fā)熱比較嚴(yán)重，因此隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，同步調(diào)相機已很少使用。

3.2 靜止無功補償裝置（SVC）

隨著科學(xué)技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，使用晶閘管的無功補償裝置在電力系統(tǒng)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。靜止無功補償裝置包括晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）。晶閘管投切電容器可以通過晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷控制電容器數(shù)量的投切，從而達(dá)到可以改變向電網(wǎng)發(fā)出無功功率的大小。TSC由于通過電容的電流為一整個周期的正弦電流，所以不會產(chǎn)生高次諧波。SVC能夠平滑調(diào)節(jié)容性或感性無功功率，實現(xiàn)動態(tài)補償。SVC和傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器及同步調(diào)相機相比，它具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)性能好、運行和維護(hù)費用較低的優(yōu)點。但是，無論何種型式的SVC，它之所以能夠補償電網(wǎng)的無功功率，主要依靠的是內(nèi)部電容器元件，但由于之前所說，電容器產(chǎn)生的無功功率與電容器所承受的電壓平方成正比，因此當(dāng)電網(wǎng)電壓較低時，SVC仍然無法通過電容器增加無功功率的輸出，這是靜止無功補償裝置無法克服的缺陷。

3.3 靜止無功發(fā)生器（SVG）

靜止無功發(fā)生器（SVG）是指采用全控型電力電子器件組成的橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補償?shù)难b置，其又稱靜止同步補償器（STATCOM），其基本原理是利用可關(guān)斷大功率電力電子器件如絕緣柵雙極型功率管組成自換相橋式電路，并通過降壓變壓器或者其他電氣設(shè)備接入電力系統(tǒng)，通過控制橋式電路交流側(cè)電流或者適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，即可實現(xiàn)對電網(wǎng)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。SVG不僅可以發(fā)出電網(wǎng)所需的無功，還可以根據(jù)負(fù)荷的變化，吸收電網(wǎng)多余的無功。SVG裝置補償響應(yīng)時間很短，可達(dá)到微秒級，因此能夠在極短時間通過改變運行參數(shù)實現(xiàn)對電網(wǎng)的動態(tài)無功補償。

SVG并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個可控的無功電流源，它作為一個有源型補償裝置，還可以動態(tài)補償基波無功及各次諧波，SVG濾波性能不受系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，它比SVC裝置的調(diào)節(jié)速度更快，運行范圍從感性到容性都能實現(xiàn)，而且SVG不像SVC那樣需要大容量的電容、電感等儲能元件，因此SVG占地面積更小，并且它還具備分相調(diào)節(jié)的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)不對稱負(fù)荷的平衡補償，SVG對無功電流和電壓的控制精度也比SVC更高。SVG諸多的優(yōu)點使它成為新一代無功補償裝置的代表。隨著電力電子技術(shù)的日漸成熟，SVG在電力系統(tǒng)中的大量應(yīng)用將會是電力系統(tǒng)無功補償?shù)陌l(fā)展趨勢。

4 無功補償技術(shù)的發(fā)展趨勢

近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，動態(tài)無功補償裝置越來越廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，用于提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性、提高功率因數(shù)以及改善用戶電能質(zhì)量。眾所周知，風(fēng)能是一種清潔能源，但由于風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)力發(fā)電機本身的運行特性，使風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率是波動的，導(dǎo)致并網(wǎng)功率因數(shù)不合格、電壓偏差等問題。為解決風(fēng)電場并網(wǎng)運行存在的電壓穩(wěn)定問題，各個風(fēng)電場都采取了各種方式來提高風(fēng)電場并網(wǎng)運行穩(wěn)定性，但SVG是目前最先進(jìn)的無功補償技術(shù)，它在風(fēng)電場的應(yīng)用極大地補償了風(fēng)電的無功功率以及對諧波的動態(tài)補償，提高了風(fēng)電場電壓的穩(wěn)定性。

SVG可以克服傳統(tǒng)無功補償和諧波治理裝置存在的不足，為電網(wǎng)或用電負(fù)荷提供快速、連續(xù)有緣動態(tài)無功補償和諧波濾波，可有效提高電網(wǎng)電壓暫態(tài)穩(wěn)定性、抑制母線電壓突變，補償系統(tǒng)不平衡負(fù)荷，而且能夠提高電力系統(tǒng)功率因數(shù)。因此，發(fā)展SVG裝置具有巨大的社會效益，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。SVG技術(shù)代表了現(xiàn)階段無功補償、諧波治理、電能質(zhì)量控制的發(fā)展趨勢，隨著電力電子技術(shù)以及電網(wǎng)運行水平的發(fā)展，SVG必將在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

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