淺析電力系統中無功補償的研究進展

陶明越 薛玉翠

黑龍江省綏化學院電氣學院

淺析電力系統中無功補償的研究進展

陶明越 薛玉翠

黑龍江省綏化學院電氣學院

無功功率補償技術是保持電網高質量運行的一種主要手段，也是當今電力電子技術及電力系統研究領域所面臨的一個重大課題，已經引起人們的高度關注。本文在無功功率補償原理的基礎上，探討了我國相關領域的研究進展，以期促進我國電力系統中無功功率補償應用的不斷發展和進步。

無功功率補償；研究進展；重要意義；補償裝置

隨著我國經濟的迅速發展，工農業生產能力不斷增強，其用電量也在不斷增長，用電結構也隨之發生了巨大的變化，使得電力供需矛盾不斷激化和加深。要保證電力系統的穩定運行和獲得高質量的電能，其先決條件就是解決遠距離輸電，無功補償能有效提高電力系統的電壓穩定性，保證電壓質量，提高發輸電設備的利用率，降低不必要的網損和減少發電費用，對電網安全經濟地運行具有重要的作用。因此，無功補償在電力體系中的應用備受矚目，已成為全社會普遍關注的問題。

1 相關理論概述

1.1 無功功率補償的原理

電能通過發電機、變壓器、輸電線路送到用戶端，由于受到功率、發熱和溫升的限制，發電機、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)是保持電力設備正常運轉所必需的電功率，也就是將電力能量全部轉化成除電能以外的其他能量（機械能、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，在我國的工農業生產及居民生活用電負載中，大部分都是感性負載，如熒光燈、變壓設備等，這些設備在運行過程中是需要急時進行無功補償的。無功補償的基本原理是把具有容性的設備與感性用電負載之間相并聯，電能就會在這兩種負荷間進行隨意的轉換，從而就達到了減少在整個電網系統中無功功率耗用的作用。

1.2 無功功率補償的補償形式

無功功率補償的方式有很多，要根據自身實際情況選取不同的補償方式。首先，是集中補償。在高低壓配電中心內設置若干組電容器，將電容器連接在配電母線上，實現集中補償，從而到達補償供電范圍內無功功率的目的；其次，是分散就地補償，就是在高壓配電裝置或者動力箱的母線上連接電容器，實現對高壓配電裝置或者動力箱附近電動機的無功補償。還可以將電容器裝于控制箱中，放置在電動機旁邊，對其進行單獨補償。這種單獨的補償，一般用于降壓啟動以及一些有可逆運行操作要求的電動機等；再次，是組合補償，這是目前應用比較廣泛的一種補償方式。組合補償方式可以分為固定補償與動態補償相結合的組合補償、三相共補與分相補償相結合的組合補償、穩態補償與快速跟蹤補償相結合的組合補償三種；最后，是智能無功補償，是目前比較先進的一種補償方式，這種方式可以進行低壓無功補償、監測綜合配電、計量配電區的線損、考核電壓合格率等。

2 電力系統中無功補償研究現狀

我國經濟的迅速發展離不開電力系統的長足進步，目前，國內已經形成了巨大的電路網絡，只要有一點點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，自從武功功率補償原理明確之后，就有很多專家學者在這方面進行了研究。1989年，貴州工學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時國內外無功功率研究的動態和現狀，并根據貴州電網的實際現狀，提出了一些有益的改進建議和措施[1]；2008年，廣東省電力試驗研究所的曾紀添闡述了國內外電力系統無功電壓控制的問題、發展的方向、AVC研究現狀及電網動態電壓穩定的策略[2]；2010年，華南理工大學電力學院的朱鷹屏博士研究了電壓穩定性的定義、本質、研究方向和相關理論，以及無功功率控制策略在電壓穩定性方面的研究現狀[3]；2011年，牡丹江電業局的李春麗對在電網建設里無功功率補償技術的實施意義方面進行了講解，介紹了目前國內外在無功補償技術上的開發、研究現狀[4]；同年，廣西電網公司欽州供電局的黃林燕，以廣西欽州10 kV配網為例，分析了電網無功的管理以及無功補償設備的重要性，重點研究了配網無功補償容量如何優化配置、容量選擇及應用前景等[5]。雖然我國已經進行了大量的研究，但是科學是在不斷進步的，我們應積極利用先進的技術應用到電力系統中，研究無功功率補償設備的研制等，促進我國電力系統的進一步發展。

3 無功功率補償裝置的研究進展

3.1 并聯電容器組裝置

并聯電容器補償裝置就是把電容器組并聯接在用電負荷或者供電設備上，負荷所需的無功功率是由電容器組供給一部分，而相應的裝置就是并聯電容器組裝置。通過電容器組減少了無功功率的輸送，達到了減少線路電量損耗、改善電壓質量、提高了電力設備效率的作用。采用這種形式一般都是就地補償，將電容器組安裝在用電負荷中心或者附近位置，補償線路以及變壓器的I2X損耗，保證在重負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，靜止同步補償器(STATCOM)是這種裝置的主要形式之一。靜止同步補償器可以校正穩態運行的電壓，也可以在故障之后恢復期間的高速穩定電壓，對提高電力系統暫態穩定具有十分重要的作用，而且這種裝置的體積小、價格低、機械慣性小、機械損耗和旋轉噪聲也很小。但是這種并聯補償裝置是以犧牲穩定區域以及電壓調節范圍為代價的，因此，應該根據實際情況適當的運用。

3.2 串聯電容器組裝置

電容器串聯補償裝置是把電容器組串聯于輸電線路上，采用集中電容補償線路的電感，改變線路的具體參數，減少了線路上的電壓損耗。電壓的提高導致線路的參數改變，功率損失也就相應的減少了。這種補償裝置無功功率輸出是隨著線路的負載增加而不斷增加的，增加穩定極限，改善電壓的調節。制約這種裝置應用的主要問題在于次同步諧振和過電壓現象，因此，只有當功率因數較低，導線截面積較大的長線路，才可以使用這種串聯電容器組裝置這樣才會更合理。

3.3 調相機裝置

調相機裝置其本質就是一種旋轉電機，是沒有有功輸出的同步機，它的電壓控制特性與同步發電機是一樣的，不托動機械的負載，也不需要原動機的托動，這是因為它可以吸收系統少量的有功功率，為本身轉動提供能量。調相機裝置的轉子上有直流勵磁，以保持其與系統頻率相同轉速。調相機裝置可以方便地調節無功功率的供需平衡，還可以提均勻地調整供電電壓。

3.4 靜止無功補償(SVC)裝置

靜止無功補償器(SVC)裝置是當前最先進的無功補償裝置，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。靜止無功補償器可以進行雙向連續、平滑的調節、調節速度快，沒有旋轉部件，因此，運行維護非常簡單，特別適合用于中高壓電力系統中的無功補償。但是它也存在一定的問題，它自身工作過程中會產生諧波，會污染整個電力系統，如何避免這一現象也是各國專家學者研究的熱點。

4 無功功率補償技術的發展趨勢

根據上述我國無功功率補償的情況及出現的問題，今后我國的無功功率補償的發展方向是無功功率動態自動無級調節，諧波抑制，有以下幾種裝置。⑴TSC補償裝置。這種TSC是通過微機檢測電網電壓和電流，計算需要補償的電容無功量，在恰當的時間投入或切除相當數量的帶你容器，從而控制電網的功率因數在允許的范圍內，TSC 補償裝置操作無涌流，跟蹤響應快，并具有各種保護功能；⑵SVG。SVG靜止無功發生器的原理是將自然換相電路接到電網上，通過調節交流側的電壓或電流，使得SVG電路吸收或者發出無功電流，實現無功補償的目的。其具有響應速度快，連接電抗小，諧波含量小，運行范圍廣，通過增大直流側電容值，在短時間內還可以向電網提供部分有功功率等優點；⑶電力有源濾波器。運用瞬時濾波形成技術，對包含諧波和無功分量的非正弦波進行“矯正”，其補償特性受電網阻抗參數影響較?。虎染C合潮流控制器。其方法是將一個由晶閘管換流器產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變化，從而實現線路有功和無功功率的準確調節，并可提高輸送能力以及阻尼系統振蕩。這種裝置的優點：無功是其本身裝置控制和產生的，消耗或提供有功功率較少。

伴隨著超高壓輸電技術的發展，對輸電線路的無功功率補償技術研究仍在繼續，研究的重點主要在控制策略上，模糊控制和人工神經網絡控制等控制手段已經應用在SVC和SVG系統中，提高了SVC和SVG系統性能。隨著電力電子技術在電力系統中應用，電力電子源濾波器因為具有良好的動態控制性能正日益受到重視，應用越來越多，必將成為今后無功功率補償系統的發展方向。

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

[2]曾紀添.電力系統無功補償及電壓穩定性研究綜述[J].南方電網技術,2008,2(1):56-60.

[3]朱鷹屏,蔡澤祥,張緒紅.電力系統電壓穩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.電力系統無功補償技術發展現狀分析[J].中國科技財富, 2011,10:18.

[5]黃林燕.電力系統中無功補償設備的應用—以廣西欽州10kV配網為例[J].技術研發, 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，綏化學院電氣學院電氣工程及其自動化專業，研究方向：電力電子與電力傳動。

薛玉翠 綏化學院電氣工程學院。