電力系統無功功率補償技術

段其偉 臧瑞華

無功功率補償裝置的主要作用是：提高負載和系統的功率因數，減少設備的功率損耗，穩定電壓，提高供電質量。在長距離輸電中，提高系統輸電穩定性和輸電能力，平衡三相負載的有功和無功功率等。

無功功率補償的作用

改善功率因數及相應地減少電費。根據國家水電部，物價局頒布的“功率因數調整電費辦法”規定三種功率因數標準值，相應減少電費：高壓供電的用電單位，功率因數為0.9以上；低壓供電的用電單位，功率因數為0.85以上；低壓供電的農業用戶，功率因數為0.8以上。

降低系統的能耗。功率因數的提高，能減少線路損耗及變壓器的銅耗。

設R為線路電阻， P1為原線路損耗， P2為功率因數提高后線路損耗，則線損減少

比原來損失減少的百分數為

當功率因數從0.8提高至0.9時，通過上式計算，可求得有功損耗降低21%左右。在輸送功率P=3UIcos 不變情況下，cos 提高，I相對降低，設I1為補償前變壓器的電流，I2為補償后變壓器的電流，銅耗分別為 P1， P2；銅耗與電流的平方成正比，即

可知，功率因數從0.8提高至0.9時，銅耗相當于原來的80%。

減少了線路的壓降。由于線路傳送電流小了，系統的線路電壓損失相應減小，有利于系統電壓的穩定（輕載時要防止超前電流使電壓上升過高），有利于大電機起動。

我國電力系統無功補償的現狀

近年來，隨著國民經濟的跨越式發展，電力行業也得到快速發展，特別是電網建設，負荷的快速增長對無功的需求也大幅上升，也使電網中無功功率不平衡，導致無功功率大量的存在。目前，我國電力系統無功功率補償主要采用以下幾種方式：

同步調相機：同步調相機屬于早期無功補償裝置的典型代表，它雖能進行動態補償，但響應慢，運行維護復雜，多為高壓側集中補償，目前很少使用。

并補裝置：并聯電容器是無功補償領域中應用最廣泛的無功補償裝置，但電容補償只能補償固定的無功，盡管采用電容分組投切相比固定電容器補償方式能更有效適應負載無功的動態變化，但是電容器補償方式仍然屬于一種有級的無功調節，不能實現無功的平滑無級的調節。

并聯電抗器：目前所用電抗器的容量是固定的，除吸收系統容性負荷外，用以抑制過電壓。

以上幾種補償方式在運行中取得一定的效果，但在實際的無功補償工作中也存在一些問題：

補償方式問題：目前很多電力部門對無功補償的出發點就地補償，不向系統倒送無功，即只注意補償功率因素，不是立足于降低系統網的損耗。

諧波問題：電容器具有一定的抗諧波能力，但諧波含量過大時會對電容器的壽命產生影響，甚至造成電容器的過早損壞；并且由于電容器對諧波有放大作用，因而使系統的諧波干擾更嚴重。

無功倒送問題：無功倒送在電力系統中是不允許的，特別是在負荷低谷時，無功倒送造成電壓偏高。

電壓調節方式的補償設備帶來的問題：有些無功補償設備是依據電壓來確定無功投切量的，線路電壓的波動主要由無功量變化引起的，但線路的電壓水平是由系統情況決定的，這就可能出現無功過補或欠補。

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。

基于智能控制策略的晶閘管投切電容器（TSC）補償裝置。將微處理器用于TSC，可以完成復雜的檢測和控制任務，從而使動態補償無功功率成為可能。基于智能控制策略的TSC補償裝置的核心部件是控制器，由它完成無功功率（功率因數）的測量及分析，進而控制無觸點開關的投切，同時還可完成過壓、欠壓、功率因數等參數的存貯和顯示。TSC補償裝置操作無涌流，跟蹤響應快，并具有各種保護功能，值得大力推廣。

靜止無功發生器（SVG）。靜止無功發生器（SVG）又稱靜止同步補償器（STATCOM），是采用GTO構成的自換相變流器，通過電壓電源逆變技術提供超前和滯后的無功，進行無功補償，若控制方法得當，SVG在補償無功功率的同時還可以對諧波電流進行補償。其調節速度更快且不需要大容量的電容、電感等儲能元件，諧波含量小，同容量占地面積小，在系統欠壓條件下無功調節能力強，是新一代無功補償裝置的代表，有很大的發展前途。

電力有源濾波器。電力有源濾波器是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”。因此，電力有源濾波器有很快的響應速度，對變化的諧波和無功功率都能實施動態補償，并且其補償特性受電網阻抗參數影響較小。

電力有源濾波器的交流電路分為電壓型和電流型。目前實用的裝置90%以上為電壓型。從與補償對象的連接方式來看，電力有源濾波器可分為并聯型和串聯型。并聯型中有單獨使用、LC濾波器混合使用及注入電路方式，目前并聯型占實用裝置的大多數。

綜合潮流控制器。綜合潮流控制器（unified power flowcontroller，UPFC）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。UPFC注入系統的無功是其本身裝置控制和產生的，并不大量消耗或提供有功功率。UPFC技術是目前電力系統輸配電技術的最新發展方向，對電網規劃建設和運行將帶來重要的影響。

由于性價比較高，目前我國廣泛使用的還是靜止無功補償裝置。其中，能夠進行無功功率動態補償的基于智能控制策略的TSC仍然需要大力推廣。實際上，國內外對靜止無功補償裝置的研究仍在繼續，研究的重點集中在控制策略上，試圖借助于人工智能提高靜止無功補償裝置的性能。隨著大功率電力電子器件技術的高速發展，未來的功率器件容量將逐步提高，應用有源濾波器進行諧波抑制，以及應用柔性交流輸電系統技術進行無功功率補償，必將成為今后電力自動化系統的發展方向。