電力系統無功補償技術研究

摘要：現代電網中，電動機等感性負荷占據相當大比重。它們在消耗有功功率的同時，也需要吸收大量無功功率。無功功率的出現不僅導致發電機出力下降，降低了輸配電設備效率，而且還增大了網損，嚴重影響供電質量。因此，大力提高電網功率因數，降低線損，節約能源，挖掘發電設備的潛力，是當前電力系統發展的趨勢。

關鍵詞：電力系統；無功功率；補償技術

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0138-02

目前，美國電力主網設備的功率因數已接近于1，原蘇聯法律規定功率因素應大于0.92，日本等國還建立了全國性的無功管理委員會，研究無功補償方面的技術經濟政策。但是，一方面，增容投資大，施工工程量大，周期長；另一方面，由于末端無功仍需由低壓側集中補償系統提供，輸電線路利用效率仍然較低。因此，有效減小線路無功電流，不僅增大了有功輸送能力，而且有利于降低變壓器低壓側到末端負荷間的線路損耗，改善末端電壓質量。研究開發線路終端用無功功率補償裝置具有明確的經濟意義和社會效益。

近30年來，由于超高壓遠距離輸電系統的發展，電網中無功功率的消耗也日益增大。低壓電網中，隨著居民生活水平的提高和家用電器的普及，以及小工業用戶的增多，電網的功率因數大都比較低，尤其是電力電子裝置的應用日益廣泛，而大多數電力電子裝置的功率因數很低，造成電網供電質量下降，也給電網帶來額外負擔。因此，利用無功補償技術正成為當前世界各國電力設計及決策人員的共識，無功補償裝置的投資已被列入電力投資的整體規劃中，成為一個不可缺少的環節。

無功功率對供電系統和負荷的運行都是十分重要的。當無功功率不足時，將降低發電機的有功功率輸出，使電源設備的利用率下降，而且，使電力線路的電壓損失加大，造成電能質量下降，還使供電系統損耗加大，造成了能源的損失。電力系統網絡元件的阻抗主要是電感性的，因此，簡單地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的范圍內可以實現，而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內實現。顯然，這些無功功率如果都由發電機提供并經過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。

傳統的無功功率補償裝置主要為同步調相機和并聯電容器。同步調相機雖然能進行動態補償，但它屬于旋轉設備，運行中的損耗和噪聲都比較大，目前在現場仍有使用，但在技術上已顯落后。并聯電容器補償簡單經濟，靈活方便，有取代同步調相機的趨勢，但只能補償固定無功，還可能與系統發生并聯諧振，導致諧波放大。目前在我國仍是主要的無功補償方式。

隨著現代電力電子技術在電氣傳動領域的廣泛應用，相控技術、脈寬調制等技術被引入到電力系統，與傳統電力系統控制技術相結合，產生了近幾年出現的新技術/柔性交流輸電系統（Flexible ACT ransmission System-FACTS），其本質就是將高壓大功率的電力電子技術應用于電力系統中，以增強對電力系統的控制能力，提高原有電力系統的輸電能力。FACTS的多個類型都具有諧波抑制和無功補償能力。靜止無功補償（Static Var Compensator-SVC）是它的一個類型，靜止無功補償技術是20世紀70年代以后發展起來的，是指用不同的靜止開關投切電容器或電抗器，使其具有發出和吸收無功電流的能力，用于提高系統的功率因數和穩定系統電壓等。目前這種開關主要是交流接觸器和電力電子開關。但用接觸器來投切會出現巨大的沖擊涌流，而且閉合時觸頭微動導致電弧燒損嚴重，現在靜止無功補償器一般專指使用晶閘管的無功補償設備。晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）和晶閘管控制電抗器（Thyristor Control Reactor-TCR）是其典型代表。TSC補償器可以很好地補償系統所需的無功功率，如果級數分得夠細，基本上可以實現無級調節，瑞典某鋼廠的兩臺1O0t電弧爐安裝60Mvar的TSC后，有效的使130kV電網的電壓保持在1.5%的波動范圍。TCR是用來吸收系統的無功功率的。瑞士勃郎·鮑威利公司已造出此種補償器用于高壓輸電系統的無功補償。此外，SVC還包括TSC+TCR混合型的補償器，我國平頂山至武漢鳳凰山5OOkV變電站引用進口的無功補償設備就是TSC+TCR型。目前國內外對SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神經網絡和專家系統等智能控制手段也被引入SVC控制系統，使SVC系統的性能更加提高。世界上已投運的輸電用SVC大約150套，我國運行于500kV輸電系統的也有5臺，型式為TCR+TSC，均為進口設備，國內工業應用的TCR裝置大約有20套，其中一小半為國產設備，低壓380V供電系統有各類TSC型國產無功補償設備在運行。

目前國內外對SVC的建模、控制模式、結構設計和不對稱控制等做了很多研究，但目前還有很多理論和實際運用的問題尚待解決。而且其控制復雜，所用的全控器件價格昂貴，所以目前還沒有普及，尤其在我國，大功率電力電子器件目前基本依賴進口，成本太高，根據我國國情，此類裝置的實用化尚需相當長的一段時間。而低壓無功補償中要求裝置體積小、重量輕、結構簡單易于安裝和維護，因此TSC和TCR裝置非常適合于在無功就地補償領域推廣。但SVC具有調節速度更快且不需大容量的電容、電感等儲能元件，諧波含量小，同容量占地面積小等諸多優點，其優越性能必將使其成為未來無功補償設備的重要發展方向。美國電力研究院還提出統一潮流控制器（Unified Power Flow Controller-UPFC），集并聯補償、串聯補償、移相等多種功能于

一身。

人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率定義為電壓和電流的有效值與它們之間夾角的正弦值的乘積，即Q=UIsin，習慣上認為它是由電路中的儲能元件引起的。在交流電一周期的一部分時間內，儲能元件從電源吸收能量，另一部分時間內將能量返回電源，理想的無損失儲能元件在整個周期平均功率是零。在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無功功率定義。當電力系統中用電設備吸收的無功功率太多時，將會使功率因數嚴重偏低，對電網及負載產生不利影響。

傳統的功率定義大都是建立在平均值的基礎上的。單相正弦電路或三相對稱正弦電路中，利用傳統概念定義的有功功率、無功功率、視在功率和功率因素等概念都很清楚。但當電壓或電流中含有諧波時，或三相電路不平衡時，功率現象比較復雜，傳統概念無法正確地對其進行解釋和描述。

新的理論往往是解決了前人未解決好的問題，同時卻又存在另一些不足，或引出了新的待解決的問題。現有的功率理論可分為三大類，第一類適用于諧波和無功功率的辨識；第二類適用于諧波和無功功率的補償與抑制，包括無功功率的控制、裝置的原理和設計；第三類適用于儀表測量和電能的管理、收費。

迄今為止的各種功率理論只是較好地解決了上述一兩個方面的問題，而未能滿足所有要求。Depenbrock的工作對無功功率的辨識起了較大的促進作用，赤木泰文等人提出的瞬時無功功率理論解決了諧波和無功功率的瞬時檢測和不用儲能元件實現諧波和無功補償等問題，對諧波和無功補償裝置的研究和開發起到了很大的推動作用，在解決第一類和第三類問題時遇到困難，對于第三類理論的研究雖然取得了一定成果，但至今未能取得較大突破。

本文分析了目前電力系統無功補償技術的現狀，對國內外一些有關無功補償理論和技術進行了分析，提出了需要解決的問題和難題。

參考文獻

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作者簡介：尹敏杰（1984—），男，河南扶溝人，漯河市中心醫院助理工程師，研究方向：電氣工程。