電力變電設計中的無功補償技術探討

余健敏

摘要：無功補償就是通過并聯(lián)的方式將帶有容性以及感性兩種功率負荷的裝置安裝在同一線路上。文章以無功補償?shù)脑頌榍腥朦c，并闡述無功補償在變電站中的重要性，最后通過無功補償?shù)陌l(fā)展概述，對主要的無功補償裝置作了簡要的介紹，說明無功補償在變電站中的作用對比效果。

關鍵詞：電力變電站；變電設計；無功補償；感性負荷功率；容性負荷功率 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2015）03-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0205

1 無功補償?shù)脑砗椭匾?/p>

無功補償就是通過并聯(lián)的方式將帶有容性以及感性兩種功率負荷的裝置安裝在同一線路上，如此，兩種負荷裝置就能當作一種能量的轉換器，實現(xiàn)兩者的能量的相互轉換，其輸出的無功功率也能實現(xiàn)互相補償?shù)淖饔谩＿\用到變電設計中就是將原本是電網(wǎng)或變壓器輸出的無功功率，變成交流電力容器來輸出。

不管是民用亦或工業(yè)負荷，其多數(shù)是感性負荷功率，并且基本全部的電感負載都要利用大量的無功功率進行補償，而提供無功功率的主要有兩種方式，即補償電容器和輸電系統(tǒng)。如果是輸電系統(tǒng)提供，那么輸電系統(tǒng)設計的時候就要同時考慮有功和無功功率。但是，通過輸電系統(tǒng)進行無功功率傳輸，變壓器以及輸電線路在損耗方面會有顯著的提升，從而降低系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。如果是補償電容器提供，就可以不用輸電系統(tǒng)進行傳輸，也就會減少損耗。無功傳輸不是說功率傳輸是沒有用的，反而具有很大的用處。在電動機中產(chǎn)生旋轉磁場并對其進行維持，進而通過轉子的轉動讓機械也產(chǎn)生運動，而電動機中轉子磁場的建立就是通過電源獲取的無功功率。

變壓器一次線圈的磁場同樣也是通過無功功率而產(chǎn)生的，這樣二次線圈才會感應到電壓。故而，電動機如果缺少無功功率就無法轉動，變壓器也無法變壓，交流接觸器也就無法吸合。就正常情況而言，電源會將無功功率和有功功率都提供給用電設備。一旦電力系統(tǒng)中無功功率供應不足，用電設備就無法有充足的無功功率構建正常的電磁場，也就無法保持在額定情況之下運行，電壓就會降低，最后也會導致用電設備無法正常運行。

2 電力變電設計中的無功補償技術

2.1 調相機

最早將無功補償應用到設備的就是同步調相機，其作用原理和空載運作的同步電動機類似，即通過勵磁運行的作用讓系統(tǒng)接收到無功功率，從而讓無功電源發(fā)揮作用；當欠勵磁運行的時候，系統(tǒng)又將感性功率傳輸給它，發(fā)揮無功負荷的效果。在這種裝置中會針對勵磁的運行安裝自動調節(jié)裝置，這樣同步調相機就可以根據(jù)該裝置產(chǎn)生的電壓對輸出或者吸收的無功功率作出改變，從而通過對電壓的調節(jié)來保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不過，同步調相機屬于旋轉機械，有功損耗太大，大概是容量的1.6%～5.4%。而且如果同步調相機采用小容量的話，那么其單位容量的成本要遠遠高于大容量的。目前，這種無功補償?shù)难b置還是在生產(chǎn)中使用，且在控制技術不斷進步的條件下，其控制性能得到了很好地改善。

2.2 電容器

電容器在無功補償?shù)倪\用，其作用原理就是并聯(lián)在系統(tǒng)中，提高容性負載，然后再向系統(tǒng)吸收和輸出容性功率，達到線路以及感性負荷對感性無功功率的要求，從而實現(xiàn)無功補償?shù)男ЧＭㄟ^電容器來無功補償，不僅只需要較少的一次性投資與運行費用，而且安裝調試方便、損耗低、效率高，不僅能夠集中使用，也能分散裝設。現(xiàn)階段，我國電力系統(tǒng)中通過并聯(lián)電容器實現(xiàn)了大概90%的無功補償容量。然而，這種裝置提供的無功功率和相關的節(jié)點電壓數(shù)值的平方是正比關系，也就是說如果節(jié)點電壓降低，要提高無功功率的時候，其提供系統(tǒng)的無功功率卻會減少。這就意味著，就補償效果而言，

系統(tǒng)電壓改變的時候，這種裝置的補償效果并不理想。

2.3 電抗器

在無功補償裝置中，并聯(lián)電抗器屬于重要的組成部分，其最大的作用就是可以通過增加感性無功功率能平衡電力系統(tǒng)多余的容性無功功率，針對電力系統(tǒng)輸送功率小、輕負荷有著優(yōu)良的效果。因此，無論是電力系統(tǒng)的早期還是后期都非常重要。當電力系統(tǒng)出現(xiàn)上述兩種情況的時候，輸電線路的感性無功功率會降低，但是導線中的電容性是為了讓輸電線路生產(chǎn)的容性充電功率要超過感性無功功率，為了保證系統(tǒng)電壓水平的平衡，就需要保持系統(tǒng)無功平衡，要不然就會導致電力系統(tǒng)的電壓增大，其運行的安全性也會受到威脅。

2.4 無功補償器（SVC）

無功補償器，也就是靜止無功補償器，屬于第二代無功補償裝置，其應用的地方有輸電系統(tǒng)的波阻補償以及負載無功補償。其實際代表有固定電容器+晶閘管控制電抗器（FC+TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、晶閘管投切電抗器（TCR）。

TCR結構（見圖1）的無功補償器其無功補償?shù)脑硎抢每刂凭чl管觸發(fā)角，將接入系統(tǒng)的等效電納進行改變，從而使系統(tǒng)中無功功率的輸出得到調節(jié)。但是這種裝置存在一個問題：因為晶閘管具有班控的特性，如果被觸發(fā)導通，那么只有等其流經(jīng)的電流低于維持電流之后才會關斷，所以，每半個電源周期的時間之內(nèi)，反并聯(lián)晶閘管對僅可以受控導通一次，這就意味著，TCR理論上難免會出現(xiàn)控制滯后，這對補償系統(tǒng)的動態(tài)響應性能有著一定的影響。

2.5 靜止無功發(fā)生器（SVG）

在電力技術不斷進步的條件下，電力系統(tǒng)開始使用靜止無功補償裝置，這種裝置使用的線路是自變換變流，其實質就是靜止無功發(fā)生器（SVG），也被稱作靜止同步補償器，屬于第三代無功補償裝置。

SVG的等效電路見圖2。因為SVG使用的是全控制器件，可以隨便控制其交流上電壓的相位，即使交流上電壓的幅值會因為直流上電壓幅值影響，但是還是可以在限定的范圍進行控制。因此，能利用控制交流上電壓幅值以及相位進而對其進行改變，也就是說，能完成交流上電流相位超過或落后電網(wǎng)電壓相位90o，進而實現(xiàn)輸出和吸收無功功率的效果。假如忽視無功發(fā)生器產(chǎn)生的損耗，那與系統(tǒng)就不存在有功交換，只有無功交換，直流上電容電壓也會維持不變。只有當SCG啟動的時候，吸收足夠的有功功率，然后對電容進行充電，才會建立直流電壓。在正常運行過程中，因為存在損耗，電網(wǎng)電壓和電流矢量無法垂直，就要向電網(wǎng)吸收有功功率來補償SVG的損耗。因為高壓全控型器件的售價偏高，所以當SVG應用到低壓系統(tǒng)的時候，可以直接利用交流電抗器與電網(wǎng)進行連接，當應用到高壓系統(tǒng)的時候，利用串聯(lián)變壓器連接到電網(wǎng)上。

3 各種無功補償技術的比較

并聯(lián)電容器與并聯(lián)電抗器適用場所是負載變化較慢且對補償性能要求不高。電容器無功補償技術的缺點是補償精度差，無法實現(xiàn)無涌流投進電容器，對電容器的使用壽命有一定的影響，還會使系統(tǒng)中增加諧波電流。而電抗器可以利用可控技術，對回路電流的勵磁進行控制，進而使鐵心的飽和度得以改變，實現(xiàn)無功輸出的平滑調節(jié)。

SVC和SVG都屬于動態(tài)的無功補償裝置，兩者都具有較好的補償跟隨性，在一個正弦波周期之內(nèi)就可以產(chǎn)生響應，且還可以實現(xiàn)補償容性無功。但是SVC的容量與電抗器的容量有著直接關系，因此相同容量的情況，與SVG相比，SVC要求更大的電抗器。此外，因為SVG的拓撲結構利用了PWM控制技術，并擁有6對開關管，可以利用數(shù)字信號處理器對其進行控制，具有較快的運算速度和較強的處理能力，在跟隨性上要強于SVC，動態(tài)和靜態(tài)性能上也有著良好的表現(xiàn)。不過，因為SVG中使用了大量的全控型開關管，在性價比上要差于SVC。

4 結語

隨著技術的改革，同步調相機正逐步退出無功補償裝置領域。并聯(lián)電容器具有較高的無功補償容量，因此，現(xiàn)階段國內(nèi)外還是將其作為主要的無功補償方式，而并聯(lián)電抗器大多用在輸電系統(tǒng)中。SVC具有較強的穩(wěn)定性，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性有著重要的作用，SVG因響應速度快和運算能力強，成為了無功補償技術研究的新方向，其今后發(fā)展的重點是性價比的提高。

參考文獻

[1] 胡進輝.變電站無功補償技術研究與應用[D].華北電力大學，2013.

[2] 楊孝志.幾種無功補償技術的分析和比較[J].安徽電力，2006，（2）.

（責任編輯：周 瓊）