電力系統的無功功率平衡和電力用戶的無功補償和濾波

蔣作權

（蕪湖融匯化工有限公司，安徽 蕪湖241022）

電壓質量對電網穩定及電力設備安全運行、線路損失、工農業安全生產、產品質量、用電單耗和人民生活用電都有直接影響。無功功率是影響電壓質量的一個重要因素，電壓質量與無功是密不可分的，電壓問題本質上就是一個無功問題。解決好無功補償和諧波問題，對穩定電壓、節能降耗具有十分重要的意義。

1 電力系統無功功率的平衡

電壓是衡量電能質量的主要指標。電力系統的運行電壓水平與無功功率的平衡密切相關：電力系統的無功電源比較充足，系統就有較高的運行電壓水平；反之，無功不足就反映為運行電壓水平偏低。因此，應該力求實現在額定電壓下的電力系統無功功率的平衡。

電力系統中大量的負荷需要無功，如變壓器和電動機，同時網絡元件也會有無功功率損耗。因此，電源所發出的無功功率在任何時刻都必須滿足負荷所需的無功功率和網絡中的無功功率損耗。這就要保持電力系統無功功率的平衡，否則電壓就會離額定值[1]。

2 電力系統中的無功電源

電力系統中的無功電源，除了發電機外，還有同步調相機、并聯電容器裝置、靜止無功補償器和靜止同步補償器，后4 種裝置稱為無功補償裝置。

發電機既是唯一的有功電源，同時也是最基本的無功電源。在不影響有功功率平衡的前提下，改變發電機的功率因數（通過改變勵磁電流），可以調節其無功功率的輸出，從而調整系統的運行電壓。當然，發電機的無功功率輸出要受其P—Q 運行極限的限制。改變發電機運行中的功率因數時，要注意到發電機運行的條件約束。

同步調相機實質上是只發無功功率的同步發電機，在過勵磁運行時向系統供給感性無功功率成為無功電源；在欠勵磁運行時從系統吸取感性無功功率成為無功負荷。因此改變同步調相機的勵磁，可以平滑地改變其輸出（或吸收）的無功功率，從而平滑地調節所在地區電壓。

同步調相機是早期的無功功率補償方法，已實際應用數十年，在電壓和無功功率控制中發揮了非常重要的作用，同步調相機不僅能補償固定的無功功率，對變化的無功功率也能進行動態的連續補償，而且對于容性、感性無功功率均能起到補償的作用。但由于其自身的諸多缺點，使其應用越來越少，目前已基本遭淘汰，被新的補償方式所取代。

并聯電容器及其裝置，只能向系統供給感性無功功率，而不能吸收無功功率，它所供出的感性無功率QC與所在節點的電壓U 的平方成正比，即

在各種無功功率補償方法中，并聯電容器由于其簡單的結構，方便、靈活的安裝方法，較低的運行費用和低廉的產品價格等方面的特點，已使其成為當今無功功率補償技術中使用的主導產品。尤其是隨著電容器制造技術的日益成熟，其質量水平、壽命等級、安全運行可靠性等指標得以大大提高；品種、規格也越來越齊全，為補償裝置的設計和制作帶來了極大的便利。故由其為主體制作的各種電容器補償和濾波成套裝置的應用領域也越來越廣泛，已逐步取代了傳統的同步調相機。

靜止無功補償裝置（靜止補償器SVC）是一種技術先進、調節性能好的動態無功功率補償設備，主要由并聯電容器組、可調電抗器及檢測與控制系統3 部分組成。

由并聯電容器與相控電抗器并聯組成。電容器可發出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者結合起來，再配以調控電抗器的電力電子調節裝置，就成為能夠平滑改變輸出或吸收無功功率的靜止補償器[1]。

靜止同步補償器，又名靜止無功發生器SVG。由于其開關器件為IGBT，所以其動態補償效果是早期的同步調相機、并聯電容器等無功補償裝置不能比擬的，靜止同步補償前以其較低諧波，較高的效率，較快速的動態響應，成為現代柔性交流輸電系統中的重要設備。該裝置主要用來補償電網中頻繁波動的無功功率，抑制電網閃變和諧波，提高電網的功率因數，改善配電網的供電質量和使用效率，進而降低網絡損耗，有利于延長輸電線路的使用壽命。

3 電力系統的電壓降

引起供電線路電壓偏移的直接原因是線路和變壓器的電壓損耗，若能減少網絡的電壓損耗，電力系統的電壓質量就會不同程度地得到改善。電壓損耗近似等于電壓降落的縱分量，即，當網絡參數R、X 和運行電壓U 確定時，影響電壓損耗大小的因素就是通過網絡的有功功率P 和無功功率Q。眾所周知，建立電力網的目的就是為了最大限度地輸送有功功率，因而為了減少電壓損耗而改變有功功率分布或減少有功功率的輸出是不合理的。從改善電壓質量和降低網絡功率損耗考慮，應該盡量減少通過電網元件長距離和跨電壓級傳送無功功率，負荷所需的無功功率應盡量就地供應[1]。因此，在電力用戶處合理地配置無功補償容量，可以改變網絡通過的無功功率，減少網絡中的電壓損耗，從而改善用戶處的電壓質量[1]。

廠礦、企業都采用并聯電容器補償，就是把電容器直接與被補償設備并接到同一電路上，以提高功率因數cos φ。電容器作為補償裝置，具有安裝方便、建設周期短、造價低、運行維護簡便、自身損耗?。縦var 功率損耗約為0.3%～0.5%）等優點，是當前國內外廣泛采用的補償方法。

4 供電公司對功率因數的獎罰措施

對供電公司來說，功率因數是衡量電能利用率的重要標志之一。功率因數低就是電源提供的電能質量低，同時也意味著用電設備可用的有效功率低，會增加系統電路上的損耗。因此，供電公司對功率因數采取獎罰措施。

（1）1996 年4 月1 日施行的《供用電營業規則》第四十一條規定：無功電力應就地平衡。用戶應在提高用電自然功率因數的基礎上，按有關標準設計和安裝無功補償設備，并做到隨其負荷和電壓變動及時投入或切除，防止無功電力倒送。

除電網有特殊要求的用戶外，用戶在當地供電企業規定的電網高峰負荷時的功率因數，100 kVA及以上高壓供電的用戶功率因數為0.90 以上。凡功率因數不能達到上述規定的新用戶，供電企業可拒絕接電。功率因數調整電費辦法按國家規定執行。

（2）安徽電網的電費構成和功率因數調整電費辦法。安徽電網的電費構成是：大工業電費=基本電費+電量電費+功率因數調整電費?；倦娰M有2 種方式：一種按接入電網的變壓器總容量（≥315 kVA）按月收取；另一種按電費計量點的最大需用負荷按月收取。

根據《安徽省電價說明》，電量電費按峰、谷、平的實際電量乘以相應單價收取。 功率因數調整電費=（基本電費+電量電費）×功率因數調整系數%。大工業用戶功率因數調整系數%規定見表1。

表1 大工業用戶功率因數調整系數%規定

因此，對于大工業用戶來說，若功率因數達到0.95及以上，只要幾個月的獎勵電費就能收回電容補償裝置的投資。合理配置電容器不但獲得了供電公司的電費獎勵；更重要的是，提高了變壓器和電動機的有功出力、減少了線路和變壓器的電能損失和電壓損失，獲得了看不見的經濟效益。

5 并聯電容器提高功率因數的原理和電容器容量的計算

5.1 并聯電容器提高功率因數的原理

在交流電路中，純電阻電路，負載中的電流I˙R與電壓U˙同相位；純電感負載中的電流I˙L滯后電壓90°；純電容的電流I˙C超前于電壓U˙90°。電容中的電流與電感中的電流相差180°，能夠互相抵消。電力系統中的負載，大都是感性的，因此總電流I1將滯后電壓一個角度α1，如果將電容器與負載并聯，則電容器的電流IC將抵消一部分電感電流，從面使電感電流IL減小到IL，總電流從I1減小到I，功率因數則從cos α1提高到cos α2，這就是并聯補償的原理。電容補償原理見圖1。

圖1 電容補償電路原理圖

5.2 電容器補償容量的計算[2～3]

按提高功率因數確定補償容量的方法簡單明確，為國內外所通用。根據功率補償圖中的功率之間的向量關系，可求出無功補償容量QC：

式中：QC—所需補償容量，kvar；P—最大負荷月的平均有功功率，kW；tg α1、P tg α2—補償前后功率因數角的正切值；cos2α1、cos2α2—補償前后功率因數值。

集中補償均采取此方法進行計算。

按感應電動機的空載電流確定補償容量。感應電動機個別補償時，應按其空載電流確定補償容量，其計算公式為：

Ue—電動機的額定電壓，kV；

I0—電動機的空載電流，A。

由于一般感應電動機的空載電流I0約占額定電流的25%～40%，因此，單臺電動機的無功補償容量為相應為其額定功率的25%～40%。

6 電力用戶的電容補償裝置

無功補償裝置補償類型的選擇是最重要的環節，選型正確與否直接影響補償裝置的效率和可靠性。補償類型的關鍵選型依據是系統的諧波污染程度，由于配電系統中非線性負載越來越多的被使用，其帶來的諧波污染問題日益嚴重，而無功補償電容器是配電設備中受諧波危害最大的設備之一，諧波不僅會造成電容器過載，乏值降低，縮短使用壽命，還可能造成電網諧振，發生嚴重的電氣事故，另外，不正確的補償類型選擇還會造成諧波放大，進一步加劇配電網諧波污染程度。因此，必須根據諧波污染程度選擇正確的無功補償和濾波裝置。

6.1 低壓自動無功補償裝置（AC0.4 kV）

低壓自動無功補償裝置按電容器組投切方式分為：接觸器投切電容器，晶閘管投切電容器（TSC）和復合開關投切電容器。

（1）利用接觸器進行投切電容器，響應時間為10～30 s。適用于無功量比較穩定，不需頻繁投切電容補償的場合，由于響應速度慢，接觸器開關壽命短，正在逐步退出市場；

（2）利用晶閘管進行投切電容器，由于采用過零投切原理，TSC 開關響應時間為10～20 ms，適用于快速頻繁投切電容補償的場合；

（3）復合開關投切電容器，復合開關的工作原理是將晶閘管和繼電器并聯，晶閘管過零時投切電容器，在正常接通期間由接觸器接通。利用復合開關進行投切電容器，在0.5 s 內能完全自動跟蹤調節投切。適用于一般工廠、小區低壓供電；

（4）智能電力電容器，采用模塊化結構，將控制部分，投切開關、電容器3 部分組成一個整體，在結構上突破了現有低壓無功補償設備，實現了分散控制、集中管理的新模式。分散控制的實時投切增加了補償系統的穩定性，過零控制減少涌流對系統電壓的沖擊，對穩定系統電網、降低設備損耗和提高電容器的使用壽命，并對節能環保意義重大，適應了現代電網對無功補償的更高要求。

6.2 高壓自動無功補償裝置

主要適用范圍于3～66 kV 高壓系統，根據電網功率因數和系統電壓分級投切電容器進行無功補償。裝置主要元器件有高壓無功補償控制器、高壓電力電容器、 串聯電抗器和高壓交流真空接觸器等，串接一定電抗率的電抗器主要抑制合閘涌流，抑制或消除諧波對用戶的干擾，消除對普通電容的諧波放大，杜絕諧振。該裝置主要應用于3～66 kV 高壓系統。

6.3 高壓動態無功補償裝置（MCR）

高壓動態無功補償裝置（MCR）同并聯電容器和磁控電抗器組成，是采用直流勵磁原理，利用附加直流勵磁磁化鐵芯，改變鐵芯磁導率，實現電抗值的連續可調，改變電抗器感抗電流，以投入的電抗器感性無功容量變化來補償系統容性無功。當系統無功過剩時，補償電容器發出的容性無功由磁控電抗器吸收；當缺乏無功時，磁控電抗器容量減少，由補償電容器提供容性無功。該裝置主要應用于3～66 kV高壓系統，主要元器件有高壓無功補償控制器、磁控電抗器、高壓電力電容器、串聯電抗器和高壓交流真空接觸器等組成。高壓動態無功補償裝置（MCR）響應時間小于100 ms，能夠進行系統功率因數鎖定，功率因數鎖定可設置范圍：0.95～0.99，不會出現過補償和欠補償現象[5]。

6.4 靜止同步無功補償裝置

同步無功補償裝置是以三相大功率變流器為核心，其輸出電流通過電流器接入系統，與系統保持同頻同相，通過調節其輸出電流相應與系統電流相位的關系來確定其輸出功率的性質，容性無功或感性無功。該裝置在快速連續的補償調整系統無功功率的同時，還可以顯著改善與電網連接處的電能質量，克服三相不平衡，消除電壓閃變和電壓波動，抑制諧波污染等。

7 電力用戶抑制和消除諧波的措施

抑制和消除諧波，主要是消除幅值較高的諧波電壓和諧波電流，使電網電壓畸變率和注入電網的諧波電流限制在標準規定的范圍內。目前，對抑制和消除諧波的成熟技術有：選擇承受諧波能力與諧波源相適應的供電網站；合理配置整流裝置的等效相數；避免電力電容器組對諧波的放大；裝設交流電力濾波裝置。對一般電力用戶來說，主要是后面2 種。

7.1 避免電力電容器組對諧波的放大

防止移相電容器過電流和過電壓的措施，除限制電網電壓波形畸變外，一般可在電容器回路中串聯一組電抗器，其感抗值的選擇應該在可能產生的任何諧波下均使電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗，從根本上消除了了產生諧振的可能。電抗器感抗值XL按下式計算[3]：

式中：K—可靠系數；XC—移相電容器的工頻電抗；h—可能產生的最低諧波次數。

由此可見，脈波數高的整流電路，裝設移相電容器時，串聯電抗器的感抗小得多，但考慮到非特征諧波的影響， 通常電抗器的電抗值必須為電容器組容抗值的6%，即需在電容器回路串聯6%的電抗器。

7.2 裝設交流電力濾波裝置

治理諧波應抑制與消除相結合，當采用抑制措施后，用戶的諧波電流或電壓畸變仍超出規定時，可裝設適當的電力濾波裝置，使幅值較高的諧波電流等到有效的消除[3]。濾波器類型如下：

（1）調諧濾波電容器組。在功率補償電容器前串上調諧電抗器，使之調諧在某一特定頻率。這樣，對于基波而言，補償設備呈容性，可以正常進行無功補償；對于諧波而言，補償設備呈感性，使得諧振不能發生。這種情況下，大部分諧波電流流入電網，僅有少量流入電容器組，見圖2。

圖2 調諧濾波電容器組

（2）無源濾波器。電容元件與電感元件按照一定的參數配置，一定的拓撲結構連接，可形成無源濾波器，能夠有效濾除某次或某些次的諧波。理論上講，當某次諧波濾波器調諧到該次諧波頻率時，濾波器所呈現的阻抗為零，因而能夠全部吸收該次諧波，見圖3。

圖3 無源濾波裝置

無源濾波裝置特點

a.結構簡單，價格及維護費用低；b.設計適當時，濾波效果可以達到要求；c.兼無功補償功能，適用于原來功率因數較低的場合；d.有節能效果，一定條件下可能節能10%以上；e.設計不合理時會產生諧波放大，嚴重的可影響系統安全。

（3）有源濾波裝置。有源電力濾波器的補償原理是利用檢測單元對負荷產生的畸變量進行檢測，然后由控制單元產生控制信號，對大功率的電力電子器件IGBT 進行控制，由IGBT 逆變器產生一個與畸變量幅值相等，相位相反的補償量，畸變量和補償量互相抵消，在系統側的電壓電流波形得到良好的改善。也就是諳，有源濾波器采用與交流濾波器完全不同的原理，通過產生與補償諧波形狀一致、相位相反的電流，來抵消非線性負荷產生的諧波電流，以使諧波不會流入公共供電回路，達到消除諧波凈化電網的目的，見圖4。

圖4 有源濾波裝置

有源濾波器特點：a.濾波效果好；b.不會產生諧波放大；c.不產生無功，適用于原來功率因數較高的場合；d.結構復雜，價格及維護費用較高；e.不節能，反而耗能。

8 結語

該廠先后3 次建設的整流裝置等效脈波數依次為12 脈波、24 脈波和48 脈，諧波不超標，不需安裝電力濾波裝置；在380 V、10 kV 和35 kV 母線上均安裝有電容補償裝置，考慮非特征諧波的存在，電容器均串聯6%電抗器。目前，電容補償裝置運行良好，功率因數為0.95～0.97，供電公司每月獎勵電費十幾萬元。配置合理無功補償裝置不僅能夠提高功率因數，解決功率因數考核，還能夠降低變壓器及線路損耗，增大主變帶載能力，因此，無功補償裝置在工礦企業中體現出重大的經濟力量，得到越來越多企業的重視。

無功功率補償和諧波治理技術是當前乃至今后相當長的時期內，緩解電力供需矛盾，改善供電質量的一種行之有效的手段之一，經廣泛推廣應用后，能為國家和用戶帶來巨大的經濟效益和良好的社會效益。

［1］張炳達.注冊電氣工程師執業資格考試專業基礎考試復習教程.天津大學出版社，308－311.

［2］廖秀華.電化學整流實用技術手冊.中國氯堿工業協會,228－230.

［3］全國統一編寫進網作業電工培訓教材.下冊.遼寧科學技術出版社,2－12.