電力系統無功補償的研究與分析

胡君君 王振光

摘要：無功功率是保證電力系統正常運行的非常重要的參數。介紹無功功率的基本概念，闡述無功功率缺乏給電網帶來的諸多影響，分析無功補償的意義。詳細說明國內外無功補償的研究現狀，以及無功補償裝置的類型及其特點，為無功補償的發展提供基礎性理論支持。

關鍵詞：無功補償；無功功率；研究現狀；裝置

中圖分類號：TM714.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）02-0035-03

為了保證電力系統正常運行，電源端向負載輸送的功率有兩種，其一為有功功率，其二為無功功率。前者是保證電氣設備正常運行而需要的電功率，后者是把電能轉變為其他形式能量的電功率（如熱能、光能、動能等）。有功功率是實在的、消耗的能量，無功功率則是為了系統內電場與磁場的轉換而需要的電功率。

1 無功補償的意義

隨著經濟與技術的發展，用電設備的劇增導致電能的需求大大增加，越來越多的家用電器和大型的用電設備會使電力系統的功率因數降低。在電網供用電過程中，變壓器、電弧爐等電感的大型設備消耗的無功功率非常大，導致電網的諸多問題，影響輸電的效率。例如：1） 無功功率在網絡中的輸送將使電流變大，這樣直接影響設備和導線的容量，增加成本。同時，對于二次回路的測量機構尺寸和規格也有所增加，提高了成本。2） 輸送的電流增大，將會導致設備和線路的有功損耗增加，使得電力系統的效率降低，大大影響其經濟性。3） 電力系統正常運行時是一個動態的平衡系統，包括無功功率的平衡。無功功率不足時，其主要的來源是發電機，如果發電機的工作點超過上限，必然影響電力系統的運行穩定性。4） 無功功率的輸送將使導線和設備的電壓降提高，尤其是沖擊荷載和不平衡荷載導致公共點電壓降低和電壓不對稱，影響供電質量。

另外，大量的電力電子器件在電力系統、醫療、國防等領域的應用是網絡中諧波的主要來源。諧波問題一直是倍受關注的問題，其危害主要表現為：1） 諧波的存在大大增加了發電機的內在損耗，引起噪聲或暫時過電壓。2） 諧波能夠對電能計量產生一定的影響，使得精確度出現問題。3） 諧波會產生電磁干擾，尤其是對附近的通信線路的信號產生干擾，使得信息傳輸失真、通話模糊，嚴重的情況下會給設備和人員帶來安全隱患。4） 諧波使得電力能源的生產、輸送和利用率降低，加速設備的老化，降低使用壽命。5） 可能引起電力系統的諧振問題，使得網絡出現各次諧波，干擾系統正常運行。

經分析、總結，無功補償對電力系統的作用主要體現為：1） 有效提高系統的功率因數，降低系統的損耗。2） 保證負荷側的頻率和電壓，保證電能質量。利用無功功率控制電壓水平（尤其在大距離輸電線路中改善系統的穩定性體現得更為突出），提高輸送電能的效益。3） 電力系統進行無功補償之后，功率因數提高，相當于降低了系統的有功功率損耗，減少了用戶的電費成本。4） 降低諧波的產生幾率。5） 在相同的有功功率下，相應的無功補償會提高功率因數，減小視在功率，從而減小設備的安裝容量，節約成本。6） 在一些特殊的用電場所如電氣化鐵路，無功補償可以有效地平衡三相有功功率和無功功率。

2 國內外無功補償發展現狀

1967年，英國的GEC公司成功研發了首批飽和電抗器的靜止無功補償設備。與同步調相機相比，飽和電抗器顯示出快速響應的特點，但是存在損耗及噪聲大的問題，無法分相調節不平衡負載，現場應用沒能順利推廣。隨著電力電子技術的進步尤其是晶閘管技術在電力系統領域的發展，晶閘管靜止無功補償裝置得以發展和應用。1977年，美國的GE公司采用晶閘管控制無功補償裝置，演示應用于電力系統的運行；1978年，西屋電氣公司生產的晶閘管靜止無功補償設備應用于現場。此后，世界各大電氣公司研究開發了相關的諸多產品，基本確定了靜止無功補償設備的主導地位。

我國電力系統的輸電網絡中，很多大型的靜止無功補償裝置均來自國外，如遼寧沈陽的沙嶺500 kV變電站、湖南云田及廣東江門等大容量的SVC。這些設備生產于SIMENS，ABB，FUJI，CANA等公司。

縱觀全局，在我國，無功功率和系統不平衡的動態調節的技術及設備發展比較緩慢，尤其在TCR研究方面，應加速設備的國產化。此外，在SVC裝置的技術研發及應用中，參數設計的精確度還比較粗糙，導致裝置的應用和運行情況達不到精準，出現因參數設計不合理而使電流過大造成整套設備損壞的事故。在大沖擊、大負荷的用電狀況下，保證裝置參數正確的設計方法和計算過程，是確保設備良好運行的基礎，通常需要進行若干次的仿真機修正。

3 無功補償裝置的發展歷程

隨著電力系統無功補償技術的發展，研制開發的無功補償裝置主要有：同步發電機、同步調相機、并聯電容器組、靜止無功補償裝置（SVC）及靜止無功發生器裝置（SVG）。

3.1 同步發電機

同步發電機可以認為是原始的無功補償裝置。在電力系統中，它既能夠輸送有功也能夠輸送無功。通過調節發電機的電壓，可以保證網絡的電壓控制。發電機無功功率的調節，是保證電網電壓的主要措施，還可以通過調節運行方式控制系統的多余的無功功率。

3.2 同步調相機

同步調相機是傳統的補償設備，其可通過改變激磁電流大小來調節無功，即容性無功的增加和減小是通過增大或減小激磁電流的大小來實現的。該設備具有兩種工作狀態：過勵磁和欠勵磁狀態。前者是在系統電壓較低時體現，此時裝置發出容性無功提高電網電壓；后者是在系統電壓較高時體現，此時裝置發出感性無功降低電網電壓。“同步”即裝置能夠動態連續地調節無功功率。其特點是能夠適應較強的過載，由于其為旋轉電機，因此損耗和噪聲都較大，運行維護復雜，而且響應速度慢，在很多情況下已無法適應快速無功控制的要求。

3.3 并聯電容器組

并聯電容器組作為一種簡單而又經濟的補償方式得到了廣泛應用，其通常與斷路器組合使用，也用于系統節點永久性連接。在現場，電容器以并聯的方式使用最為普遍，該方法十分靈活，有分散、集中以及分相等形式。并聯電容器組作為無功補償的方案，具有成本低、維護簡單、損耗非常低的優點，其不足之處是不能夠連續可調、動態無功調節性能較差，因此在電壓降低時反應不可靠。此外，系統中的電容器組有可能導致諧波放大，促使電流增大，有引起電容器發熱甚至爆炸的危險，運行中應加以注意。

3.4 靜止無功補償設備

靜止無功補償設備能夠吸收和發出無功功率來調節網絡的功率因數，并具有平衡系統電壓的作用，通常由電容器組、開關以及電抗器構成。開關一般分為斷路器開關和電力電子開關。斷路器開關屬于機械式，時延較大，很難滿足電力系統快速動態變化的要求，其開關過程容易引起操作過電壓和過電流，燒壞設備的觸點，并使電容器組承受很大的沖擊電流，導致故障或燒毀。而電力電子技術的發展帶來了新的可能，能夠實現快速、準確投切的作用。

3.5 靜止無功發生器

靜止無功發生器是一種電力電子設備，使用的是自換相變流技術。靜止無功發生器能夠有效抑制諧波的發展和補償無功的能力。其工作原理是：通過調節設備輸出電壓，促使無功功率的改變。當系統電壓降低時，靜止無功發生器呈現的是電容特性，吸收網絡的感性無功功率；當系統電壓與額定電壓相等時，裝置則停止輸送無功。靜止無功發生器能夠將多種功能集于一身，但代價是結構及控制環節的復雜性，價格偏高，影響了其應用發展。

參考文獻

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