淺談電力系統中的無功補償

孫耀斌 趙朝

摘要：在電力系統中存在許多感性負荷和非線性裝置，這些負荷需要消耗大量的無功功率。為了確保電力系統電壓質量、降低電網損耗，在電力系統中必須采用大量的無功補償裝置。文章闡述了無功功率、無功補償的概念以及無功補償在電力系統的應用，并對電力系統常用的幾種無功補償方式進行了對比分析。

關鍵詞：電力系統；無功補償；無功功率；電壓質量；電網損耗 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2016）16-0120-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.058

在電力系統中運行的很多電氣設備如電弧爐、電動機、變壓器等，它們屬于既有電感又有電阻的感性負載，這些感性負載在正常運行中，會建立交變磁場，進行著“電”“磁”之間的轉換。這些電感性負載的電流和電壓向量之間存在著一個相位差，相位差的余弦cosφ即是功率因數，它是有功功率（P）與視在功率（S）之比。功率因數是電氣設備合理使用狀況及用電管理水平的一個重要技術指標，可以衡量電氣設備效率的高低。

交流電源提供的功率為視在功率（S），視在功率不等于有功功率（P）也不等于無功功率（Q）。視在功率、有功功率和無功功率的關系可以用功率三角形來表示，如圖1所示：

功率三角形實際是一個直角三角形，兩個直角邊分別是有功功率和無功功率，斜邊為視在功率，有功功率和視在功率的夾角為功率因數角（φ），它表示交流回路中電壓與電流之間的相位差。從以上功率三角形中可以看出，當設備的視在功率一定時，如果功率因數降低，有功功率也就隨之降低，此時無功功率就會增大，這樣線路及變壓器就會傳送更多的無功功率以滿足電網需求，從而降低了設備的利用率，也增加了電氣設備及線路中的損耗，因此電力系統必須采取無功補償的措施，以提高功率因數。

1 無功功率及無功補償的概念

在電力系統中，變壓器、電動機等一些電氣設備都是根據電磁感應原理工作的，當設備線圈流過交流電流時，在鐵芯中會產生交變磁通，在交變磁場的作用下，這些電氣設備才能進行能量的轉換和傳遞，建立磁場所需要的電流是電感性的，相位滯后電壓90度，屬于無功電流。因此為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率，無功功率并不會直接轉化為熱能或者機械能，它們并不是“無用”的電功率，相反它們是電氣設備能夠正常運轉的一個必備條件。無功功率在電網中不會被消耗，它只是與電能一直進行著周期性轉換，并沒有真正消耗能量，因此這類功率通常稱之為無功功率，為保證電力系統能夠正常運行，電力系統中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。

電流在電感元件中做功時，電壓超前于電流90度，而電容器接入電力系統后，其電壓滯后電流90度，在同一電路中，流過電容設備的電流與流過電感設備的電流方向正好相反，相差180度，所以流過電容器的電流與用電設備建立磁場所需要的無功電流相位相反，可以互相抵消（補償），從而使總電流減小，因此，在電力系統中，常把具有容性功率的裝置與感性負荷連接在同一電路中，通過容性設備與感性負荷之間的能量相互轉化，從而使感性負荷所需要的無功功率得到補償，也就是電力系統所說的無功補償。

2 無功補償在電力系統中的應用

電力系統的功率平衡是指電力有功功率和無功功率的平衡，電能具有一個很重要的特點就是不能儲存，在任何時刻，電力系統的生產、輸送、分配和消耗在功率上必須嚴格保持平衡，否則電能質量就不能保證。當系統供給的有功功率大于負載消耗的有功功率時，系統頻率就會升高，當系統供給的有功功率小于負載消耗的有功功率時，系統頻率就會降低。在電力系統中，電壓與無功功率也是一對統一體。當系統發出的無功功率大于負載所消耗的無功功率時，系統電壓就會升高，當系統發出的無功功率小于負載所消耗的無功功率時，系統電壓就會降低，無功功率嚴重不足時，會造成電力系統電壓急劇下降，可能會使系統瓦解，造成電網大面積停電。

因此在電力系統中，為保障供電質量以及提高電氣設備利用率，電力系統會采用大量的無功補償裝置，為避免輸電系統長距離傳輸無功功率而增大無功損耗，電力系統基本在受電端安裝無功補償裝置即采用就地平衡的原則以保證系統各樞紐變電站的電壓能夠滿足規定的要求。

3 電力系統無功補償的幾種方式

近年來，隨著國民經濟的發展，電力系統也得到快速的發展，尤其是大范圍的高電壓甚至特高壓輸電網絡的逐漸形成，負荷的增長對無功的需求也大幅度上升，因此無功功率的平衡也成為了更多人關注的焦點，無功補償裝置的多樣性及技術的先進性也得到了很大的提高。目前，我國電力系統主要有以下三種無功補償方式：

3.1 并聯電容器和同期調相機

裝設并聯電容器是電力系統中補償無功功率最常用的方法之一。并聯電容器的優點是結構和原理簡單，安裝、運行以及維護方便，損耗低，效率高，缺點是只能補償固定的無功，不能夠連續調節，有時甚至會出現過補償現象，而且易與系統中的感性元件發生并聯諧振導致系統振蕩。由于電容器輸出的無功功率與系統電壓的平方成正比，當系統電壓降低時，電容器輸出的無功也將會隨之下降。比如，當系統電壓降低5%時，電容器輸出的無功功率將會下降10%左右，電容器無功功率輸出的減少將會導致電壓繼續下降，此時電容器就不能起到穩定系統電壓的作用。同期調相機在運行原理上相當于空載運行的同步電動機，通過改變同期調相機的勵磁電流，可以使同期調相機既能供給系統滯后的無功功率又能從系統吸收滯后的無功功率。所以同期調相機既可作為無功電源使用，也可作為無功負荷使用。同期調相機的優點是能夠通過適當調整它的勵磁電流可以平滑地改變同期調相機所供給或吸收的無功功率，使電網的功率因數接近于1。其主要缺點是投資大，而且由于同步調相機經常運行在過勵磁狀態下，勵磁電流較大，其損耗也比較大，發熱比較嚴重，因此隨著電力電子技術的發展，同步調相機已很少使用。

3.2 靜止無功補償裝置（SVC）

隨著科學技術以及電力電子技術的發展，使用晶閘管的無功補償裝置在電力系統也得到了越來越廣泛的應用。靜止無功補償裝置包括晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）。晶閘管投切電容器可以通過晶閘管的導通和關斷控制電容器數量的投切，從而達到可以改變向電網發出無功功率的大小。TSC由于通過電容的電流為一整個周期的正弦電流，所以不會產生高次諧波。SVC能夠平滑調節容性或感性無功功率，實現動態補償。SVC和傳統的并聯電容器及同步調相機相比，它具有響應速度快、調節性能好、運行和維護費用較低的優點。但是，無論何種型式的SVC，它之所以能夠補償電網的無功功率，主要依靠的是內部電容器元件，但由于之前所說，電容器產生的無功功率與電容器所承受的電壓平方成正比，因此當電網電壓較低時，SVC仍然無法通過電容器增加無功功率的輸出，這是靜止無功補償裝置無法克服的缺陷。

3.3 靜止無功發生器（SVG）

靜止無功發生器（SVG）是指采用全控型電力電子器件組成的橋式變流器來進行動態無功補償的裝置，其又稱靜止同步補償器（STATCOM），其基本原理是利用可關斷大功率電力電子器件如絕緣柵雙極型功率管組成自換相橋式電路，并通過降壓變壓器或者其他電氣設備接入電力系統，通過控制橋式電路交流側電流或者適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，即可實現對電網動態無功補償的目的。SVG不僅可以發出電網所需的無功，還可以根據負荷的變化，吸收電網多余的無功。SVG裝置補償響應時間很短，可達到微秒級，因此能夠在極短時間通過改變運行參數實現對電網的動態無功補償。

SVG并聯于電網中，相當于一個可控的無功電流源，它作為一個有源型補償裝置，還可以動態補償基波無功及各次諧波，SVG濾波性能不受系統參數變化的影響，它比SVC裝置的調節速度更快，運行范圍從感性到容性都能實現，而且SVG不像SVC那樣需要大容量的電容、電感等儲能元件，因此SVG占地面積更小，并且它還具備分相調節的能力，能夠實現不對稱負荷的平衡補償，SVG對無功電流和電壓的控制精度也比SVC更高。SVG諸多的優點使它成為新一代無功補償裝置的代表。隨著電力電子技術的日漸成熟，SVG在電力系統中的大量應用將會是電力系統無功補償的發展趨勢。

4 無功補償技術的發展趨勢

近年來，隨著電力電子技術的發展，動態無功補償裝置越來越廣泛地應用于電力系統中，用于提高電網電壓穩定性、提高功率因數以及改善用戶電能質量。眾所周知，風能是一種清潔能源，但由于風資源的不確定性和風力發電機本身的運行特性，使風力發電機組的輸出功率是波動的，導致并網功率因數不合格、電壓偏差等問題。為解決風電場并網運行存在的電壓穩定問題，各個風電場都采取了各種方式來提高風電場并網運行穩定性，但SVG是目前最先進的無功補償技術，它在風電場的應用極大地補償了風電的無功功率以及對諧波的動態補償，提高了風電場電壓的穩定性。

SVG可以克服傳統無功補償和諧波治理裝置存在的不足，為電網或用電負荷提供快速、連續有緣動態無功補償和諧波濾波，可有效提高電網電壓暫態穩定性、抑制母線電壓突變，補償系統不平衡負荷，而且能夠提高電力系統功率因數。因此，發展SVG裝置具有巨大的社會效益，對國民經濟的發展具有重要意義。SVG技術代表了現階段無功補償、諧波治理、電能質量控制的發展趨勢，隨著電力電子技術以及電網運行水平的發展，SVG必將在電力系統中得到廣泛的應用。

參考文獻

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