電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)研究

摘要：現(xiàn)代電網(wǎng)中，電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)荷占據(jù)相當(dāng)大比重。它們在消耗有功功率的同時(shí)，也需要吸收大量無功功率。無功功率的出現(xiàn)不僅導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出力下降，降低了輸配電設(shè)備效率，而且還增大了網(wǎng)損，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。因此，大力提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低線損，節(jié)約能源，挖掘發(fā)電設(shè)備的潛力，是當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；無功功率；補(bǔ)償技術(shù)

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

目前，美國電力主網(wǎng)設(shè)備的功率因數(shù)已接近于1，原蘇聯(lián)法律規(guī)定功率因素應(yīng)大于0.92，日本等國還建立了全國性的無功管理委員會(huì)，研究無功補(bǔ)償方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(cè)集中補(bǔ)償系統(tǒng)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(cè)到末端負(fù)荷間的線路損耗，改善末端電壓質(zhì)量。研究開發(fā)線路終端用無功功率補(bǔ)償裝置具有明確的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效益。

近30年來，由于超高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)中無功功率的消耗也日益增大。低壓電網(wǎng)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(yè)用戶的增多，電網(wǎng)的功率因數(shù)大都比較低，尤其是電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，而大多數(shù)電力電子裝置的功率因數(shù)很低，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，也給電網(wǎng)帶來額外負(fù)擔(dān)。因此，利用無功補(bǔ)償技術(shù)正成為當(dāng)前世界各國電力設(shè)計(jì)及決策人員的共識，無功補(bǔ)償裝置的投資已被列入電力投資的整體規(guī)劃中，成為一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)。

無功功率對供電系統(tǒng)和負(fù)荷的運(yùn)行都是十分重要的。當(dāng)無功功率不足時(shí)，將降低發(fā)電機(jī)的有功功率輸出，使電源設(shè)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(zhì)量下降，還使供電系統(tǒng)損耗加大，造成了能源的損失。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(dāng)寬的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)，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(nèi)實(shí)現(xiàn)。顯然，這些無功功率如果都由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。

傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償裝置主要為同步調(diào)相機(jī)和并聯(lián)電容器。同步調(diào)相機(jī)雖然能進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，但它屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行中的損耗和噪聲都比較大，目前在現(xiàn)場仍有使用，但在技術(shù)上已顯落后。并聯(lián)電容器補(bǔ)償簡單經(jīng)濟(jì)，靈活方便，有取代同步調(diào)相機(jī)的趨勢，但只能補(bǔ)償固定無功，還可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。目前在我國仍是主要的無功補(bǔ)償方式。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，相控技術(shù)、脈寬調(diào)制等技術(shù)被引入到電力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)控制技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)/柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible ACT ransmission System-FACTS），其本質(zhì)就是將高壓大功率的電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以增強(qiáng)對電力系統(tǒng)的控制能力，提高原有電力系統(tǒng)的輸電能力。FACTS的多個(gè)類型都具有諧波抑制和無功補(bǔ)償能力。靜止無功補(bǔ)償（Static Var Compensator-SVC）是它的一個(gè)類型，靜止無功補(bǔ)償技術(shù)是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來的，是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有發(fā)出和吸收無功電流的能力，用于提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓等。目前這種開關(guān)主要是交流接觸器和電力電子開關(guān)。但用接觸器來投切會(huì)出現(xiàn)巨大的沖擊涌流，而且閉合時(shí)觸頭微動(dòng)導(dǎo)致電弧燒損嚴(yán)重，現(xiàn)在靜止無功補(bǔ)償器一般專指使用晶閘管的無功補(bǔ)償設(shè)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(bǔ)償器可以很好地補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級數(shù)分得夠細(xì)，基本上可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，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(wǎng)的電壓保持在1.5%的波動(dòng)范圍。TCR是用來吸收系統(tǒng)的無功功率的。瑞士勃郎·鮑威利公司已造出此種補(bǔ)償器用于高壓輸電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。此外，SVC還包括TSC+TCR混合型的補(bǔ)償器，我國平頂山至武漢鳳凰山5OOkV變電站引用進(jìn)口的無功補(bǔ)償設(shè)備就是TSC+TCR型。目前國內(nèi)外對SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等智能控制手段也被引入SVC控制系統(tǒng)，使SVC系統(tǒng)的性能更加提高。世界上已投運(yùn)的輸電用SVC大約150套，我國運(yùn)行于500kV輸電系統(tǒng)的也有5臺，型式為TCR+TSC，均為進(jìn)口設(shè)備，國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用的TCR裝置大約有20套，其中一小半為國產(chǎn)設(shè)備，低壓380V供電系統(tǒng)有各類TSC型國產(chǎn)無功補(bǔ)償設(shè)備在運(yùn)行。

目前國內(nèi)外對SVC的建模、控制模式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和不對稱控制等做了很多研究，但目前還有很多理論和實(shí)際運(yùn)用的問題尚待解決。而且其控制復(fù)雜，所用的全控器件價(jià)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(jìn)口，成本太高，根據(jù)我國國情，此類裝置的實(shí)用化尚需相當(dāng)長的一段時(shí)間。而低壓無功補(bǔ)償中要求裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單易于安裝和維護(hù)，因此TSC和TCR裝置非常適合于在無功就地補(bǔ)償領(lǐng)域推廣。但SVC具有調(diào)節(jié)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(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)越性能必將使其成為未來無功補(bǔ)償設(shè)備的重要發(fā)展方向。美國電力研究院還提出統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow Controller-UPFC），集并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)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(rèn)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(xí)慣上認(rèn)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(shí)間內(nèi)，儲能元件從電源吸收能量，另一部分時(shí)間內(nèi)將能量返回電源，理想的無損失儲能元件在整個(gè)周期平均功率是零。在含有諧波時(shí)，至今尚無獲得公認(rèn)的無功功率定義。當(dāng)電力系統(tǒng)中用電設(shè)備吸收的無功功率太多時(shí)，將會(huì)使功率因數(shù)嚴(yán)重偏低，對電網(wǎng)及負(fù)載產(chǎn)生不利影響。

傳統(tǒng)的功率定義大都是建立在平均值的基礎(chǔ)上的。單相正弦電路或三相對稱正弦電路中，利用傳統(tǒng)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(dāng)電壓或電流中含有諧波時(shí)，或三相電路不平衡時(shí)，功率現(xiàn)象比較復(fù)雜，傳統(tǒng)概念無法正確地對其進(jìn)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(shí)卻又存在另一些不足，或引出了新的待解決的問題?，F(xiàn)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(bǔ)償與抑制，包括無功功率的控制、裝置的原理和設(shè)計(jì)；第三類適用于儀表測量和電能的管理、收費(fèi)。

迄今為止的各種功率理論只是較好地解決了上述一兩個(gè)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(jìn)作用，赤木泰文等人提出的瞬時(shí)無功功率理論解決了諧波和無功功率的瞬時(shí)檢測和不用儲能元件實(shí)現(xiàn)諧波和無功補(bǔ)償?shù)葐栴}，對諧波和無功補(bǔ)償裝置的研究和開發(fā)起到了很大的推動(dòng)作用，在解決第一類和第三類問題時(shí)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(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的現(xiàn)狀，對國內(nèi)外一些有關(guān)無功補(bǔ)償理論和技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了需要解決的問題和難題。

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