電力變電設(shè)計(jì)中的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)探討

余健敏

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

關(guān)鍵詞：電力變電站；變電設(shè)計(jì)；無(wú)功補(bǔ)償；感性負(fù)荷功率；容性負(fù)荷功率 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

1 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砗椭匾?/p>

無(wú)功補(bǔ)償就是通過(guò)并聯(lián)的方式將帶有容性以及感性兩種功率負(fù)荷的裝置安裝在同一線路上，如此，兩種負(fù)荷裝置就能當(dāng)作一種能量的轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)兩者的能量的相互轉(zhuǎn)換，其輸出的無(wú)功功率也能實(shí)現(xiàn)互相補(bǔ)償?shù)淖饔?。運(yùn)用到變電設(shè)計(jì)中就是將原本是電網(wǎng)或變壓器輸出的無(wú)功功率，變成交流電力容器來(lái)輸出。

不管是民用亦或工業(yè)負(fù)荷，其多數(shù)是感性負(fù)荷功率，并且基本全部的電感負(fù)載都要利用大量的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，而提供無(wú)功功率的主要有兩種方式，即補(bǔ)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(shè)計(jì)的時(shí)候就要同時(shí)考慮有功和無(wú)功功率。但是，通過(guò)輸電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率傳輸，變壓器以及輸電線路在損耗方面會(huì)有顯著的提升，從而降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。如果是補(bǔ)償電容器提供，就可以不用輸電系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，也就會(huì)減少損耗。無(wú)功傳輸不是說(shuō)功率傳輸是沒(méi)有用的，反而具有很大的用處。在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并對(duì)其進(jìn)行維持，進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)讓機(jī)械也產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，而電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的建立就是通過(guò)電源獲取的無(wú)功功率。

變壓器一次線圈的磁場(chǎng)同樣也是通過(guò)無(wú)功功率而產(chǎn)生的，這樣二次線圈才會(huì)感應(yīng)到電壓。故而，電動(dòng)機(jī)如果缺少無(wú)功功率就無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也無(wú)法變壓，交流接觸器也就無(wú)法吸合。就正常情況而言，電源會(huì)將無(wú)功功率和有功功率都提供給用電設(shè)備。一旦電力系統(tǒng)中無(wú)功功率供應(yīng)不足，用電設(shè)備就無(wú)法有充足的無(wú)功功率構(gòu)建正常的電磁場(chǎng)，也就無(wú)法保持在額定情況之下運(yùn)行，電壓就會(huì)降低，最后也會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。

2 電力變電設(shè)計(jì)中的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

2.1 調(diào)相機(jī)

最早將無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)用到設(shè)備的就是同步調(diào)相機(jī)，其作用原理和空載運(yùn)作的同步電動(dòng)機(jī)類似，即通過(guò)勵(lì)磁運(yùn)行的作用讓系統(tǒng)接收到無(wú)功功率，從而讓無(wú)功電源發(fā)揮作用；當(dāng)欠勵(lì)磁運(yùn)行的時(shí)候，系統(tǒng)又將感性功率傳輸給它，發(fā)揮無(wú)功負(fù)荷的效果。在這種裝置中會(huì)針對(duì)勵(lì)磁的運(yùn)行安裝自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，這樣同步調(diào)相機(jī)就可以根據(jù)該裝置產(chǎn)生的電壓對(duì)輸出或者吸收的無(wú)功功率作出改變，從而通過(guò)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)來(lái)保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不過(guò)，同步調(diào)相機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，有功損耗太大，大概是容量的1.6%～5.4%。而且如果同步調(diào)相機(jī)采用小容量的話，那么其單位容量的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大容量的。目前，這種無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置還是在生產(chǎn)中使用，且在控制技術(shù)不斷進(jìn)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(wú)功補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)用，其作用原理就是并聯(lián)在系統(tǒng)中，提高容性負(fù)載，然后再向系統(tǒng)吸收和輸出容性功率，達(dá)到線路以及感性負(fù)荷對(duì)感性無(wú)功功率的要求，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч?。通過(guò)電容器來(lái)無(wú)功補(bǔ)償，不僅只需要較少的一次性投資與運(yùn)行費(fèi)用，而且安裝調(diào)試方便、損耗低、效率高，不僅能夠集中使用，也能分散裝設(shè)?，F(xiàn)階段，我國(guó)電力系統(tǒng)中通過(guò)并聯(lián)電容器實(shí)現(xiàn)了大概90%的無(wú)功補(bǔ)償容量。然而，這種裝置提供的無(wú)功功率和相關(guān)的節(jié)點(diǎn)電壓數(shù)值的平方是正比關(guān)系，也就是說(shuō)如果節(jié)點(diǎn)電壓降低，要提高無(wú)功功率的時(shí)候，其提供系統(tǒng)的無(wú)功功率卻會(huì)減少。這就意味著，就補(bǔ)償效果而言，

系統(tǒng)電壓改變的時(shí)候，這種裝置的補(bǔ)償效果并不理想。

2.3 電抗器

在無(wú)功補(bǔ)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(guò)增加感性無(wú)功功率能平衡電力系統(tǒng)多余的容性無(wú)功功率，針對(duì)電力系統(tǒng)輸送功率小、輕負(fù)荷有著優(yōu)良的效果。因此，無(wú)論是電力系統(tǒng)的早期還是后期都非常重要。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)上述兩種情況的時(shí)候，輸電線路的感性無(wú)功功率會(huì)降低，但是導(dǎo)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(guò)感性無(wú)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(wú)功平衡，要不然就會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的電壓增大，其運(yùn)行的安全性也會(huì)受到威脅。

2.4 無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）

無(wú)功補(bǔ)償器，也就是靜止無(wú)功補(bǔ)償器，屬于第二代無(wú)功補(bǔ)償裝置，其應(yīng)用的地方有輸電系統(tǒng)的波阻補(bǔ)償以及負(fù)載無(wú)功補(bǔ)償。其實(shí)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(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）的無(wú)功補(bǔ)償器其無(wú)功補(bǔ)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(jìn)行改變，從而使系統(tǒng)中無(wú)功功率的輸出得到調(diào)節(jié)。但是這種裝置存在一個(gè)問(wèn)題：因?yàn)榫чl管具有班控的特性，如果被觸發(fā)導(dǎo)通，那么只有等其流經(jīng)的電流低于維持電流之后才會(huì)關(guān)斷，所以，每半個(gè)電源周期的時(shí)間之內(nèi)，反并聯(lián)晶閘管對(duì)僅可以受控導(dǎo)通一次，這就意味著，TCR理論上難免會(huì)出現(xiàn)控制滯后，這對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能有著一定的影響。

2.5 靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）

在電力技術(shù)不斷進(jìn)步的條件下，電力系統(tǒng)開(kāi)始使用靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，這種裝置使用的線路是自變換變流，其實(shí)質(zhì)就是靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG），也被稱作靜止同步補(bǔ)償器，屬于第三代無(wú)功補(bǔ)償裝置。

SVG的等效電路見(jiàn)圖2。因?yàn)镾VG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(huì)因?yàn)橹绷魃想妷悍涤绊懀沁€是可以在限定的范圍進(jìn)行控制。因此，能利用控制交流上電壓幅值以及相位進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行改變，也就是說(shuō)，能完成交流上電流相位超過(guò)或落后電網(wǎng)電壓相位90o，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出和吸收無(wú)功功率的效果。假如忽視無(wú)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(wú)功交換，直流上電容電壓也會(huì)維持不變。只有當(dāng)SCG啟動(dòng)的時(shí)候，吸收足夠的有功功率，然后對(duì)電容進(jìn)行充電，才會(huì)建立直流電壓。在正常運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)榇嬖趽p耗，電網(wǎng)電壓和電流矢量無(wú)法垂直，就要向電網(wǎng)吸收有功功率來(lái)補(bǔ)償SVG的損耗。因?yàn)楦邏喝匦推骷氖蹆r(jià)偏高，所以當(dāng)SVG應(yīng)用到低壓系統(tǒng)的時(shí)候，可以直接利用交流電抗器與電網(wǎng)進(jìn)行連接，當(dāng)應(yīng)用到高壓系統(tǒng)的時(shí)候，利用串聯(lián)變壓器連接到電網(wǎng)上。

3 各種無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的比較

并聯(lián)電容器與并聯(lián)電抗器適用場(chǎng)所是負(fù)載變化較慢且對(duì)補(bǔ)償性能要求不高。電容器無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的缺點(diǎn)是補(bǔ)償精度差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)涌流投進(jìn)電容器，對(duì)電容器的使用壽命有一定的影響，還會(huì)使系統(tǒng)中增加諧波電流。而電抗器可以利用可控技術(shù)，對(duì)回路電流的勵(lì)磁進(jìn)行控制，進(jìn)而使鐵心的飽和度得以改變，實(shí)現(xiàn)無(wú)功輸出的平滑調(diào)節(jié)。

SVC和SVG都屬于動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，兩者都具有較好的補(bǔ)償跟隨性，在一個(gè)正弦波周期之內(nèi)就可以產(chǎn)生響應(yīng)，且還可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償容性無(wú)功。但是SVC的容量與電抗器的容量有著直接關(guān)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?yàn)镾VG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用了PWM控制技術(shù)，并擁有6對(duì)開(kāi)關(guān)管，可以利用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)其進(jìn)行控制，具有較快的運(yùn)算速度和較強(qiáng)的處理能力，在跟隨性上要強(qiáng)于SVC，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能上也有著良好的表現(xiàn)。不過(guò)，因?yàn)镾VG中使用了大量的全控型開(kāi)關(guān)管，在性價(jià)比上要差于SVC。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的改革，同步調(diào)相機(jī)正逐步退出無(wú)功補(bǔ)償裝置領(lǐng)域。并聯(lián)電容器具有較高的無(wú)功補(bǔ)償容量，因此，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外還是將其作為主要的無(wú)功補(bǔ)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(qiáng)的穩(wěn)定性，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性有著重要的作用，SVG因響應(yīng)速度快和運(yùn)算能力強(qiáng)，成為了無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究的新方向，其今后發(fā)展的重點(diǎn)是性價(jià)比的提高。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：周 瓊）