電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)难芯颗c分析

胡君君 王振光

摘要：無功功率是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的非常重要的參數(shù)。介紹無功功率的基本概念，闡述無功功率缺乏給電網(wǎng)帶來的諸多影響，分析無功補(bǔ)償?shù)囊饬x。詳細(xì)說明國內(nèi)外無功補(bǔ)償?shù)难芯楷F(xiàn)狀，以及無功補(bǔ)償裝置的類型及其特點(diǎn)，為無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展提供基礎(chǔ)性理論支持。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；無功功率；研究現(xiàn)狀；裝置

中圖分類號(hào)：TM714.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）02-0035-03

為了保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，電源端向負(fù)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(shè)備正常運(yùn)行而需要的電功率，后者是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥芰康碾姽β剩ㄈ鐭崮?、光能、?dòng)能等）。有功功率是實(shí)在的、消耗的能量，無功功率則是為了系統(tǒng)內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換而需要的電功率。

1 無功補(bǔ)償?shù)囊饬x

隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，用電設(shè)備的劇增導(dǎo)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(shè)備會(huì)使電力系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。在電網(wǎng)供用電過程中，變壓器、電弧爐等電感的大型設(shè)備消耗的無功功率非常大，導(dǎo)致電網(wǎng)的諸多問題，影響輸電的效率。例如：1） 無功功率在網(wǎng)絡(luò)中的輸送將使電流變大，這樣直接影響設(shè)備和導(dǎo)線的容量，增加成本。同時(shí)，對(duì)于二次回路的測(cè)量機(jī)構(gòu)尺寸和規(guī)格也有所增加，提高了成本。2） 輸送的電流增大，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和線路的有功損耗增加，使得電力系統(tǒng)的效率降低，大大影響其經(jīng)濟(jì)性。3） 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡系統(tǒng)，包括無功功率的平衡。無功功率不足時(shí)，其主要的來源是發(fā)電機(jī)，如果發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)超過上限，必然影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。4） 無功功率的輸送將使導(dǎo)線和設(shè)備的電壓降提高，尤其是沖擊荷載和不平衡荷載導(dǎo)致公共點(diǎn)電壓降低和電壓不對(duì)稱，影響供電質(zhì)量。

另外，大量的電力電子器件在電力系統(tǒng)、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)中諧波的主要來源。諧波問題一直是倍受關(guān)注的問題，其危害主要表現(xiàn)為：1） 諧波的存在大大增加了發(fā)電機(jī)的內(nèi)在損耗，引起噪聲或暫時(shí)過電壓。2） 諧波能夠?qū)﹄娔苡?jì)量產(chǎn)生一定的影響，使得精確度出現(xiàn)問題。3） 諧波會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，尤其是對(duì)附近的通信線路的信號(hào)產(chǎn)生干擾，使得信息傳輸失真、通話模糊，嚴(yán)重的情況下會(huì)給設(shè)備和人員帶來安全隱患。4） 諧波使得電力能源的生產(chǎn)、輸送和利用率降低，加速設(shè)備的老化，降低使用壽命。5） 可能引起電力系統(tǒng)的諧振問題，使得網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)各次諧波，干擾系統(tǒng)正常運(yùn)行。

經(jīng)分析、總結(jié)，無功補(bǔ)償對(duì)電力系統(tǒng)的作用主要體現(xiàn)為：1） 有效提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低系統(tǒng)的損耗。2） 保證負(fù)荷側(cè)的頻率和電壓，保證電能質(zhì)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(tǒng)的穩(wěn)定性體現(xiàn)得更為突出），提高輸送電能的效益。3） 電力系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償之后，功率因數(shù)提高，相當(dāng)于降低了系統(tǒng)的有功功率損耗，減少了用戶的電費(fèi)成本。4） 降低諧波的產(chǎn)生幾率。5） 在相同的有功功率下，相應(yīng)的無功補(bǔ)償會(huì)提高功率因數(shù)，減小視在功率，從而減小設(shè)備的安裝容量，節(jié)約成本。6） 在一些特殊的用電場(chǎng)所如電氣化鐵路，無功補(bǔ)償可以有效地平衡三相有功功率和無功功率。

2 國內(nèi)外無功補(bǔ)償發(fā)展現(xiàn)狀

1967年，英國的GEC公司成功研發(fā)了首批飽和電抗器的靜止無功補(bǔ)償設(shè)備。與同步調(diào)相機(jī)相比，飽和電抗器顯示出快速響應(yīng)的特點(diǎn)，但是存在損耗及噪聲大的問題，無法分相調(diào)節(jié)不平衡負(fù)載，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用沒能順利推廣。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步尤其是晶閘管技術(shù)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展，晶閘管靜止無功補(bǔ)償裝置得以發(fā)展和應(yīng)用。1977年，美國的GE公司采用晶閘管控制無功補(bǔ)償裝置，演示應(yīng)用于電力系統(tǒng)的運(yùn)行；1978年，西屋電氣公司生產(chǎn)的晶閘管靜止無功補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。此后，世界各大電氣公司研究開發(fā)了相關(guān)的諸多產(chǎn)品，基本確定了靜止無功補(bǔ)償設(shè)備的主導(dǎo)地位。

我國電力系統(tǒng)的輸電網(wǎng)絡(luò)中，很多大型的靜止無功補(bǔ)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(shè)備生產(chǎn)于SIMENS，ABB，F(xiàn)UJI，CANA等公司。

縱觀全局，在我國，無功功率和系統(tǒng)不平衡的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的技術(shù)及設(shè)備發(fā)展比較緩慢，尤其在TCR研究方面，應(yīng)加速設(shè)備的國產(chǎn)化。此外，在SVC裝置的技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用中，參數(shù)設(shè)計(jì)的精確度還比較粗糙，導(dǎo)致裝置的應(yīng)用和運(yùn)行情況達(dá)不到精準(zhǔn)，出現(xiàn)因參數(shù)設(shè)計(jì)不合理而使電流過大造成整套設(shè)備損壞的事故。在大沖擊、大負(fù)荷的用電狀況下，保證裝置參數(shù)正確的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算過程，是確保設(shè)備良好運(yùn)行的基礎(chǔ)，通常需要進(jìn)行若干次的仿真機(jī)修正。

3 無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展歷程

隨著電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，研制開發(fā)的無功補(bǔ)償裝置主要有：同步發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器組、靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）及靜止無功發(fā)生器裝置（SVG）。

3.1 同步發(fā)電機(jī)

同步發(fā)電機(jī)可以認(rèn)為是原始的無功補(bǔ)償裝置。在電力系統(tǒng)中，它既能夠輸送有功也能夠輸送無功。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓，可以保證網(wǎng)絡(luò)的電壓控制。發(fā)電機(jī)無功功率的調(diào)節(jié)，是保證電網(wǎng)電壓的主要措施，還可以通過調(diào)節(jié)運(yùn)行方式控制系統(tǒng)的多余的無功功率。

3.2 同步調(diào)相機(jī)

同步調(diào)相機(jī)是傳統(tǒng)的補(bǔ)償設(shè)備，其可通過改變激磁電流大小來調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)的。該設(shè)備具有兩種工作狀態(tài)：過勵(lì)磁和欠勵(lì)磁狀態(tài)。前者是在系統(tǒng)電壓較低時(shí)體現(xiàn)，此時(shí)裝置發(fā)出容性無功提高電網(wǎng)電壓；后者是在系統(tǒng)電壓較高時(shí)體現(xiàn)，此時(shí)裝置發(fā)出感性無功降低電網(wǎng)電壓?！巴健奔囱b置能夠動(dòng)態(tài)連續(xù)地調(diào)節(jié)無功功率。其特點(diǎn)是能夠適應(yīng)較強(qiáng)的過載，由于其為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此損耗和噪聲都較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，而且響應(yīng)速度慢，在很多情況下已無法適應(yīng)快速無功控制的要求。

3.3 并聯(lián)電容器組

并聯(lián)電容器組作為一種簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟(jì)的補(bǔ)償方式得到了廣泛應(yīng)用，其通常與斷路器組合使用，也用于系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)永久性連接。在現(xiàn)場(chǎng)，電容器以并聯(lián)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(lián)電容器組作為無功補(bǔ)償?shù)姆桨?，具有成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、損耗非常低的優(yōu)點(diǎn)，其不足之處是不能夠連續(xù)可調(diào)、動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)性能較差，因此在電壓降低時(shí)反應(yīng)不可靠。此外，系統(tǒng)中的電容器組有可能導(dǎo)致諧波放大，促使電流增大，有引起電容器發(fā)熱甚至爆炸的危險(xiǎn)，運(yùn)行中應(yīng)加以注意。

3.4 靜止無功補(bǔ)償設(shè)備

靜止無功補(bǔ)償設(shè)備能夠吸收和發(fā)出無功功率來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)，并具有平衡系統(tǒng)電壓的作用，通常由電容器組、開關(guān)以及電抗器構(gòu)成。開關(guān)一般分為斷路器開關(guān)和電力電子開關(guān)。斷路器開關(guān)屬于機(jī)械式，時(shí)延較大，很難滿足電力系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)變化的要求，其開關(guān)過程容易引起操作過電壓和過電流，燒壞設(shè)備的觸點(diǎn)，并使電容器組承受很大的沖擊電流，導(dǎo)致故障或燒毀。而電力電子技術(shù)的發(fā)展帶來了新的可能，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確投切的作用。

3.5 靜止無功發(fā)生器

靜止無功發(fā)生器是一種電力電子設(shè)備，使用的是自換相變流技術(shù)。靜止無功發(fā)生器能夠有效抑制諧波的發(fā)展和補(bǔ)償無功的能力。其工作原理是：通過調(diào)節(jié)設(shè)備輸出電壓，促使無功功率的改變。當(dāng)系統(tǒng)電壓降低時(shí)，靜止無功發(fā)生器呈現(xiàn)的是電容特性，吸收網(wǎng)絡(luò)的感性無功功率；當(dāng)系統(tǒng)電壓與額定電壓相等時(shí)，裝置則停止輸送無功。靜止無功發(fā)生器能夠?qū)⒍喾N功能集于一身，但代價(jià)是結(jié)構(gòu)及控制環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，價(jià)格偏高，影響了其應(yīng)用發(fā)展。

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