电力系统无功补偿的研究

阳丽，蒋正忠，韦佳祥

(1.广西电网公司来宾供电局，广西 来宾 546100;2.广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007)

1 引言

在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个重要的指标，为确保电力系统的安全稳定运行，电压和频率必须控制在规定的范围内。频率的控制与有功功率平衡有关，而电压的控制则取决于无功功率的平衡。

无功功率和有功功率一样，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所必不可少的部分［1］。当无功功率不足时，会导致系统电压下降，电力线路的电压损失加大，严重时会导致设备损坏，系统解列，从而造成大面积停电事故。近年来，随着国民经济的跨越式发展，电力行业也得到快速发展，特别是电网建设，负荷的快速增长对无功的需求也大幅上升，即使电网无功功率不平衡，也导致大量无功功率存在。因此，对电力系统进行无功补偿已成为一个输电、变电、供电不可缺少的环节，也是提高功率因数、节约电能、提高运行质量的重要保证。

2 无功补偿原理

在交流电路中，电网需给负载的电功率有两种——有功功率和无功功率。有功功率(P)是指保持设备运转所需要的电功率，即将电能转化为其他形式的能量(机械能、光能、热能等)的电功率;而无功功率(Q)是指电气设备中电感、电容等元件工作时建立磁场所需的电功率。而纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流滞后电压90°，纯电容负载中电流超前电压90°，也就是说纯电容中电流与纯电感中的电流相位差为180°，可以相互抵消。无功补偿的基本原理是:把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率来补偿。

为了更好的说明无功补偿的原理，本文以装设并联电容器进行无功补偿来说明。其无功补偿原理如图1～图3所示。

图1 电容补偿电路图

图2 欠补偿向量图

图3 过补偿向量图

电气设备的等效电路可看作电阻R与电感L串联的电路，其功率因数为:

给R、L电路并联接入C之后，电路如图1所示。该电路的电流方程为:

3 无功补偿的作用［2，3］

3.1 提高功率因数及减少用户电费支出

图4中:P1为有功功率;S1为补偿前的视在功率;S1为补偿后的视在功率;Q1为补偿前的无功功率;Q1为补偿后的无功功率;φ1为补偿前的功率因数角;φ2为补偿后的功率因数角。由图4可以看出，在有功功率P1一定的前提下，无功功率补偿以后(补偿容量QC=Q1－Q2)，功率因数角由φ1减小到φ2，故补偿后功率因数cosφ2大于cosφ1，功率因数提高了。

图4 无功功率补偿图

提高功率因数为企业节约开支，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。并且由于减少了用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，也可以减少相应电费支出。可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。

3.2 提高设备有功出力

在设备容量不变的情况下，由于提高了功率因数可以少送无功功率，因此可以多送有功功率，如图5所示。

图5 设备出力比较图

可多送的有功功利ΔP可由下式计算:ΔP=P2－ P1=S1(cosφ2－cosφ1)(kW)

也就是说，在供电设备的容量(即视在功率S1)一定时，若补偿前功率因数角为φ1，供电设备能提供的最大有功功率为P1;如果补偿后(补偿容量QC=Q1－Q2)功率因数角由φ1减小到φ2，则设备能提供的最大有功功率也随之增大到P1+ΔP。可见，无功补偿提高了供电设备的有功出力。

3.3 减少供电变压器容量

若需要的有功不变，则由于需要的无功减少，所需供电变压器的容量ΔS也相应减少，如图6所示。可减少的变压器容量ΔS可由下式计算:

可以减少供电设备容量占原容量的百分比为

图6 变压器容量比较图

若某台变压器的功率因数由0.857提高至0.967，则供电设备容量可减少11.37%。

3.4 减少线路电压降

线路电压降ΔU的计算公式为:

式中，P为有功功率(kW);Q为无功功率(kvar);U为额定电压(kV);R为线路总电阻(Ω);X为线路感抗(Ω)。

由以上表达式可以看出，输电线路电压损耗由两部分组成，即有功功率在电阻上的压降和无功功率在电抗上的压降。一般说来，在电网的线路、变压器的等值电路中，电抗的数值比电阻大得多。所以无功功率对电压损耗的影响很大，而有功功率对电压损耗的影响则要小得多。因此，在电力系统中，无功功率是造成电压损耗的主要因素。

安装补偿容量QC后，线路电压降ΔU1的计算公式为:

很明显，ΔU1＜ΔU，即安装补偿电容后电压损失减小了。由以上两式可得接入补偿容量QC后电压升高值:

随着线路的增长，越靠近线路末端，线路的电抗X就越大，越靠近线路末端装设无功补偿装置对改善电压质量效果更好。

3.5 减少电网线路损耗

三相电路中，功率损耗ΔP的计算公式为:

由计算公式可知，电力线路上有功功率的损耗与功率因数cosφ的平方成反比，功率因数增大则电力线路的有功损耗会降得更多，从而减少电能在传输过程中的损失。

3.6 降低电网的功率损耗

由计算公式可知，增加了无功补偿量QC后，电网发送的无功功率就会减少，从而降低电网和变压器中的功率损耗，进一步提高供电效率。

综上所述，无功补偿装置是提高电网的功率因数、提高设备有功出力、降低供电变压器容量、改善电压质量、减少电网线损以及功率损耗的有效方法。

4 无功补偿装置的发展现状

电力系统的无功补偿装置，除电容器只能吸收容性无功功率(即发出感性无功功率)，其余几类补偿装置既能吸收容性无功，也能吸收感性无功。

4.1 同步调相机

同步调相机实际上是一种不带机械负荷、空载运行的同步电动机。其优点是能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功，这种自动调节的励磁装置能够在电力系统端电压波动变化时对无功功率进行自动调节，从而维持系统电压，提高系统运行的稳定性。它虽然能进行动态补偿，但响应慢，运行维护复杂，多为高压侧集中补偿，在并联电容器得到大量使用后，它便逐渐居于次要地位。近年来，同步调相机再次得到重视，被应用于高压直流输电系统［4］。这是由于在系统发生故障引起电压降低时，同步调相机可以提供电压支持，可在短时间进行强行励磁，同时可以给受电侧提供短路电流和电压支撑，提供电力系统的稳定性。

4.2 并联电容器

并联电容器将固定的电容器与感性负载相并联，改变负载的相位角，从而提高负载的功率因数，实现对负载侧的无功补偿。因其具有原理简单、安装、运行和维护方便、自身损耗小、效率高等优点，因此是电网中应用最多的一种专用无功补偿装置［5］。但是它只能补偿感性无功，且不能连续调节，对于无功变化比较快的一些负载，无法做到快速的动态响应，使无功补偿的效率变低;具有负电压效应，补偿容量(Q=ωCU2)受电网电压影响很大，与电压的平方成正比，当电网电压下降时，补偿的无功量急剧下降，系统电压下降更大;由于电容器只能提供容性无功，当系统的无功过剩时会造成电压偏高;对谐波起放大作用，容易发生谐振。

4.3 静止无功补偿器

静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)简称静止补偿器，由静电电容器与电抗器并联组成。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就成为能够平滑地改变输出(或吸收)无功功率的静止补偿器［1］。由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制，因此当电压变化时，静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，还能做到分相补偿;同时，对于三相不平衡负荷及冲击负荷适应性较强。SVC有各种不同的型式，如晶闸管控制电抗器型(TCR型)、晶闸管投切电容器型(TSC型)，以及饱和电抗器型(SR型)等。由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，在使用过程中通常需加装专门的滤波器［6］。

4.4 静止无功发生器

静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗或者直接并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可使电路吸收或发出满足需求的无功电流，从而动态补偿无功功率。与静止补偿器相比，静止无功发生器响应速度更快、运行范围更宽，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中的谐波含量［7］，更为重要的是电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流，它的储能元件(如电容器)的容量远比它所提供的无功容量要小［1］。当然，正是由于静止无功发生器所具备的这些优势，决定了其具有复杂的控制方法及控制系统，并且需要采用数量较多的全控器件，由于其价格要比现在所用的普通晶闸管高得多，因此静止无功发生器的成本相对较高，这大大影响了它的普及性。

4.5 电力有源滤波器

电力有源滤波器(Active Power Filter，APF)其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。APF具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下:具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应;可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节;受电网电阻的影响不大，不容易和电网电阻发生谐振;且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

4.6 统一潮流控制器

统一潮流控制器(Unified Power Flowcontroller，UPFC)是灵活交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems，FACTS)中最有代表性的装置，它综合了许多FACTS器件的灵活控制手段，被认为是最有创造性的、功能强大的 FACTS元件［8，9］。它是由并联补偿的静止无功补偿器(STATCOM)和串联补偿的静止同步串联补偿器(SSSC)相结合组成的新型潮流控制装置。它可以分别或同时对电力系统的有功功率、无功功率、电压进行控制和调节，通过对交流输电系统进行实时控制和动态补偿，并可提高输送能力以及阻尼系统振荡。UPFC注入系统的无功是其本身装置控制和产生的，并不大量消耗或提供有功功率。UPFC技术是目前电力系统输配电技术的最新发展方向，对电网规划建设和运行将带来重要的影响。

5 结束语

通过本文分析可知，无功补偿可以提高电网的功率因数，对电网的节能降损，安全可靠运行有着极为重要的意义。在国家大力倡导节能减排的今天，根据实际情况合理进行无功补偿，将会带来更大的经济效益和社会效益。同时，随着现代电力电子技术的快速发展，无功补偿装置也必将朝着更加专业化、智能化的方向前进。

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