浅谈电力系统中的无功补偿

孙耀斌 赵朝

摘要：在电力系统中存在许多感性负荷和非线性装置，这些负荷需要消耗大量的无功功率。为了确保电力系统电压质量、降低电网损耗，在电力系统中必须采用大量的无功补偿装置。文章阐述了无功功率、无功补偿的概念以及无功补偿在电力系统的应用，并对电力系统常用的几种无功补偿方式进行了对比分析。

关键词：电力系统；无功补偿；无功功率；电压质量；电网损耗 文献标识码：A

中图分类号：TM714 文章编号：1009-2374（2016）16-0120-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.058

在电力系统中运行的很多电气设备如电弧炉、电动机、变压器等，它们属于既有电感又有电阻的感性负载，这些感性负载在正常运行中，会建立交变磁场，进行着“电”“磁”之间的转换。这些电感性负载的电流和电压向量之间存在着一个相位差，相位差的余弦cosφ即是功率因数，它是有功功率（P）与视在功率（S）之比。功率因数是电气设备合理使用状况及用电管理水平的一个重要技术指标，可以衡量电气设备效率的高低。

交流电源提供的功率为视在功率（S），视在功率不等于有功功率（P）也不等于无功功率（Q）。视在功率、有功功率和无功功率的关系可以用功率三角形来表示，如图1所示：

功率三角形实际是一个直角三角形，两个直角边分别是有功功率和无功功率，斜边为视在功率，有功功率和视在功率的夹角为功率因数角（φ），它表示交流回路中电压与电流之间的相位差。从以上功率三角形中可以看出，当设备的视在功率一定时，如果功率因数降低，有功功率也就随之降低，此时无功功率就会增大，这样线路及变压器就会传送更多的无功功率以满足电网需求，从而降低了设备的利用率，也增加了电气设备及线路中的损耗，因此电力系统必须采取无功补偿的措施，以提高功率因数。

1 无功功率及无功补偿的概念

在电力系统中，变压器、电动机等一些电气设备都是根据电磁感应原理工作的，当设备线圈流过交流电流时，在铁芯中会产生交变磁通，在交变磁场的作用下，这些电气设备才能进行能量的转换和传递，建立磁场所需要的电流是电感性的，相位滞后电压90度，属于无功电流。因此为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，无功功率并不会直接转化为热能或者机械能，它们并不是“无用”的电功率，相反它们是电气设备能够正常运转的一个必备条件。无功功率在电网中不会被消耗，它只是与电能一直进行着周期性转换，并没有真正消耗能量，因此这类功率通常称之为无功功率，为保证电力系统能够正常运行，电力系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。

电流在电感元件中做功时，电压超前于电流90度，而电容器接入电力系统后，其电压滞后电流90度，在同一电路中，流过电容设备的电流与流过电感设备的电流方向正好相反，相差180度，所以流过电容器的电流与用电设备建立磁场所需要的无功电流相位相反，可以互相抵消（补偿），从而使总电流减小，因此，在电力系统中，常把具有容性功率的装置与感性负荷连接在同一电路中，通过容性设备与感性负荷之间的能量相互转化，从而使感性负荷所需要的无功功率得到补偿，也就是电力系统所说的无功补偿。

2 无功补偿在电力系统中的应用

电力系统的功率平衡是指电力有功功率和无功功率的平衡，电能具有一个很重要的特点就是不能储存，在任何时刻，电力系统的生产、输送、分配和消耗在功率上必须严格保持平衡，否则电能质量就不能保证。当系统供给的有功功率大于负载消耗的有功功率时，系统频率就会升高，当系统供给的有功功率小于负载消耗的有功功率时，系统频率就会降低。在电力系统中，电压与无功功率也是一对统一体。当系统发出的无功功率大于负载所消耗的无功功率时，系统电压就会升高，当系统发出的无功功率小于负载所消耗的无功功率时，系统电压就会降低，无功功率严重不足时，会造成电力系统电压急剧下降，可能会使系统瓦解，造成电网大面积停电。

因此在电力系统中，为保障供电质量以及提高电气设备利用率，电力系统会采用大量的无功补偿装置，为避免输电系统长距离传输无功功率而增大无功损耗，电力系统基本在受电端安装无功补偿装置即采用就地平衡的原则以保证系统各枢纽变电站的电压能够满足规定的要求。

3 电力系统无功补偿的几种方式

近年来，随着国民经济的发展，电力系统也得到快速的发展，尤其是大范围的高电压甚至特高压输电网络的逐渐形成，负荷的增长对无功的需求也大幅度上升，因此无功功率的平衡也成为了更多人关注的焦点，无功补偿装置的多样性及技术的先进性也得到了很大的提高。目前，我国电力系统主要有以下三种无功补偿方式：

3.1 并联电容器和同期调相机

装设并联电容器是电力系统中补偿无功功率最常用的方法之一。并联电容器的优点是结构和原理简单，安装、运行以及维护方便，损耗低，效率高，缺点是只能补偿固定的无功，不能够连续调节，有时甚至会出现过补偿现象，而且易与系统中的感性元件发生并联谐振导致系统振荡。由于电容器输出的无功功率与系统电压的平方成正比，当系统电压降低时，电容器输出的无功也将会随之下降。比如，当系统电压降低5%时，电容器输出的无功功率将会下降10%左右，电容器无功功率输出的减少将会导致电压继续下降，此时电容器就不能起到稳定系统电压的作用。同期调相机在运行原理上相当于空载运行的同步电动机，通过改变同期调相机的励磁电流，可以使同期调相机既能供给系统滞后的无功功率又能从系统吸收滞后的无功功率。所以同期调相机既可作为无功电源使用，也可作为无功负荷使用。同期调相机的优点是能够通过适当调整它的励磁电流可以平滑地改变同期调相机所供给或吸收的无功功率，使电网的功率因数接近于1。其主要缺点是投资大，而且由于同步调相机经常运行在过励磁状态下，励磁电流较大，其损耗也比较大，发热比较严重，因此随着电力电子技术的发展，同步调相机已很少使用。

3.2 静止无功补偿装置（SVC）

随着科学技术以及电力电子技术的发展，使用晶闸管的无功补偿装置在电力系统也得到了越来越广泛的应用。静止无功补偿装置包括晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）。晶闸管投切电容器可以通过晶闸管的导通和关断控制电容器数量的投切，从而达到可以改变向电网发出无功功率的大小。TSC由于通过电容的电流为一整个周期的正弦电流，所以不会产生高次谐波。SVC能够平滑调节容性或感性无功功率，实现动态补偿。SVC和传统的并联电容器及同步调相机相比，它具有响应速度快、调节性能好、运行和维护费用较低的优点。但是，无论何种型式的SVC，它之所以能够补偿电网的无功功率，主要依靠的是内部电容器元件，但由于之前所说，电容器产生的无功功率与电容器所承受的电压平方成正比，因此当电网电压较低时，SVC仍然无法通过电容器增加无功功率的输出，这是静止无功补偿装置无法克服的缺陷。

3.3 静止无功发生器（SVG）

静止无功发生器（SVG）是指采用全控型电力电子器件组成的桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，其又称静止同步补偿器（STATCOM），其基本原理是利用可关断大功率电力电子器件如绝缘栅双极型功率管组成自换相桥式电路，并通过降压变压器或者其他电气设备接入电力系统，通过控制桥式电路交流侧电流或者适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，即可实现对电网动态无功补偿的目的。SVG不仅可以发出电网所需的无功，还可以根据负荷的变化，吸收电网多余的无功。SVG装置补偿响应时间很短，可达到微秒级，因此能够在极短时间通过改变运行参数实现对电网的动态无功补偿。

SVG并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，它作为一个有源型补偿装置，还可以动态补偿基波无功及各次谐波，SVG滤波性能不受系统参数变化的影响，它比SVC装置的调节速度更快，运行范围从感性到容性都能实现，而且SVG不像SVC那样需要大容量的电容、电感等储能元件，因此SVG占地面积更小，并且它还具备分相调节的能力，能够实现不对称负荷的平衡补偿，SVG对无功电流和电压的控制精度也比SVC更高。SVG诸多的优点使它成为新一代无功补偿装置的代表。随着电力电子技术的日渐成熟，SVG在电力系统中的大量应用将会是电力系统无功补偿的发展趋势。

4 无功补偿技术的发展趋势

近年来，随着电力电子技术的发展，动态无功补偿装置越来越广泛地应用于电力系统中，用于提高电网电压稳定性、提高功率因数以及改善用户电能质量。众所周知，风能是一种清洁能源，但由于风资源的不确定性和风力发电机本身的运行特性，使风力发电机组的输出功率是波动的，导致并网功率因数不合格、电压偏差等问题。为解决风电场并网运行存在的电压稳定问题，各个风电场都采取了各种方式来提高风电场并网运行稳定性，但SVG是目前最先进的无功补偿技术，它在风电场的应用极大地补偿了风电的无功功率以及对谐波的动态补偿，提高了风电场电压的稳定性。

SVG可以克服传统无功补偿和谐波治理装置存在的不足，为电网或用电负荷提供快速、连续有缘动态无功补偿和谐波滤波，可有效提高电网电压暂态稳定性、抑制母线电压突变，补偿系统不平衡负荷，而且能够提高电力系统功率因数。因此，发展SVG装置具有巨大的社会效益，对国民经济的发展具有重要意义。SVG技术代表了现阶段无功补偿、谐波治理、电能质量控制的发展趋势，随着电力电子技术以及电网运行水平的发展，SVG必将在电力系统中得到广泛的应用。

参考文献

[1] 刘桂英.静止无功补偿装置技术[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] 天津市电力公司.变电运行现场操作技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[3] 王兆安，刘建军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2005.