淺談電力系統(tǒng)中的無功補償

淺談電力系統(tǒng)中的無功補償淺談電力系統(tǒng)中的無功補償

中圖分類號：TM714文章編號：1009-2374〔2022〕16-0120-02DOI：10.13535/jki.11-4406/n.2022.16.058

在電力系統(tǒng)中運行的很多電氣設(shè)備如電弧爐、電動機、變壓器等，它們屬于既有電感又有電阻的感性負載，這些感性負載在正常運行中，會建立交變磁場，進行著“電〞“磁〞之間的轉(zhuǎn)換。這些電感性負載的電流和電壓向量之間存在著一個相位差，相位差的余弦cosφ即是功率因數(shù)，它是有功功率〔P〕與視在功率〔S〕之比。功率因數(shù)是電氣設(shè)備合理使用狀況及用電管理水平的一個重要技術(shù)指標，可以衡量電氣設(shè)備效率的上下。

交流電源提供的功率為視在功率〔S〕，視在功率不等于有功功率〔P〕也不等于無功功率〔Q〕。視在功率、有功功率和無功功率的關(guān)系可以用功率三角形來表示，如圖1所示：

功率三角形實際是一個直角三角形，兩個直角邊分別是有功功率和無功功率，斜邊為視在功率，有功功率和視在功率的夾角為功率因數(shù)角〔φ〕，它表示交流回路中電壓與電流之間的相位差。從以上功率三角形中可以看出，當設(shè)備的視在功率一定時，如果功率因數(shù)降低，有功功率也就隨之降低，此時無功功率就會增大，這樣線路及變壓器就會傳送更多的無功功率以滿足電網(wǎng)需求，從而降低了設(shè)備的利用率，也增加了電氣設(shè)備及線路中的損耗，因此電力系統(tǒng)必須采取無功補償?shù)拇胧?，以提高功率因?shù)。

1無功功率及無功補償?shù)母拍?/p>

在電力系統(tǒng)中，變壓器、電動機等一些電氣設(shè)備都是根據(jù)電磁感應原理工作的，當設(shè)備線圈流過交流電流時，在鐵芯中會產(chǎn)生交變磁通，在交變磁場的作用下，這些電氣設(shè)備才能進行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，建立磁場所需要的電流是電感性的，相位滯后電壓90度，屬于無功電流。因此為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率，無功功率并不會直接轉(zhuǎn)化為熱能或者機械能，它們并不是“無用〞的電功率，相反它們是電氣設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn)的一個必備條件。無功功率在電網(wǎng)中不會被耗費，它只是與電能一直進行著周期性轉(zhuǎn)換，并沒有真正耗費能量，因此這類功率通常稱之為無功功率，為保證電力系統(tǒng)能夠正常運行，電力系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。

電流在電感元件中做功時，電壓超前于電流90度，而電容器接入電力系統(tǒng)后，其電壓滯后電流90度，在同一電路中，流過電容設(shè)備的電流與流過電感設(shè)備的電流方向正好相反，相差180度，所以流過電容器的電流與用電設(shè)備建立磁場所需要的無功電流相位相反，可以互相抵消〔補償〕，從而使總電流減小，因此，在電力系統(tǒng)中，常把具有容性功率的裝置與感性負荷連接在同一電路中，通過容性設(shè)備與感性負荷之間的能量相互轉(zhuǎn)化，從而使感性負荷所需要的無功功率得到補償，也就是電力系統(tǒng)所說的無功補償。

2無功補償在電力系統(tǒng)中的應用

電力系統(tǒng)的功率平衡是指電力有功功率和無功功率的平衡，電能具有一個很重要的特點就是不能儲存，在任何時刻，電力系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸送、分配和耗費在功率上必須嚴格保持平衡，否那么電能質(zhì)量就不能保證。當系統(tǒng)供應的有功功率大于負載耗費的有功功率時，系統(tǒng)頻率就會升高，當系統(tǒng)供應的有功功率小于負載耗費的有功功率時，系統(tǒng)頻率就會降低。在電力系統(tǒng)中，電壓與無功功率也是一對統(tǒng)一體。當系統(tǒng)發(fā)出的無功功率大于負載所耗費的無功功率時，系統(tǒng)電壓就會升高，當系統(tǒng)發(fā)出的無功功率小于負載所耗費的無功功率時，系統(tǒng)電壓就會降低，無功功率嚴重缺乏時，會造成電力系統(tǒng)電壓急劇下降，可能會使系統(tǒng)瓦解，造成電網(wǎng)大面積停電。

因此在電力系統(tǒng)中，為保障供電質(zhì)量以及提高電氣設(shè)備利用率，電力系統(tǒng)會采用大量的無功補償裝置，為防止輸電系統(tǒng)長距離傳輸無功功率而增大無功損耗，電力系統(tǒng)根本在受電端安裝無功補償裝置即采用就地平衡的原那么以保證系統(tǒng)各樞紐變電站的電壓能夠滿足規(guī)定的要求。

3電力系統(tǒng)無功補償?shù)膸追N方式

近年來，隨著國民經(jīng)濟的開展，電力系統(tǒng)也得到快速的開展，尤其是大范圍的高電壓甚至特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的逐漸形成，負荷的增長對無功的需求也大幅度回升，因此無功功率的平衡也成為了更多人關(guān)注的焦點，無功補償裝置的多樣性及技術(shù)的先進性也得到了很大的提高。目前，我國電力系統(tǒng)主要有下列三種無功補償方式：

3.1并聯(lián)電容器和同期調(diào)相機

裝設(shè)并聯(lián)電容器是電力系統(tǒng)中補償無功功率最常用的辦法之一。并聯(lián)電容器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和原理簡單，安裝、運行以及維護方便，損耗低，效率高，缺點是只能補償固定的無功，不能夠連續(xù)調(diào)節(jié)，有時甚至會出現(xiàn)過補償現(xiàn)象，而且易與系統(tǒng)中的感性元件發(fā)生并聯(lián)諧振導致系統(tǒng)振蕩。由于電容器輸出的無功功率與系統(tǒng)電壓的平方成正比，當系統(tǒng)電壓降低時，電容器輸出的無功也將會隨之下降。比方，當系統(tǒng)電壓降低5%時，電容器輸出的無功功率將會下降10%左右，電容器無功功率輸出的減少將會導致電壓繼續(xù)下降，此時電容器就不能起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的作用。同期調(diào)相機在運行原理上相當于空載運行的同步電動機，通過改變同期調(diào)相機的勵磁電流，可以使同期調(diào)相機既能供應系統(tǒng)滯后的無功功率又能從系統(tǒng)吸收滯后的無功功率。所以同期調(diào)相機既可作為無功電源使用，也可作為無功負荷使用。同期調(diào)相機的優(yōu)點是能夠通過適當調(diào)整它的勵磁電流可以平滑地改變同期調(diào)相機所供應或吸收的無功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近于1。其主要缺點是投資大，而且由于同步調(diào)相機經(jīng)常運行在過勵磁狀態(tài)下，勵磁電流較大，其損耗也比擬大，發(fā)熱比擬嚴重，因此隨著電力電子技術(shù)的開展，同步調(diào)相機已很少使用。3.2靜止無功補償裝置〔SVC〕

隨著科學技術(shù)以及電力電子技術(shù)的開展，使用晶閘管的無功補償裝置在電力系統(tǒng)也得到了越來越廣泛的應用。靜止無功補償裝置包括晶閘管控制電抗器〔TCR〕和晶閘管投切電容器〔TSC〕。晶閘管投切電容器可以通過晶閘管的導通和關(guān)斷控制電容器數(shù)量的投切，從而到達可以改變向電網(wǎng)發(fā)出無功功率的大小。TSC由于通過電容的電流為一整個周期的正弦電流，所以不會產(chǎn)生高次諧波。SVC能夠平滑調(diào)節(jié)容性或感性無功功率，實現(xiàn)動態(tài)補償。SVC和傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器及同步調(diào)相機相比，它具有響應速度快、調(diào)節(jié)性能好、運行和維護費用較低的優(yōu)點。但是，無論何種型式的SVC，它之所以能夠補償電網(wǎng)的無功功率，主要依靠的是內(nèi)部電容器元件，但由于之前所說，電容器產(chǎn)生的無功功率與電容器所承受的電壓平方成正比，因此當電網(wǎng)電壓較低時，SVC仍然無法通過電容器增加無功功率的輸出，這是靜止無功補償裝置無法克服的缺陷。

3.3靜止無功發(fā)生器〔SVG〕

靜止無功發(fā)生器〔SVG〕是指采用全控型電力電子器件組成的橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置，其又稱靜止同步補償器〔STATCOM〕，其根本原理是利用可關(guān)斷大功率電力電子器件如絕緣柵雙極型功率管組成自換相橋式電路，并通過降壓變壓器或者其他電氣設(shè)備接入電力系統(tǒng)，通過控制橋式電路交流側(cè)電流或者適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，即可實現(xiàn)對電網(wǎng)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。SVG不僅可以發(fā)出電網(wǎng)所需的無功，還可以根據(jù)負荷的變化，吸收電網(wǎng)多余的無功。SVG裝置補償響應時間很短，可到達微秒級，因此能夠在極短時間通過改變運行參數(shù)實現(xiàn)對電網(wǎng)的動態(tài)無功補償。

SVG并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當于一個可控的無功電流源，它作為一個有源型補償裝置，還可以動態(tài)補償基波無功及各次諧波，SVG濾波性能不受系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，它比SVC裝置的調(diào)節(jié)速度更快，運行范圍從感性到容性都能實現(xiàn)，而且SVG不像SVC那樣需要大容量的電容、電感等儲能元件，因此SVG占地面積更小，并且它還具備分相調(diào)節(jié)的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)不對稱負荷的平衡補償，SVG對無功電流和電壓的控制精度也比SVC更高。SVG諸多的優(yōu)點使它成為新一代無功補償裝置的代表。隨著電力電子技術(shù)的日漸成熟，SVG在電力系統(tǒng)中的大量應用將會是電力系統(tǒng)無功補償?shù)拈_展趨勢。

4無功補償技術(shù)的開展趨勢

近年來，隨著電力電子技術(shù)的開展，動態(tài)無功補償裝置越來越廣泛地應用于電力系統(tǒng)中，用于提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性、提高功率因數(shù)以及改善用戶電能質(zhì)量。眾所周知，風能是一種清潔能源，但由于風資源的不確定性和風力發(fā)電機本身的運行特性，使風力發(fā)電機組的輸出功率是波動的，導致并網(wǎng)功率因數(shù)不合格、電壓偏差等問題。為解決風電場并網(wǎng)運行存在的電壓穩(wěn)定問題，各個風電場都采取了各種方式來提高風電場并網(wǎng)運行穩(wěn)定性，但SVG是目前最先進的無功補償技術(shù)，它在風電場的應用極大地補償了風電的無功功率以及對諧波的動態(tài)補償，提高了風電場電壓的穩(wěn)定性。

SVG可以克服傳統(tǒng)無功補償和諧波治理裝置存在的缺乏，為