浅析无功功率在电力系统的应用

□阎显伟(河南郑州供电公司)

浅析无功功率在电力系统的应用

□阎显伟(河南郑州供电公司)

无功功率对于提高电力系统供电质量、调整电网的电压、抑制系统谐波干扰，保证电网安全运行都有着十分重要的作用。文章简述了无功优化的概念，系统中控制无功的主要设备，并对无功功率的补偿方法及今后无功补偿技术发展的方向:无功功率动态自动无级调节,进行了探讨。

无功功率电力系统补偿平衡

1.无功功率的概念

在电力系统中有许多电力设备是依据电磁感应原理工作的，如变压器、电动机等设备都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。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。在电力系统中存在许多的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。因此无功功率对电网的安全运行具有重要的作用。

2.无功功率的补偿

无功功率在电网的传输中会引起损耗，但又是电力系统不可或缺的，这是由电网本身的运行规律决定的。无功功率在有效提高系统稳定性，保证电网的电压质量的同时，对系统供、用电也会产生一定的不良影响，大致表现为：

2.1 电网中无功功率的传输会引起电能损耗的增加。

2.2 输变电设备的视在功率一定时，无功功率增加，就要降低输变电设备的供电能力。

2.3 降低发电机有功功率的输出能力。

2.4 系统缺乏无功功率时就会造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。

为保证降低电网中流动的无功功率，提高功率因数，保证有功功率的充分利用，提高系统的供电效率和电压质量，减少线路损耗，通常在供配电系统中装设无功装置实现无功功率的就地补偿。补偿无功功率后，对电网和供电企业有如下影响：

2.4.1 无功补偿改善电能质量；

2.4.2 无功补偿降低电能损；

2.4.3 无功补偿挖掘发供电设备潜力；

2.4.3.1 在 设备容量不变的条件下，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。

2.4.3.2 如 需要的有功不变，则由于需要的无功减少，因此所需要的配变容量也相应地减少ΔS计算如下：ΔS＝S-S1＝P(1/cosφ-1/cosφ1)可以减少供电设备容量占原容量的百分比为ΔS/S计算如下：ΔS/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)。

2.4.3.3 安 装无功补偿设备，可使发电机多发有功功率。系统采取无功补偿后，使无功负荷降低，发电机就可少发无功，多发有功，充分达到额定出力。

2.4.4 无功补偿减少用户电费支出。

综上所述，无功功率对电力系统和供电企业有如此大的影响，而只靠发电机供给的无功功率，一般满足不了系统负荷的需要，所以在电网中的特定节点处要设置一些无功补偿设备来补充其区域的无功功率。无功功率补偿的原则是做到无功功率分层分区平衡，在无功负荷多，缺少无功功率的区域安装无功补偿装置，实现无功功率的就地补偿。这既满足了经济上的需要，也是电力系统无功功率的特征所必需的，以达到最佳补偿的目的，解决电力系统无功功率就地平衡的问题。

3.无功功率补偿方式

电力系统是一个典型的非线性大系统，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,大机组、重负荷、超高压远距离输电，大型互联网络的发展，以及对电力系统安全性、经济性及电能质量的高要求。负荷的快速增长对无功的需求也大幅上升,也使电网中无功功率不平衡,导致无功功率大量的存在。目前,我国电力系统无功功率补偿主要采用以下几种方式：

3.1 并联电容器

作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点：电容器的损耗低，效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0.02%左右。调相机除了本身的损耗外，其附属设备所消耗的损耗远高于电容器；调相机为旋转电机，运行维护很复杂，电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。因此，并联电容器是无功补偿领域中应用最广泛的无功补偿装置,但电容补偿只能补偿固定的无功,尽管采用电容分组投切相比固定电容器补偿方式能更有效适应负载无功的动态变化,但是电容器补偿方式仍然属于一种有级的无功调节,不能实现无功的平滑无级的调节。

3.2 并联电抗器

并联电抗器是一种感性无功补偿设备，它可以吸收系统中过剩的无功功率，避免电网运行电压过高。目前所用电抗器的容量是固定的,除吸收系统容性负荷外,用以抑制过电压。为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时，线路的充电功率造成线路电压升高，一般装设并联电抗器吸收线路的充电功率，同时，并联电抗器也用来限制由于突然甩负荷或接地故障引起的过电压从而危及系统的绝缘。

3.3 并联电抗器同步调相机

同步调相机类似于一个专门来产生无功功率的空载运行的同步电机，它可以安装励磁装置，当电网发生故障时，电压显著降低，调相机可以强制进行励磁，以保持电网电压稳定，从而提高了系统运行的稳定性，在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率而起无功电源的作用，能提高系统电压；在欠励磁进行时，它从系统吸收感性无功功率而起无功负荷的作用，可降低系统电压。

上述的几种补偿方式在实际生产运行中取得一定的效果,但也存在一些问题:

3.3.1 谐波干扰:电容器具有一定的抗谐波能力,但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响,甚至造成电容器的过早损坏;并且由于电容器对谐波有放大作用,因而使系统的谐波干扰更严重。

3.3.2 无功倒送:无功倒送在电力系统中是不允许的,特别是在负荷低谷时,无功倒送造成电压偏高。

3.3.3 补偿方式:目前很多电力部门对无功补偿的出发点就地补偿,不向系统倒送无功,即只注意补偿功率因素,不是立足于降低系统网的损耗。

3.3.4 电压调节方式的补偿设备带来的问题:有些无功补偿设备是依据电压来确定无功投切量的,线路电压的波动主要由无功量变化引起的,但线路的电压水平是由系统情况决定的,这就可能出现无功过补或欠补。

4.无功补偿技术的发展趋势

传统的无功补偿设备可满足一定范围内的无功补偿要求，但存在响应的速度慢，故障维护困难等缺点。静止无功补偿器((SVC)近年来获得了很大发展，己被广泛用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型代表是固定电容器十晶闸管控制电抗器(TCR)。晶闸管投切电容器也获得了广泛的应用。

除了在控制器件方面的改进，随着人工智能技术的不断发展，在控制方法上也有很大的进步。采用模糊神经网络、自适应控制等智能型控制方法，研制能同时对电压、无功功率、三相不平衡、谐波等进行综合调节和补偿控制的装置己经成为大家的共识。

目前，在城市配电网公用变压器低压侧，由于用户家用电器感性负载的不断增加，使得其功率因数较低，导致公用变压器低压侧线路损耗大，供电电压指标不能满足用户要求。因此，在公用变压器低压侧进行无功功率补偿己成为目前研究的另一个热门。

国外，城市、农村电网是否安装户外无功补偿己成为衡量配电网性能的主要指标之一。在日本，配电网系统户外补偿电容器的自动投切率己达86.4%；在美国，许多城市道路旁的电线杆上装有并联电容器组，并采用自动装置控制。

国内，无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。户外型无功自动补偿系统的研究正在起步，已有一些科研单位和公司推出了相应产品。

早期生产的低压网无功补偿控制器多选用分立的电子元件；80年代起发展为采用CMOS集成电路；近年来发展的新产品是以微处理器为核心的电脑型智能化产品，并根据用户需要开发出了一批多功能的新产品，可以获得优良的调节性能和某些独特的环节，使控制器更趋于完善。控制器电路设计和生产过程的完善化，对电子元件的老化试验和筛选，提高了控制器整体的工作可靠性和使用寿命，产品质量的档次得到提高。

目前主要存在问题是控制规律简单、抗干扰能力差，不能很好的解决无触点开关投切电容的问题，在三相不平衡条件下不能有效的进行无功补偿。同时由于户外工作环境相对恶劣，装置的可靠性和控制精度难以满足现场运行的要求。此外还不具备通讯功能，不能实现全电网的无功优化，不能对电能质量进行在线监视以满足现代化电力系统建设的需要。

在公用变低压侧进行无功功率补偿，现在对并联电容器的分组方式得到了共识。过去生产按等容量分组的控制器，后生产按1:2:4或1:2:4:8不等容量分组的控制器，调控补偿设备的容量分组分别为7级和15级。主要发展带逻辑电路“先投先切，后投后切”的等容量分组方式的控制器，以使各组并联电容器投入运行的时间大致均等，并可减少增减补偿容量过程中电容器的投切次数，但仍旧没有解决无级投切的问题。

随着高电压、大功率半导体器件的不断更新和发展，功率变换控制技术的日臻完善，极大地推动了电力电子技术在电力工业中的广泛应用，对增强电力系统运行的稳定性和安全性，提高输电能力和用电效率，以及在节能和改善电能质量等各方面都起着越来越重要的作用。专家们认为在21世纪，会有更多更新的高电压大功率半导体器件和装置投入电力工业的实际运行中，使目前基本不可控的系统变为灵活可控(称为柔性交流输电系统—FACTS)。

5.结语

由于无功补偿对电网完全、优质、经济运行具有重要的作用，因此合理选择无功补偿方案和补偿容量，能有效提高系统的电压稳定性，保证电网的电压质量，提高发输电设备的利用率，降低有功网损和减少发电费用。中国电网的规模巨大，无功补偿对降损节能，改善电压质量意义重大。随着大功率电力电子器件技术的高速发展,未来的功率器件容量将逐步提高,应用有源滤波器进行谐波抑制,以及应用柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿,必将成为今后电力自动化系统的发展方向。

2012-06-20