电力系统无功补偿技术研究

摘要：现代电网中，电动机等感性负荷占据相当大比重。它们在消耗有功功率的同时，也需要吸收大量无功功率。无功功率的出现不仅导致发电机出力下降，降低了输配电设备效率，而且还增大了网损，严重影响供电质量。因此，大力提高电网功率因数，降低线损，节约能源，挖掘发电设备的潜力，是当前电力系统发展的趋势。

关键词：电力系统；无功功率；补偿技术

中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0138-02

目前，美国电力主网设备的功率因数已接近于1，原苏联法律规定功率因素应大于0.92，日本等国还建立了全国性的无功管理委员会，研究无功补偿方面的技术经济政策。但是，一方面，增容投资大，施工工程量大，周期长；另一方面，由于末端无功仍需由低压侧集中补偿系统提供，输电线路利用效率仍然较低。因此，有效减小线路无功电流，不仅增大了有功输送能力，而且有利于降低变压器低压侧到末端负荷间的线路损耗，改善末端电压质量。研究开发线路终端用无功功率补偿装置具有明确的经济意义和社会效益。

近30年来，由于超高压远距离输电系统的发展，电网中无功功率的消耗也日益增大。低压电网中，随着居民生活水平的提高和家用电器的普及，以及小工业用户的增多，电网的功率因数大都比较低，尤其是电力电子装置的应用日益广泛，而大多数电力电子装置的功率因数很低，造成电网供电质量下降，也给电网带来额外负担。因此，利用无功补偿技术正成为当前世界各国电力设计及决策人员的共识，无功补偿装置的投资已被列入电力投资的整体规划中，成为一个不可缺少的环节。

无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。当无功功率不足时，将降低发电机的有功功率输出，使电源设备的利用率下降，而且，使电力线路的电压损失加大，造成电能质量下降，还使供电系统损耗加大，造成了能源的损失。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的，因此，简单地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现，而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。显然，这些无功功率如果都由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。

传统的无功功率补偿装置主要为同步调相机和并联电容器。同步调相机虽然能进行动态补偿，但它属于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，目前在现场仍有使用，但在技术上已显落后。并联电容器补偿简单经济，灵活方便，有取代同步调相机的趋势，但只能补偿固定无功，还可能与系统发生并联谐振，导致谐波放大。目前在我国仍是主要的无功补偿方式。

随着现代电力电子技术在电气传动领域的广泛应用，相控技术、脉宽调制等技术被引入到电力系统，与传统电力系统控制技术相结合，产生了近几年出现的新技术/柔性交流输电系统（Flexible ACT ransmission System-FACTS），其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中，以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力。FACTS的多个类型都具有谐波抑制和无功补偿能力。静止无功补偿（Static Var Compensator-SVC）是它的一个类型，静止无功补偿技术是20世纪70年代以后发展起来的，是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有发出和吸收无功电流的能力，用于提高系统的功率因数和稳定系统电压等。目前这种开关主要是交流接触器和电力电子开关。但用接触器来投切会出现巨大的冲击涌流，而且闭合时触头微动导致电弧烧损严重，现在静止无功补偿器一般专指使用晶闸管的无功补偿设备。晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）和晶闸管控制电抗器（Thyristor Control Reactor-TCR）是其典型代表。TSC补偿器可以很好地补偿系统所需的无功功率，如果级数分得够细，基本上可以实现无级调节，瑞典某钢厂的两台1O0t电弧炉安装60Mvar的TSC后，有效的使130kV电网的电压保持在1.5%的波动范围。TCR是用来吸收系统的无功功率的。瑞士勃郎·鲍威利公司已造出此种补偿器用于高压输电系统的无功补偿。此外，SVC还包括TSC+TCR混合型的补偿器，我国平顶山至武汉凤凰山5OOkV变电站引用进口的无功补偿设备就是TSC+TCR型。目前国内外对SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段也被引入SVC控制系统，使SVC系统的性能更加提高。世界上已投运的输电用SVC大约150套，我国运行于500kV输电系统的也有5台，型式为TCR+TSC，均为进口设备，国内工业应用的TCR装置大约有20套，其中一小半为国产设备，低压380V供电系统有各类TSC型国产无功补偿设备在运行。

目前国内外对SVC的建模、控制模式、结构设计和不对称控制等做了很多研究，但目前还有很多理论和实际运用的问题尚待解决。而且其控制复杂，所用的全控器件价格昂贵，所以目前还没有普及，尤其在我国，大功率电力电子器件目前基本依赖进口，成本太高，根据我国国情，此类装置的实用化尚需相当长的一段时间。而低压无功补偿中要求装置体积小、重量轻、结构简单易于安装和维护，因此TSC和TCR装置非常适合于在无功就地补偿领域推广。但SVC具有调节速度更快且不需大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小等诸多优点，其优越性能必将使其成为未来无功补偿设备的重要发展方向。美国电力研究院还提出统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller-UPFC），集并联补偿、串联补偿、移相等多种功能于

一身。

人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却不是轻而易举的。在正弦电路中，无功功率定义为电压和电流的有效值与它们之间夹角的正弦值的乘积，即Q=UIsin，习惯上认为它是由电路中的储能元件引起的。在交流电一周期的一部分时间内，储能元件从电源吸收能量，另一部分时间内将能量返回电源，理想的无损失储能元件在整个周期平均功率是零。在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义。当电力系统中用电设备吸收的无功功率太多时，将会使功率因数严重偏低，对电网及负载产生不利影响。

传统的功率定义大都是建立在平均值的基础上的。单相正弦电路或三相对称正弦电路中，利用传统概念定义的有功功率、无功功率、视在功率和功率因素等概念都很清楚。但当电压或电流中含有谐波时，或三相电路不平衡时，功率现象比较复杂，传统概念无法正确地对其进行解释和描述。

新的理论往往是解决了前人未解决好的问题，同时却又存在另一些不足，或引出了新的待解决的问题。现有的功率理论可分为三大类，第一类适用于谐波和无功功率的辨识；第二类适用于谐波和无功功率的补偿与抑制，包括无功功率的控制、装置的原理和设计；第三类适用于仪表测量和电能的管理、收费。

迄今为止的各种功率理论只是较好地解决了上述一两个方面的问题，而未能满足所有要求。Depenbrock的工作对无功功率的辨识起了较大的促进作用，赤木泰文等人提出的瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题，对谐波和无功补偿装置的研究和开发起到了很大的推动作用，在解决第一类和第三类问题时遇到困难，对于第三类理论的研究虽然取得了一定成果，但至今未能取得较大突破。

本文分析了目前电力系统无功补偿技术的现状，对国内外一些有关无功补偿理论和技术进行了分析，提出了需要解决的问题和难题。

参考文献

[1] 王兆安，杨军，刘进军.谐波抑制和无功功率补

偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

[2] 靳龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术[M].北

京：中国水利水电出版社，1997.

作者簡介：尹敏杰（1984—），男，河南扶沟人，漯河市中心医院助理工程师，研究方向：电气工程。