电力系统的无功功率平衡和电力用户的无功补偿和滤波

蒋作权

（芜湖融汇化工有限公司，安徽 芜湖241022）

电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接影响。无功功率是影响电压质量的一个重要因素，电压质量与无功是密不可分的，电压问题本质上就是一个无功问题。解决好无功补偿和谐波问题，对稳定电压、节能降耗具有十分重要的意义。

1 电力系统无功功率的平衡

电压是衡量电能质量的主要指标。电力系统的运行电压水平与无功功率的平衡密切相关：电力系统的无功电源比较充足，系统就有较高的运行电压水平；反之，无功不足就反映为运行电压水平偏低。因此，应该力求实现在额定电压下的电力系统无功功率的平衡。

电力系统中大量的负荷需要无功，如变压器和电动机，同时网络元件也会有无功功率损耗。因此，电源所发出的无功功率在任何时刻都必须满足负荷所需的无功功率和网络中的无功功率损耗。这就要保持电力系统无功功率的平衡，否则电压就会离额定值[1]。

2 电力系统中的无功电源

电力系统中的无功电源，除了发电机外，还有同步调相机、并联电容器装置、静止无功补偿器和静止同步补偿器，后4 种装置称为无功补偿装置。

发电机既是唯一的有功电源，同时也是最基本的无功电源。在不影响有功功率平衡的前提下，改变发电机的功率因数（通过改变励磁电流），可以调节其无功功率的输出，从而调整系统的运行电压。当然，发电机的无功功率输出要受其P—Q 运行极限的限制。改变发电机运行中的功率因数时，要注意到发电机运行的条件约束。

同步调相机实质上是只发无功功率的同步发电机，在过励磁运行时向系统供给感性无功功率成为无功电源；在欠励磁运行时从系统吸取感性无功功率成为无功负荷。因此改变同步调相机的励磁，可以平滑地改变其输出（或吸收）的无功功率，从而平滑地调节所在地区电压。

同步调相机是早期的无功功率补偿方法，已实际应用数十年，在电压和无功功率控制中发挥了非常重要的作用，同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态的连续补偿，而且对于容性、感性无功功率均能起到补偿的作用。但由于其自身的诸多缺点，使其应用越来越少，目前已基本遭淘汰，被新的补偿方式所取代。

并联电容器及其装置，只能向系统供给感性无功功率，而不能吸收无功功率，它所供出的感性无功率QC与所在节点的电压U 的平方成正比，即

在各种无功功率补偿方法中，并联电容器由于其简单的结构，方便、灵活的安装方法，较低的运行费用和低廉的产品价格等方面的特点，已使其成为当今无功功率补偿技术中使用的主导产品。尤其是随着电容器制造技术的日益成熟，其质量水平、寿命等级、安全运行可靠性等指标得以大大提高；品种、规格也越来越齐全，为补偿装置的设计和制作带来了极大的便利。故由其为主体制作的各种电容器补偿和滤波成套装置的应用领域也越来越广泛，已逐步取代了传统的同步调相机。

静止无功补偿装置（静止补偿器SVC）是一种技术先进、调节性能好的动态无功功率补偿设备，主要由并联电容器组、可调电抗器及检测与控制系统3 部分组成。

由并联电容器与相控电抗器并联组成。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，再配以调控电抗器的电力电子调节装置，就成为能够平滑改变输出或吸收无功功率的静止补偿器[1]。

静止同步补偿器，又名静止无功发生器SVG。由于其开关器件为IGBT，所以其动态补偿效果是早期的同步调相机、并联电容器等无功补偿装置不能比拟的，静止同步补偿前以其较低谐波，较高的效率，较快速的动态响应，成为现代柔性交流输电系统中的重要设备。该装置主要用来补偿电网中频繁波动的无功功率，抑制电网闪变和谐波，提高电网的功率因数，改善配电网的供电质量和使用效率，进而降低网络损耗，有利于延长输电线路的使用寿命。

3 电力系统的电压降

引起供电线路电压偏移的直接原因是线路和变压器的电压损耗，若能减少网络的电压损耗，电力系统的电压质量就会不同程度地得到改善。电压损耗近似等于电压降落的纵分量，即，当网络参数R、X 和运行电压U 确定时，影响电压损耗大小的因素就是通过网络的有功功率P 和无功功率Q。众所周知，建立电力网的目的就是为了最大限度地输送有功功率，因而为了减少电压损耗而改变有功功率分布或减少有功功率的输出是不合理的。从改善电压质量和降低网络功率损耗考虑，应该尽量减少通过电网元件长距离和跨电压级传送无功功率，负荷所需的无功功率应尽量就地供应[1]。因此，在电力用户处合理地配置无功补偿容量，可以改变网络通过的无功功率，减少网络中的电压损耗，从而改善用户处的电压质量[1]。

厂矿、企业都采用并联电容器补偿，就是把电容器直接与被补偿设备并接到同一电路上，以提高功率因数cos φ。电容器作为补偿装置，具有安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小（每kvar 功率损耗约为0.3%～0.5%）等优点，是当前国内外广泛采用的补偿方法。

4 供电公司对功率因数的奖罚措施

对供电公司来说，功率因数是衡量电能利用率的重要标志之一。功率因数低就是电源提供的电能质量低，同时也意味着用电设备可用的有效功率低，会增加系统电路上的损耗。因此，供电公司对功率因数采取奖罚措施。

（1）1996 年4 月1 日施行的《供用电营业规则》第四十一条规定：无功电力应就地平衡。用户应在提高用电自然功率因数的基础上，按有关标准设计和安装无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功电力倒送。

除电网有特殊要求的用户外，用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数，100 kVA及以上高压供电的用户功率因数为0.90 以上。凡功率因数不能达到上述规定的新用户，供电企业可拒绝接电。功率因数调整电费办法按国家规定执行。

（2）安徽电网的电费构成和功率因数调整电费办法。安徽电网的电费构成是：大工业电费=基本电费+电量电费+功率因数调整电费。基本电费有2 种方式：一种按接入电网的变压器总容量（≥315 kVA）按月收取；另一种按电费计量点的最大需用负荷按月收取。

根据《安徽省电价说明》，电量电费按峰、谷、平的实际电量乘以相应单价收取。 功率因数调整电费=（基本电费+电量电费）×功率因数调整系数%。大工业用户功率因数调整系数%规定见表1。

表1 大工业用户功率因数调整系数%规定

因此，对于大工业用户来说，若功率因数达到0.95及以上，只要几个月的奖励电费就能收回电容补偿装置的投资。合理配置电容器不但获得了供电公司的电费奖励；更重要的是，提高了变压器和电动机的有功出力、减少了线路和变压器的电能损失和电压损失，获得了看不见的经济效益。

5 并联电容器提高功率因数的原理和电容器容量的计算

5.1 并联电容器提高功率因数的原理

在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流I˙R与电压U˙同相位；纯电感负载中的电流I˙L滞后电压90°；纯电容的电流I˙C超前于电压U˙90°。电容中的电流与电感中的电流相差180°，能够互相抵消。电力系统中的负载，大都是感性的，因此总电流I1将滞后电压一个角度α1，如果将电容器与负载并联，则电容器的电流IC将抵消一部分电感电流，从面使电感电流IL减小到IL，总电流从I1减小到I，功率因数则从cos α1提高到cos α2，这就是并联补偿的原理。电容补偿原理见图1。

图1 电容补偿电路原理图

5.2 电容器补偿容量的计算[2～3]

按提高功率因数确定补偿容量的方法简单明确，为国内外所通用。根据功率补偿图中的功率之间的向量关系，可求出无功补偿容量QC：

式中：QC—所需补偿容量，kvar；P—最大负荷月的平均有功功率，kW；tg α1、P tg α2—补偿前后功率因数角的正切值；cos2α1、cos2α2—补偿前后功率因数值。

集中补偿均采取此方法进行计算。

按感应电动机的空载电流确定补偿容量。感应电动机个别补偿时，应按其空载电流确定补偿容量，其计算公式为：

Ue—电动机的额定电压，kV；

I0—电动机的空载电流，A。

由于一般感应电动机的空载电流I0约占额定电流的25%～40%，因此，单台电动机的无功补偿容量为相应为其额定功率的25%～40%。

6 电力用户的电容补偿装置

无功补偿装置补偿类型的选择是最重要的环节，选型正确与否直接影响补偿装置的效率和可靠性。补偿类型的关键选型依据是系统的谐波污染程度，由于配电系统中非线性负载越来越多的被使用，其带来的谐波污染问题日益严重，而无功补偿电容器是配电设备中受谐波危害最大的设备之一，谐波不仅会造成电容器过载，乏值降低，缩短使用寿命，还可能造成电网谐振，发生严重的电气事故，另外，不正确的补偿类型选择还会造成谐波放大，进一步加剧配电网谐波污染程度。因此，必须根据谐波污染程度选择正确的无功补偿和滤波装置。

6.1 低压自动无功补偿装置（AC0.4 kV）

低压自动无功补偿装置按电容器组投切方式分为：接触器投切电容器，晶闸管投切电容器（TSC）和复合开关投切电容器。

（1）利用接触器进行投切电容器，响应时间为10～30 s。适用于无功量比较稳定，不需频繁投切电容补偿的场合，由于响应速度慢，接触器开关寿命短，正在逐步退出市场；

（2）利用晶闸管进行投切电容器，由于采用过零投切原理，TSC 开关响应时间为10～20 ms，适用于快速频繁投切电容补偿的场合；

（3）复合开关投切电容器，复合开关的工作原理是将晶闸管和继电器并联，晶闸管过零时投切电容器，在正常接通期间由接触器接通。利用复合开关进行投切电容器，在0.5 s 内能完全自动跟踪调节投切。适用于一般工厂、小区低压供电；

（4）智能电力电容器，采用模块化结构，将控制部分，投切开关、电容器3 部分组成一个整体，在结构上突破了现有低压无功补偿设备，实现了分散控制、集中管理的新模式。分散控制的实时投切增加了补偿系统的稳定性，过零控制减少涌流对系统电压的冲击，对稳定系统电网、降低设备损耗和提高电容器的使用寿命，并对节能环保意义重大，适应了现代电网对无功补偿的更高要求。

6.2 高压自动无功补偿装置

主要适用范围于3～66 kV 高压系统，根据电网功率因数和系统电压分级投切电容器进行无功补偿。装置主要元器件有高压无功补偿控制器、高压电力电容器、 串联电抗器和高压交流真空接触器等，串接一定电抗率的电抗器主要抑制合闸涌流，抑制或消除谐波对用户的干扰，消除对普通电容的谐波放大，杜绝谐振。该装置主要应用于3～66 kV 高压系统。

6.3 高压动态无功补偿装置（MCR）

高压动态无功补偿装置（MCR）同并联电容器和磁控电抗器组成，是采用直流励磁原理，利用附加直流励磁磁化铁芯，改变铁芯磁导率，实现电抗值的连续可调，改变电抗器感抗电流，以投入的电抗器感性无功容量变化来补偿系统容性无功。当系统无功过剩时，补偿电容器发出的容性无功由磁控电抗器吸收；当缺乏无功时，磁控电抗器容量减少，由补偿电容器提供容性无功。该装置主要应用于3～66 kV高压系统，主要元器件有高压无功补偿控制器、磁控电抗器、高压电力电容器、串联电抗器和高压交流真空接触器等组成。高压动态无功补偿装置（MCR）响应时间小于100 ms，能够进行系统功率因数锁定，功率因数锁定可设置范围：0.95～0.99，不会出现过补偿和欠补偿现象[5]。

6.4 静止同步无功补偿装置

同步无功补偿装置是以三相大功率变流器为核心，其输出电流通过电流器接入系统，与系统保持同频同相，通过调节其输出电流相应与系统电流相位的关系来确定其输出功率的性质，容性无功或感性无功。该装置在快速连续的补偿调整系统无功功率的同时，还可以显著改善与电网连接处的电能质量，克服三相不平衡，消除电压闪变和电压波动，抑制谐波污染等。

7 电力用户抑制和消除谐波的措施

抑制和消除谐波，主要是消除幅值较高的谐波电压和谐波电流，使电网电压畸变率和注入电网的谐波电流限制在标准规定的范围内。目前，对抑制和消除谐波的成熟技术有：选择承受谐波能力与谐波源相适应的供电网站；合理配置整流装置的等效相数；避免电力电容器组对谐波的放大；装设交流电力滤波装置。对一般电力用户来说，主要是后面2 种。

7.1 避免电力电容器组对谐波的放大

防止移相电容器过电流和过电压的措施，除限制电网电压波形畸变外，一般可在电容器回路中串联一组电抗器，其感抗值的选择应该在可能产生的任何谐波下均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗，从根本上消除了了产生谐振的可能。电抗器感抗值XL按下式计算[3]：

式中：K—可靠系数；XC—移相电容器的工频电抗；h—可能产生的最低谐波次数。

由此可见，脉波数高的整流电路，装设移相电容器时，串联电抗器的感抗小得多，但考虑到非特征谐波的影响， 通常电抗器的电抗值必须为电容器组容抗值的6%，即需在电容器回路串联6%的电抗器。

7.2 装设交流电力滤波装置

治理谐波应抑制与消除相结合，当采用抑制措施后，用户的谐波电流或电压畸变仍超出规定时，可装设适当的电力滤波装置，使幅值较高的谐波电流等到有效的消除[3]。滤波器类型如下：

（1）调谐滤波电容器组。在功率补偿电容器前串上调谐电抗器，使之调谐在某一特定频率。这样，对于基波而言，补偿设备呈容性，可以正常进行无功补偿；对于谐波而言，补偿设备呈感性，使得谐振不能发生。这种情况下，大部分谐波电流流入电网，仅有少量流入电容器组，见图2。

图2 调谐滤波电容器组

（2）无源滤波器。电容元件与电感元件按照一定的参数配置，一定的拓扑结构连接，可形成无源滤波器，能够有效滤除某次或某些次的谐波。理论上讲，当某次谐波滤波器调谐到该次谐波频率时，滤波器所呈现的阻抗为零，因而能够全部吸收该次谐波，见图3。

图3 无源滤波装置

无源滤波装置特点

a.结构简单，价格及维护费用低；b.设计适当时，滤波效果可以达到要求；c.兼无功补偿功能，适用于原来功率因数较低的场合；d.有节能效果，一定条件下可能节能10%以上；e.设计不合理时会产生谐波放大，严重的可影响系统安全。

（3）有源滤波装置。有源电力滤波器的补偿原理是利用检测单元对负荷产生的畸变量进行检测，然后由控制单元产生控制信号，对大功率的电力电子器件IGBT 进行控制，由IGBT 逆变器产生一个与畸变量幅值相等，相位相反的补偿量，畸变量和补偿量互相抵消，在系统侧的电压电流波形得到良好的改善。也就是谙，有源滤波器采用与交流滤波器完全不同的原理，通过产生与补偿谐波形状一致、相位相反的电流，来抵消非线性负荷产生的谐波电流，以使谐波不会流入公共供电回路，达到消除谐波净化电网的目的，见图4。

图4 有源滤波装置

有源滤波器特点：a.滤波效果好；b.不会产生谐波放大；c.不产生无功，适用于原来功率因数较高的场合；d.结构复杂，价格及维护费用较高；e.不节能，反而耗能。

8 结语

该厂先后3 次建设的整流装置等效脉波数依次为12 脉波、24 脉波和48 脉，谐波不超标，不需安装电力滤波装置；在380 V、10 kV 和35 kV 母线上均安装有电容补偿装置，考虑非特征谐波的存在，电容器均串联6%电抗器。目前，电容补偿装置运行良好，功率因数为0.95～0.97，供电公司每月奖励电费十几万元。配置合理无功补偿装置不仅能够提高功率因数，解决功率因数考核，还能够降低变压器及线路损耗，增大主变带载能力，因此，无功补偿装置在工矿企业中体现出重大的经济力量，得到越来越多企业的重视。

无功功率补偿和谐波治理技术是当前乃至今后相当长的时期内，缓解电力供需矛盾，改善供电质量的一种行之有效的手段之一，经广泛推广应用后，能为国家和用户带来巨大的经济效益和良好的社会效益。

［1］张炳达.注册电气工程师执业资格考试专业基础考试复习教程.天津大学出版社，308－311.

［2］廖秀华.电化学整流实用技术手册.中国氯碱工业协会,228－230.

［3］全国统一编写进网作业电工培训教材.下册.辽宁科学技术出版社,2－12.