電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)研究

摘要：現(xiàn)代電網(wǎng)中，電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)荷占據(jù)相當(dāng)大比重。它們?cè)谙挠泄β实耐瑫r(shí)，也需要吸收大量無(wú)功功率。無(wú)功功率的出現(xiàn)不僅導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出力下降，降低了輸配電設(shè)備效率，而且還增大了網(wǎng)損，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。因此，大力提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低線損，節(jié)約能源，挖掘發(fā)電設(shè)備的潛力，是當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；無(wú)功功率；補(bǔ)償技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）16-0138-02

目前，美國(guó)電力主網(wǎng)設(shè)備的功率因數(shù)已接近于1，原蘇聯(lián)法律規(guī)定功率因素應(yīng)大于0.92，日本等國(guó)還建立了全國(guó)性的無(wú)功管理委員會(huì)，研究無(wú)功補(bǔ)償方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。但是，一方面，增容投資大，施工工程量大，周期長(zhǎng)；另一方面，由于末端無(wú)功仍需由低壓側(cè)集中補(bǔ)償系統(tǒng)提供，輸電線路利用效率仍然較低。因此，有效減小線路無(wú)功電流，不僅增大了有功輸送能力，而且有利于降低變壓器低壓側(cè)到末端負(fù)荷間的線路損耗，改善末端電壓質(zhì)量。研究開發(fā)線路終端用無(wú)功功率補(bǔ)償裝置具有明確的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效益。

近30年來(lái)，由于超高壓遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)中無(wú)功功率的消耗也日益增大。低壓電網(wǎng)中，隨著居民生活水平的提高和家用電器的普及，以及小工業(yè)用戶的增多，電網(wǎng)的功率因數(shù)大都比較低，尤其是電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，而大多數(shù)電力電子裝置的功率因數(shù)很低，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，也給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)。因此，利用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)正成為當(dāng)前世界各國(guó)電力設(shè)計(jì)及決策人員的共識(shí)，無(wú)功補(bǔ)償裝置的投資已被列入電力投資的整體規(guī)劃中，成為一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)。

無(wú)功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)荷的運(yùn)行都是十分重要的。當(dāng)無(wú)功功率不足時(shí)，將降低發(fā)電機(jī)的有功功率輸出，使電源設(shè)備的利用率下降，而且，使電力線路的電壓損失加大，造成電能質(zhì)量下降，還使供電系統(tǒng)損耗加大，造成了能源的損失。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的，因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)，而為了輸送無(wú)功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。顯然，這些無(wú)功功率如果都由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。

傳統(tǒng)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置主要為同步調(diào)相機(jī)和并聯(lián)電容器。同步調(diào)相機(jī)雖然能進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，但它屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行中的損耗和噪聲都比較大，目前在現(xiàn)場(chǎng)仍有使用，但在技術(shù)上已顯落后。并聯(lián)電容器補(bǔ)償簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，靈活方便，有取代同步調(diào)相機(jī)的趨勢(shì)，但只能補(bǔ)償固定無(wú)功，還可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。目前在我國(guó)仍是主要的無(wú)功補(bǔ)償方式。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，相控技術(shù)、脈寬調(diào)制等技術(shù)被引入到電力系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)控制技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)/柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible ACT ransmission System-FACTS），其本質(zhì)就是將高壓大功率的電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，以增強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)的控制能力，提高原有電力系統(tǒng)的輸電能力。FACTS的多個(gè)類型都具有諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償能力。靜止無(wú)功補(bǔ)償（Static Var Compensator-SVC）是它的一個(gè)類型，靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來(lái)的，是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有發(fā)出和吸收無(wú)功電流的能力，用于提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓等。目前這種開關(guān)主要是交流接觸器和電力電子開關(guān)。但用接觸器來(lái)投切會(huì)出現(xiàn)巨大的沖擊涌流，而且閉合時(shí)觸頭微動(dòng)導(dǎo)致電弧燒損嚴(yán)重，現(xiàn)在靜止無(wú)功補(bǔ)償器一般專指使用晶閘管的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）和晶閘管控制電抗器（Thyristor Control Reactor-TCR）是其典型代表。TSC補(bǔ)償器可以很好地補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無(wú)功功率，如果級(jí)數(shù)分得夠細(xì)，基本上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，瑞典某鋼廠的兩臺(tái)1O0t電弧爐安裝60Mvar的TSC后，有效的使130kV電網(wǎng)的電壓保持在1.5%的波動(dòng)范圍。TCR是用來(lái)吸收系統(tǒng)的無(wú)功功率的。瑞士勃郎·鮑威利公司已造出此種補(bǔ)償器用于高壓輸電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償。此外，SVC還包括TSC+TCR混合型的補(bǔ)償器，我國(guó)平頂山至武漢鳳凰山5OOkV變電站引用進(jìn)口的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備就是TSC+TCR型。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)SVC的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等智能控制手段也被引入SVC控制系統(tǒng)，使SVC系統(tǒng)的性能更加提高。世界上已投運(yùn)的輸電用SVC大約150套，我國(guó)運(yùn)行于500kV輸電系統(tǒng)的也有5臺(tái)，型式為TCR+TSC，均為進(jìn)口設(shè)備，國(guó)內(nèi)工業(yè)應(yīng)用的TCR裝置大約有20套，其中一小半為國(guó)產(chǎn)設(shè)備，低壓380V供電系統(tǒng)有各類TSC型國(guó)產(chǎn)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在運(yùn)行。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)SVC的建模、控制模式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和不對(duì)稱控制等做了很多研究，但目前還有很多理論和實(shí)際運(yùn)用的問(wèn)題尚待解決。而且其控制復(fù)雜，所用的全控器件價(jià)格昂貴，所以目前還沒有普及，尤其在我國(guó)，大功率電力電子器件目前基本依賴進(jìn)口，成本太高，根據(jù)我國(guó)國(guó)情，此類裝置的實(shí)用化尚需相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。而低壓無(wú)功補(bǔ)償中要求裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于安裝和維護(hù)，因此TSC和TCR裝置非常適合于在無(wú)功就地補(bǔ)償領(lǐng)域推廣。但SVC具有調(diào)節(jié)速度更快且不需大容量的電容、電感等儲(chǔ)能元件，諧波含量小，同容量占地面積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)越性能必將使其成為未來(lái)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的重要發(fā)展方向。美國(guó)電力研究院還提出統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow Controller-UPFC），集并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、移相等多種功能于

一身。

人們對(duì)有功功率的理解非常容易，而要深刻認(rèn)識(shí)無(wú)功功率卻不是輕而易舉的。在正弦電路中，無(wú)功功率定義為電壓和電流的有效值與它們之間夾角的正弦值的乘積，即Q=UIsin，習(xí)慣上認(rèn)為它是由電路中的儲(chǔ)能元件引起的。在交流電一周期的一部分時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)能元件從電源吸收能量，另一部分時(shí)間內(nèi)將能量返回電源，理想的無(wú)損失儲(chǔ)能元件在整個(gè)周期平均功率是零。在含有諧波時(shí)，至今尚無(wú)獲得公認(rèn)的無(wú)功功率定義。當(dāng)電力系統(tǒng)中用電設(shè)備吸收的無(wú)功功率太多時(shí)，將會(huì)使功率因數(shù)嚴(yán)重偏低，對(duì)電網(wǎng)及負(fù)載產(chǎn)生不利影響。

傳統(tǒng)的功率定義大都是建立在平均值的基礎(chǔ)上的。單相正弦電路或三相對(duì)稱正弦電路中，利用傳統(tǒng)概念定義的有功功率、無(wú)功功率、視在功率和功率因素等概念都很清楚。但當(dāng)電壓或電流中含有諧波時(shí)，或三相電路不平衡時(shí)，功率現(xiàn)象比較復(fù)雜，傳統(tǒng)概念無(wú)法正確地對(duì)其進(jìn)行解釋和描述。

新的理論往往是解決了前人未解決好的問(wèn)題，同時(shí)卻又存在另一些不足，或引出了新的待解決的問(wèn)題。現(xiàn)有的功率理論可分為三大類，第一類適用于諧波和無(wú)功功率的辨識(shí)；第二類適用于諧波和無(wú)功功率的補(bǔ)償與抑制，包括無(wú)功功率的控制、裝置的原理和設(shè)計(jì)；第三類適用于儀表測(cè)量和電能的管理、收費(fèi)。

迄今為止的各種功率理論只是較好地解決了上述一兩個(gè)方面的問(wèn)題，而未能滿足所有要求。Depenbrock的工作對(duì)無(wú)功功率的辨識(shí)起了較大的促進(jìn)作用，赤木泰文等人提出的瞬時(shí)無(wú)功功率理論解決了諧波和無(wú)功功率的瞬時(shí)檢測(cè)和不用儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，對(duì)諧波和無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究和開發(fā)起到了很大的推動(dòng)作用，在解決第一類和第三類問(wèn)題時(shí)遇到困難，對(duì)于第三類理論的研究雖然取得了一定成果，但至今未能取得較大突破。

本文分析了目前電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的現(xiàn)狀，對(duì)國(guó)內(nèi)外一些有關(guān)無(wú)功補(bǔ)償理論和技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了需要解決的問(wèn)題和難題。

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作者簡(jiǎn)介：尹敏杰（1984—），男，河南扶溝人，漯河市中心醫(yī)院助理工程師，研究方向：電氣工程。