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应用于输配电网的各种无功补偿方式比较

作者：宋建军

来源：《中小企业管理与科技·学术版 》2008年第10期

摘要：本文在分析输配电系统中电网无功的危害及其来源的基础上，简要介绍了电力系统中一些无功补偿方式的基本原理和优劣性，同时就目前的电力输配电方式提出了今后一段时间无功补偿装置的发展趋势。 关键词：输配电网 无功补偿 一、概述

近年来，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备大量应用于输配电系统，他们对于系统干扰的反馈比机电设备更加敏感，因此，对输配电系统电能质量的要求也更高。然而，一些感性或容性的负载将对电网输送很大的无功功率，使得电能质量下降。负载产生的无功功率造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障，情况日趋严重。电力系统中无功功率的危害主要有以下几个方面：①影响电网系统稳定运行。无功功率影响供配电系统中的继保装置的检测，容易使继保系统误动。这样，将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行；②影响电网的电能质量。无功功率能使电网的电压与电流波形发生畸变，使得电能质量下降，浪费电网的供电能力；③危害配电设备。对于一些像变压器之类的感性负载，无功使得其铜损和铁损增加，影响其性能；同时无功还可能使得一些诸如接触器、断路器等电力配电设备产生误动作或者器件自身损耗加大，影响器件寿命；④影响各种用电设备。由于无功的存在使得一些用电设备性能下降甚至无法工作。

可见，要想提高输配电系统的电能质量，必须对输配电网的无功予以重视。

二、无功产生的来源

我们知道，理论上当输配电网的电压、电流波形为同相位的正弦波形时，其功率因数为1，此时电网完全输出有功功率，消耗的无功功率为0。然而由于一些特殊的用电设备使得电网的电压和电流不是同相位，而是存在一定的超前或者滞后关系，这种超前或者滞后就使得电

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网功率因数降低，电网消耗无功功率。通常无功的来源主要有以下几个方面：①发电厂电源质量不高而产生无功。通常，我们的主要电源是发电机，发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些无功。②输配电系统自身产生无功。输配电系统中的无功主要是电力变压器产生的，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有3、5、7、11等奇次无功。③用户用电设备产生的无功。比如炼钢厂的轧机，煤矿的矿车、电力机车、电弧炉、电石炉、电镀、电解等“产生”感性无功或者容性无功；同时广泛应用于风机、水泵、电梯等设备中的变频装置，由于采用了相位控制，无功成份很复杂，除含有整数次无功外，还含有分数次无功，通常这类装置的功率一般较大，对电网造成的无功也较大。

三、无功补偿手段

1、无功补偿的必要性

随着电网的不断发展，对无功功率进行控制与补偿的重要性与日俱增：①网络对运行效率的要求日益提高，为了有效利用输变电容量，应对无功进行就地补偿；②电源（尤其水电）远离负荷中心，远距离的输电需要灵活调控无功以支撑解决稳定性及电压控制问题；③配电网中存在大量的电感性负载，在运行中消耗大量无功，使得配电系统损耗大大增加；④直流输电系统要求在换流器的交流侧进行无功控制；⑤用户对于供电电能质量的要求日益提高。因此，对电网的无功进行就地补偿，尤其是动态补偿，在输配电系统中十分必要。 2、输配电系统中无功补偿的主要方式及优劣比较

电力系统中，常见的无功补偿方法有同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等。随着大功率电力电子期间技术的不断发展，目前主流的无功补偿方式则是动态无功补偿系统SVC和SVG等。常见的各类无功补偿方式基本原理及优劣如下：①同步发电机、同步电动机、同步调相机：其原理为根据电网运行时的功率特性，通过调整电机的励磁，使得电机工作在发电或者电动状态，为电网系统提供感性无功或者有效功率从而提高电网系统的性能；然而由于这些设备存在效率低、噪音大、调整不灵活等缺点，现在已被逐步取代。②并联电容器：通过向电网消耗容性无功，从而使得电网系统功率因数提高；尽管这种方式能提高电网功率因数，然而由于电容器的容值问题，其对于容性无功的消耗是间断的，不是连续的，属于“有级”调节，存在补偿不及和过头，同时其也仅能消耗感性无功，因此，也正在逐步被淘汰。③静止无功补偿器SVC：静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应较为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止补偿器能较快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；然而由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中

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会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器，同时晶闸管属于一种半控型器件，其关断过程容易产生较大的无功电流，而且其对电网电压波动的调节能力不够理想。④静止无功发生器SVG：它的主体是一个电压源型逆变器，由可关断型器件适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。与静止无功补偿器相比，静止无功发生器响应速度更快，谐波电流更少，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的无功。然而由于其功率器件价格较贵，在追求高性价比的应用中，其受到一定的限制。

四、电力输配电系统无功补偿发展趋势

目前主流的发电方式主要还是水力发电、火力发电、核燃料发电、风力发电和太阳能发电等。水电、火电和核电已经发展多年，人们对他们的认识已经较为熟悉，因此，对于他们的无功补偿方式依然保持不变。风力发电前些年大多使用失速型馈电方式，由于其只能通过风力机的低速发电机和高速发电机的切换来实现不同风速下的风能馈电，因此其效率较低，对于无功补偿的需求较大，不过由于其容量都较小，对电网整体影响不大；近年来风力发电机大多采用双馈型和直驱式，该类电能变换器系统拓扑本身就有CL或者LCL之类的滤波器，其全控型可工作在四个象限。因此，合格的变流器自身就可以高质量的馈电，不需要无功补偿。太阳能发电由于其馈网使用DC－AC方式，因此其也几乎无需补偿。

由此可见，当前快速开拓的风能、太阳能等电力新能源，自身提供的就是一种高效能源，他们在电力能源供应源中比重的增大并不会加剧电力系统输电源的谐波成分。其在能源供应源中的比重越大，相对而言，输配电系统的无功补偿需求反而会减弱。

因此，今后一段时间内，电力系统的无功补偿依然需要遵循低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿的原则，采取合适的补偿方式，提高输配电网的电能质量。同时，补偿装置将依然以采用大功率电力电子器件设备为主的SVC、SVG和ASVG等补偿装置。

参考文献

［1］王兆安等编著.无功抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社，2002. ［2］刘文华，姜齐荣等.±20MvarSTATCOM总体设计.电力系统自动化，2002，24(23):14～18.

［3］姜齐荣，刘文华等.±20MvarSTATCOM控制器设计.电力系统自动化，2002,24(23):24～28.