【正文】 在電網(wǎng)中，大多數(shù)負(fù)載 (如電機(jī)、電弧爐等 )和網(wǎng)絡(luò)元件 (如變壓器、傳線等 )的運(yùn)行不僅需要電源為其提供有功功率 ，而且還需提供相應(yīng)的無(wú)功率。這些無(wú)功功率如果都要由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過長(zhǎng)距離傳送顯然是不合理的也是不可能的。合理的方法是在需要消耗無(wú)功功率的 地方產(chǎn)生無(wú)功功率 這就是無(wú)功補(bǔ)償。 無(wú)功補(bǔ)償對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)荷的運(yùn)行都具有十分重要的意義其作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： ⑴ 無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致電流的增大和視在功率的增加，從而使導(dǎo)線發(fā)電機(jī)、變壓器及其它電氣設(shè)備容量的增加。而進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償提高供用系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，對(duì)電網(wǎng)來說可以挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力，降低設(shè)備量，減少設(shè)備及線路的功率損耗，對(duì)用戶來說不但避免了因功率因數(shù)低于規(guī) 值而受罰，而且減少了用戶內(nèi)部因傳輸和分配無(wú)功功率造成的有功功率損耗從而減少了電費(fèi)的支出。因此無(wú)功補(bǔ)償是電力系統(tǒng)及工礦企業(yè)節(jié)能降耗的重手段； ⑵ 電網(wǎng)的無(wú)功容量不足，會(huì)造成負(fù)荷端的供電電壓低，影響正常生產(chǎn)和活用電；反之，無(wú)功容量過剩，會(huì)造成電網(wǎng)的運(yùn)行電壓過高，電壓波動(dòng)率大。而沖擊性的無(wú)功負(fù)載會(huì)使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，使供電質(zhì)量嚴(yán)重低，對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償可以穩(wěn)定受電端，提高供電質(zhì)量； ⑶ 在長(zhǎng)距離輸電線中合適的地點(diǎn)設(shè)置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置還可以改善輸電統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力等等； 2 ⑷ 對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備來說，無(wú) 功電流的增大，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的去磁應(yīng)增加，電壓降低，如過度增加勵(lì)磁電流，則使轉(zhuǎn)子繞組超過允許溫升，為保證轉(zhuǎn)子繞組正常工作，發(fā)電機(jī)就不允許達(dá)到預(yù)定的出力。此外，原動(dòng)機(jī)的率是按照有功功率衡量的，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的視在功率一定時(shí)，無(wú)功功率的 增 加，會(huì)導(dǎo)致原動(dòng)機(jī)效率的相對(duì)降低。 無(wú)功補(bǔ)償是維持現(xiàn)代電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必需的，它對(duì)供電系和負(fù)載的運(yùn)行都是十分重要的。網(wǎng)絡(luò)組件和負(fù)載所需要的無(wú)功功率必須從網(wǎng)某個(gè)地方獲得，因?yàn)檫@些無(wú)功功 率由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過長(zhǎng)距離傳送是不合的，通常也是不可能的。因此，合理的方法應(yīng)當(dāng)是在需要消耗 無(wú)功功率的地產(chǎn)生無(wú)功功率，即進(jìn)行合理的無(wú)功補(bǔ)償。 國(guó)內(nèi)外在該方面的研究現(xiàn)狀及分析 從電力系統(tǒng)的誕生開始，補(bǔ)償技術(shù)就開始被應(yīng)用，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，各種補(bǔ)償裝置不斷出現(xiàn)，如采用機(jī)械投切的電容器和電抗器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的無(wú)功功率補(bǔ)償，改善系統(tǒng)的電壓水平。但由于機(jī)械投切會(huì)造成較大沖擊，人們開始在負(fù)荷中心安裝同步調(diào)相機(jī)，調(diào)相機(jī)可以平滑的調(diào)劑無(wú)功功率，而且既可以吸收也可以發(fā)出無(wú)功功率，因此具有較強(qiáng)的補(bǔ)償控制功能，對(duì)調(diào)節(jié)負(fù)荷中心的無(wú)功功率平衡和維持負(fù)荷中心的電壓水平有重 要的作用。 隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)于電能質(zhì)量的要求不斷提高。電力系統(tǒng)瞬時(shí)的不平衡可能導(dǎo)致安全穩(wěn)定問題，因而只有補(bǔ)償裝置 得 具有快速響應(yīng)的能力，才能用于處理系統(tǒng)問題。機(jī)械調(diào)相機(jī)由于其機(jī)械投切裝置慣性大，動(dòng)作時(shí)間在秒級(jí)，已經(jīng)無(wú)法滿足電力系統(tǒng)的要求。 20 世紀(jì) 70 年代，晶閘管的身影開始出現(xiàn)在補(bǔ)償裝置中，采用高壓大容量快速的電子開關(guān)代替機(jī)械開關(guān)應(yīng)經(jīng)成為趨勢(shì)。一系列的晶閘管投切的補(bǔ)償裝置，如 TSC、TSR、 TCR 及綜合補(bǔ)償裝置 SVC，成為當(dāng)今主流。而傳統(tǒng)的機(jī)械投切裝置由于是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)都很復(fù)雜，響應(yīng)速度也較慢，且隨著負(fù) 荷中心地區(qū)對(duì)環(huán)境要求的提高，旋轉(zhuǎn)帶來的噪聲等問題也使得居民越來越不滿意，因此同步調(diào)相機(jī)也逐漸被 SVC 等補(bǔ)償裝置所取代。 晶閘管投切或控制的補(bǔ)償裝置徹底的改變了機(jī)械投切速度慢的特點(diǎn)，控制速度快、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本較低，因此在電力系統(tǒng)得到十分廣泛的運(yùn)用。但這種病例補(bǔ)償裝置本身也存在一定問題，如晶閘管控制的裝置只能以斬波方式工作，而產(chǎn)生較大的諧波，其次這些裝置接入系統(tǒng)后改變暈系統(tǒng)的阻抗特性，過多安裝設(shè)備可能導(dǎo)致出現(xiàn)諧波。因此在系統(tǒng)電壓偏低或偏高時(shí)，阻抗型裝置的特點(diǎn)（如電壓低時(shí)電流減小，導(dǎo)致補(bǔ)償裝置容量裕電壓平方成比例 下降）會(huì)影響補(bǔ)償效果。 20 世紀(jì) 80 年代，高壓大容量關(guān)斷器件的發(fā)展，如 IGBT、 GTO 等。開始出現(xiàn)基于可判斷器件的電壓源或電流源變流器的并聯(lián)補(bǔ)償裝置，由于此類裝置的特性完全脫離了 組抗 性裝置的特點(diǎn)，成為完全可控的電壓源或電流源，使得補(bǔ)償性能得到較大的提升。體 積 變小、調(diào)節(jié)速度快（可達(dá)到 10ms）等優(yōu)點(diǎn)可以將其做成模塊，根據(jù)電力系統(tǒng)需求靈活運(yùn)用。其典型代表有 STATCOM 和 APF 裝置。從 20 世紀(jì) 90 年代起， 3 基于變流器的補(bǔ)償裝置獲得廣泛的應(yīng)用。目前世界上像 ABB、西門子、阿爾斯通等著名大公司都推出了自己的此類型的產(chǎn) 品。同時(shí)我國(guó)清華大學(xué)也研制了基于變流器的20MvarSTATCOM 準(zhǔn)裝置，目前正在河南電力系統(tǒng)運(yùn)行。 20xx 年 8 月 14 日美國(guó)東部大停電事件進(jìn)一步的使人們意識(shí)到電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要性，特別值得我們注意的是相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)和四象限變流技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生的柔性交流輸電系統(tǒng) — FACTS。其中 FACTS 的多個(gè)類型都具有諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償能力，代表著今后的研究和使用方向。而出于環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略考慮，基于新能源 (如風(fēng)能、太陽(yáng)能等 )的技術(shù)正在得到廣泛的關(guān)注和逐步的應(yīng)用。 我們要知道電力電子器件技術(shù)本身高速發(fā)展，未 來的功率器件開關(guān)容量會(huì)逐步升高，價(jià)格則相應(yīng)下降，而利用有源濾波器的諧波抑制和 FACTS 技術(shù)的無(wú)功功率補(bǔ)償將成為未來電力自動(dòng)化系統(tǒng)的主流。而如何充分利用系統(tǒng)原有電容、電抗和變壓器設(shè)備與新技術(shù)相融合，也將是一個(gè)十分重要的研究課題。 根據(jù)連接方式不同，無(wú)功功率補(bǔ)償可以分為并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償和混聯(lián)補(bǔ)償三種。而由于并聯(lián)補(bǔ)償方式接入和切除都很方便，因此，在電力系統(tǒng)中得到最為廣泛的應(yīng)用。以下是并聯(lián)補(bǔ)償具有的特點(diǎn)： ⑴ 并聯(lián)補(bǔ)償只需要電力系統(tǒng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并聯(lián)補(bǔ)償?shù)牧硪粋€(gè)為大地或懸空的中性點(diǎn)，因此并聯(lián)裝置可以容易地接入電力系統(tǒng)。 ⑵ 并聯(lián)補(bǔ)償不會(huì)改變電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，接入方式簡(jiǎn)單，可以將并聯(lián)補(bǔ)償接入造成的影響盡量減小到最小，許多情況下可以做到無(wú)沖擊投入運(yùn)行和無(wú)沖擊退出運(yùn)行。 ⑶ 由于電力系統(tǒng)本身具有較大的短路容量，并聯(lián)補(bǔ)償裝置與接入點(diǎn)的短路容量相比通常較小，因此并聯(lián)補(bǔ)償對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制能力通常較弱，它主要通過注入或吸收電流改變系統(tǒng)中的電流分布。因此并聯(lián)補(bǔ)償裝置適應(yīng)于補(bǔ)償電流，對(duì)于電壓的補(bǔ)償能力相對(duì)較弱。 ⑷ 由于并聯(lián)補(bǔ)償中能控制接入點(diǎn)的電流，而電流進(jìn)入電力系統(tǒng)后如何分布系統(tǒng)本身確定，因此并聯(lián)補(bǔ)償產(chǎn)生補(bǔ)償效果后通常可以使附近的區(qū)域受益，適合于電力部門采用 ，而串聯(lián)補(bǔ)償可以針對(duì)特定用戶，因而對(duì)特定用戶的補(bǔ)償采用串聯(lián)補(bǔ)償更加合適。 ⑸ 并聯(lián)補(bǔ)償裝置需要承受全部的節(jié)點(diǎn)電壓，而輸出電流要么是后所承受的電壓決定的，要么是可以控制的。因此并聯(lián)補(bǔ)償裝置通常受系統(tǒng)電壓的限制。 通過并聯(lián)補(bǔ)償可以方便地向系統(tǒng)注入或吸收無(wú)功功率或者有功功率，控制電力系統(tǒng)無(wú)功功率的平衡。并聯(lián)系統(tǒng)在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，將大大提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，供電可靠性和運(yùn)行效率，同時(shí)大大提高電能質(zhì)量。但由于并聯(lián)補(bǔ)償裝置也存在很多形式，對(duì)此，我們對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償做更進(jìn)一步的分類。 ⑴ 根據(jù)并聯(lián)補(bǔ)償裝置器件分類： ① 機(jī)械 投切阻抗裝置：如斷路器投切電抗器、電容器； ② 晶閘管投切阻抗裝置：如 SVC 等； ③ 基于變流器的可控型有源補(bǔ)償裝置：如 APF 等。 4 ⑵ 根據(jù)補(bǔ)償對(duì)象不同無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)分類： ① 負(fù)荷補(bǔ)償裝置； ② 系統(tǒng)補(bǔ)償裝置。 ⑶ 根據(jù)補(bǔ)償?shù)姆磻?yīng)速度分類： ①靜態(tài)補(bǔ)償裝置：如同步調(diào)相機(jī)等； ②動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置：如 TSC 補(bǔ)償裝置等。 在實(shí)際情況中，大多數(shù)都是感性負(fù)載，需進(jìn)行大量的無(wú)功補(bǔ)償。電力企業(yè)通常采用并聯(lián)電容器的方法進(jìn)行補(bǔ)償。然而并聯(lián)電容器可以安裝正在全系統(tǒng)的各個(gè)點(diǎn)上，根據(jù)安裝 位置的不同，得到的效果也就不同。以下是幾種不同位置補(bǔ)償方式介紹： ⑴就地補(bǔ)償 它就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無(wú)功功率的需求量將單臺(tái)或多臺(tái)電容器組分散地與用電設(shè)備并聯(lián)。其特點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無(wú)功功率補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停止運(yùn)行時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會(huì)造成無(wú)功功率倒送；同時(shí)還具有投資少、占地小、安裝容易、配置方便靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。 個(gè)別補(bǔ)償分為低壓個(gè)別補(bǔ)償和高壓個(gè)別補(bǔ)償。低壓個(gè)別補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個(gè)別大容量且連續(xù)運(yùn)行的無(wú)功功率消耗。其特點(diǎn)在于補(bǔ)償效益大，不僅能減少高壓線路中的無(wú)功功率，同時(shí)也減少了低壓 線路中的無(wú)功功率，減少電器設(shè)備的容量和導(dǎo)線的截面，降低電能的損耗。但對(duì)于不經(jīng)常使用的設(shè)備，所安裝的無(wú)功功率補(bǔ)償器利用率很低，大量低壓設(shè)備沒有安裝或不適宜安裝補(bǔ)償器而引起的電能損耗得不到有效改善。而采用高壓個(gè)別補(bǔ)償除了具有低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)外，而且更能有效地降低設(shè)備啟動(dòng)的沖擊性，減少變壓器容量裕度。 ⑵ 集中補(bǔ)償 集中 補(bǔ)償是指并攏電容器接在匯流母線上，根據(jù)母線上的無(wú)功負(fù)荷而直接 控制電容器的投切。其優(yōu)點(diǎn)是方便安裝，有利于控制電壓水平，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切、運(yùn)行可靠、利用率高、維護(hù)方便、能減少配電網(wǎng)和用戶變壓器的無(wú)功 負(fù)荷和電能損耗；其缺點(diǎn)在于當(dāng)設(shè)備不連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或輕負(fù)荷，又無(wú)自動(dòng)控制裝置時(shí)，會(huì)造成過補(bǔ)償，使運(yùn)行電壓抬高，電壓質(zhì)量變差，因此，補(bǔ)償裝置需要較頻繁投切；不能減少電力用戶內(nèi)部各配電線路的無(wú)功負(fù)荷補(bǔ)償和電能損耗。 集中補(bǔ)償同樣可分為低壓集中補(bǔ)償和高壓集中補(bǔ)償。低壓集中補(bǔ)償是根據(jù)低壓母線上的無(wú)功負(fù)荷而直接控制低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的投切。此時(shí)由于電容器的投切是按組進(jìn)行，并不能做到平滑調(diào)節(jié)。特點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)工作量小、無(wú)功功率就地平衡，從而提高配變電利用率，降低網(wǎng)損，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，是目前無(wú)功功率補(bǔ)償中最常用手段之 一。而高壓集中補(bǔ)償一般直接裝在 6~10kV 高壓母線上。主要特點(diǎn)：在減少高壓母線線路的無(wú)功功率損耗的同時(shí)，提高本變電所的供電電壓質(zhì)量；可根據(jù)負(fù)荷的大小自動(dòng)投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費(fèi)的增加；提高供電能力、減少線損穩(wěn)定電壓。但這種補(bǔ)償方式只能補(bǔ)償高壓母線前面所有線路上的無(wú)功功率，而高壓母線后面的無(wú)功功率得不到補(bǔ)償。 ⑶ 分組補(bǔ)償 5 分組補(bǔ)償方式基本集中安裝在變壓器低壓側(cè)的母線或輸電線路中，減少了電力系統(tǒng)到用戶線路上的高線線損和變損，克服了集中固定補(bǔ)償容量較大時(shí)的涌流過大等問題，并能 有效的增大配電線路的供電能力，節(jié)電效果好。此外，在低負(fù)荷時(shí)，可以相應(yīng)停運(yùn)數(shù)個(gè)電容器組，以防止過補(bǔ)，投資較為經(jīng)濟(jì)。但是需要人工頻繁投切，可能出現(xiàn)投切不及時(shí)而到時(shí)少補(bǔ)或過補(bǔ)的現(xiàn)象。這種補(bǔ)償方式具有集中補(bǔ)償?shù)膸缀跛袃?yōu)點(diǎn)，但在無(wú)功功率補(bǔ)償容量和范圍相對(duì)較小些，效果明顯，因而也得到了較為普遍的運(yùn)用。 ⑷ 混合補(bǔ)償 混合補(bǔ)償就是相對(duì)于大容量的低壓負(fù)荷和高負(fù)荷采取個(gè)別 補(bǔ)償，同時(shí)在低壓母線或高壓母線上安裝電容器，集中補(bǔ)償大容 量高低負(fù)荷的無(wú)功功率需求。這種補(bǔ)償方式避免了全面?zhèn)€別補(bǔ)償所帶來的安裝、控制、保護(hù)、運(yùn)行時(shí)的麻煩和無(wú)功 功率傳輸距離長(zhǎng)、無(wú)功功率傳輸容量大、功率損耗大的缺點(diǎn)，因此在電力系統(tǒng)中，混合補(bǔ)償在實(shí)踐中被廣泛運(yùn)用。 ⑸ 隨器補(bǔ)償與跟蹤補(bǔ)償 隨器補(bǔ)償與跟蹤補(bǔ)償是兩種 不叫 特殊的補(bǔ)償方式，也是目前最有效的手段之一。隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無(wú)功功率的補(bǔ)償方式。其優(yōu)點(diǎn)在于接線簡(jiǎn)單、維護(hù)管理方便，能限制電網(wǎng)無(wú)功功率基荷，使該部分無(wú)功功率平衡，從而提高配電變壓器利用率，降低網(wǎng)損。 跟蹤補(bǔ)償是指以無(wú)功功率補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶母線上的補(bǔ)償方式。其優(yōu)點(diǎn) 在于運(yùn)行方式靈活，運(yùn)行維護(hù)工作量小，比隨器補(bǔ)償方式壽命相對(duì)延長(zhǎng)、運(yùn)行更可靠。但是控制保護(hù)裝置復(fù)雜，首期投資較大，一般被一些大型用電企業(yè)所采用。 本文所做的工作 本文首先簡(jiǎn)述了無(wú)功功率相關(guān)概念以及研究的意義，提出研究無(wú)功功率的必要性和重要性。通過介紹無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的歷史及現(xiàn)狀使我們了解未來的發(fā)展趨勢(shì)，讓我們把握住主流技術(shù)，重點(diǎn)講述 TSC 靜止補(bǔ)償技術(shù)提高系統(tǒng)電壓 。 1 闡述無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)哪康?、意義與國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，說明無(wú)功功率與系統(tǒng)電壓變化的關(guān)系。 2 TSC 型靜止無(wú)功補(bǔ)償器 的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。 3 TSC 靜止無(wú)功補(bǔ)償器穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，減少波動(dòng)的研究。 4 用 MATLAB 對(duì) TSC 靜止無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行仿真，分析波形圖。 5 總結(jié)全文。 6 2 TSC 型靜止無(wú)功補(bǔ)償器 的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 TSC 的基本原理 晶閘管的接線方式 晶閘管只是起將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來抑制 電容器投入電網(wǎng)時(shí)可 造成的