【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 波動(dòng)是由于有功功率引起的，如 果無功功率 Q在電網(wǎng)中的調(diào)配不合理，就使功率因數(shù)下降，使有功損耗增多，那么在動(dòng)力系統(tǒng)不變的條件下，過多的有功損耗會(huì)使頻率 f下降，使電質(zhì)量下降。通過上節(jié)公式的我們可以得到無功功率是電力系統(tǒng)下降的份子。而是波形畸變的罪魁禍?zhǔn)资侵C振的產(chǎn)生，而出現(xiàn)諧振的原因是由于頻率和無功元件的屬性共同作用的。 從上段看出，電力系統(tǒng)三要素或多或少都與無功功率的調(diào)配有關(guān)，因此對(duì)于電力系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償是十分重要的，這是保證供電可靠性的必要性的必要舉措。 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 8 補(bǔ)償無功功率，可以增加電網(wǎng)中有功功率的比例常數(shù)。減少發(fā)、供電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量，減少投資 ，提高功率因數(shù)后，線損率也下降了。減少設(shè)計(jì)容量，減少投資，增加電網(wǎng)中有功功率的輸送比例，以及降低線損都直接決定和影響著供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 無功補(bǔ)償改善電能質(zhì)量 電網(wǎng)中無功補(bǔ)償設(shè)備的合理配置，與電網(wǎng)的供電電壓質(zhì)量關(guān)系十分密切。合理安裝補(bǔ)償設(shè)備可以改善電壓質(zhì)量。 由于越靠近線路末端，線路的電抗越大，因此越靠近線路末端裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置效果越好。 無功補(bǔ)償降低電能損耗 安裝無功補(bǔ)償主要是為了降損節(jié)能，如輸送的有功 P為定值，加裝無功補(bǔ)償設(shè)備后功率因數(shù) 由 cosφ 提高到 cosφ1 ，因?yàn)?P＝ UIcosφ ，負(fù)荷電 流 I 與 cosφ 成反比，又由于 RP I2? ，線路的有功損失與電流 I 的平方成正比。當(dāng) cosφ 升高，負(fù)荷電流 I降低，即電流 I降低，線路有功損耗就成倍降低。 無功補(bǔ)償挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力 (1) 在設(shè)備容量不變的條件下，由于提高了功率因數(shù)可以少送無功功率，因此可以多送有功功率?？啥嗨偷挠泄β?ΔP 計(jì)算如下： ΔP=P1 P=S(cosφ1 cosφ) (2) 如需要的有功不變，則由于需要的無功減少，因此所需要的配變?nèi)萘恳蚕鄳?yīng)地減少 ΔS 計(jì)算如下： ΔS ＝ SS1＝ P(1/cosφ 1/cosφ1) 可以減少供電設(shè)備容量占原容量的百分比為 ΔS/S 計(jì)算如下： ΔS/S=(cosφ1 cosφ)/cosφ1=(1 cosφ/cosφ1) (3) 安裝無功補(bǔ)償設(shè)備，可使發(fā)電機(jī)多發(fā)有功功率。系統(tǒng)采取無功補(bǔ)償后，使無功負(fù)荷降低，發(fā)電機(jī)就可少發(fā)無功，多發(fā)有功，充分達(dá)到銘牌出力。 無功補(bǔ)償減少用戶電費(fèi)支出 (1) 可以避免因功率因數(shù)低于規(guī)定值而受罰。 (2) 可以減少用戶內(nèi)部因傳輸和分配無功功率造成的有功功率損耗，因而相應(yīng)可以減少電費(fèi)的支出。 綜上所述，采用無功補(bǔ)償可以提高功率因數(shù)，是一項(xiàng)投資少 ，收效快的節(jié)能措施。并聯(lián)補(bǔ)償電容器原理簡(jiǎn)單、使用方便、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、投資省、可以分組投切保證電壓合格率和合理的功率因數(shù)。我國(guó)各地區(qū)配網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)很多地方平均功率因數(shù)偏低，有降低線損的潛力。通過計(jì)算，采用補(bǔ)償電容器進(jìn)行合理的補(bǔ)償一定能取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 就在無功補(bǔ)償，成為保持電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行的主要手段之一，這也是當(dāng)今電氣自動(dòng)化技術(shù)及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的發(fā)展的一個(gè)重大課題，但在對(duì)其進(jìn)行采用和研究過程中不是會(huì)面臨以下幾種難題。 無功補(bǔ)償裝置裝設(shè)不合理，無功不能就地平衡。 電磁環(huán)網(wǎng)存在的一個(gè)問題是無功補(bǔ)償容量不足和配備不 合理，造成無功 “竄流”現(xiàn)象嚴(yán)重配網(wǎng)無功補(bǔ)償容量缺乏，造成配電網(wǎng)損耗較大，降低了配電線路和變壓器的傳輸能力。 從運(yùn)行及投資方面看， 配變低壓無功補(bǔ)償 電容器利用率 高 ，使用靈活、運(yùn)行經(jīng)濟(jì) 、 設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要維護(hù) ，低壓 并聯(lián)補(bǔ)償電容器可以分組投切保證電壓合格率和合理的功率因數(shù) 。 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 調(diào)壓手段少 電網(wǎng)內(nèi)變電站基本上都采用有載調(diào)壓變壓器， 在 35 kV 電壓一般不采用有載調(diào)壓方式?？紤]到一些站兩臺(tái)主變有載分頭不匹配、主變額定電壓選擇不當(dāng)?shù)葐栴}，調(diào)壓手段就顯得不足。由于上一級(jí)變電站缺乏調(diào)壓手段，造成變電站母線電壓偏高，電容器不能正常投 入。 無功調(diào)壓設(shè)備 管理力度不夠 近幾年無功設(shè)備管理水平雖較以前有了很大提高，但仍存在對(duì)電壓無功重視不夠的現(xiàn)象。不及時(shí)安排投切電容器；變電檢修單位未及時(shí)處理無功補(bǔ)償裝置缺陷的； 各變電 站 對(duì)主變分接頭的調(diào)節(jié)及電容器的投切非常有限。 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 10 2 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀 無功補(bǔ)償原理 無功補(bǔ)償?shù)幕驹硎前丫哂腥菪栽O(shè)備與感性負(fù)載相并聯(lián)．能量 在這兩種負(fù)荷間轉(zhuǎn)換．以減少電網(wǎng)中的無功功率。對(duì)感性負(fù)載進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)幕驹碚f明圖如圖 2l 所示。 圖 21 無功補(bǔ)償原理示意圖 （ a）無功補(bǔ)償前（ b）無功補(bǔ)償后 從 電 流 的 角 度 來 說 ， 感 性 阻 抗 wljRz ?? ，而容性阻抗)1(1 jcwRc w jRZ ????? （ 21），從而可以看出適當(dāng)?shù)膶⑺鼈儾⒙?lián)或者串聯(lián)到一起，可以改變阻抗的虛數(shù)分量進(jìn)而改善電流的質(zhì)量。 無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展歷程 設(shè)置無功補(bǔ)償電容器是補(bǔ)償無功功率的傳統(tǒng)方法，目前在國(guó)內(nèi)外均獲廣泛應(yīng)用。電容器與網(wǎng)絡(luò)感性負(fù)荷并聯(lián)，以并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì) 方便等優(yōu)點(diǎn)，但其阻抗是固定的，故不能跟蹤負(fù)荷無功需求的變化，即不能實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，要求對(duì)無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而產(chǎn)生了同步調(diào)相機(jī) (Synchronous CondenserSC)。它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī)，在過勵(lì)磁或欠勵(lì)磁的情況下，能夠分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。自 20 世紀(jì) 30 年代以來的幾十年中，同步調(diào)相機(jī)在電力系統(tǒng)中作為有源的無功補(bǔ)償曾一度發(fā)揮著主要作用，所以被稱為傳統(tǒng)的無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。然而，由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，運(yùn)行中的損耗和噪聲都比較 大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，而且響應(yīng)速度慢，難以滿足快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊蟆? 20 世紀(jì) 70 年代以來，同步調(diào)相機(jī)開始逐漸被靜止型無功補(bǔ)償裝置 (Static Var CompensatorSVC)所取代，目前有些國(guó)家已不再使用同步調(diào)相機(jī)。早期的靜止無沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 功補(bǔ)償裝置是飽和電抗器 (Saturated ReactorSR)型的， 1967 年英國(guó) GEC 公司制成了世界上第一批該型無功補(bǔ)償裝置。飽和電抗器比之同步調(diào)相機(jī)具有靜止、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)；但其鐵芯需磁化到飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲還是很大，而且存在非線性電路的一些特殊問題，又 不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)荷的不平衡，所以未能占據(jù)主流。 電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，將晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置推上了無功補(bǔ)償?shù)奈枧_(tái)。 1977 年美國(guó) GE 公司首次在實(shí)際電力系統(tǒng)中演示運(yùn)行了晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置。 1978 年此類裝置投入實(shí)際運(yùn)行。隨后，世界各大電氣公司都竟相推出了各具特色的系列產(chǎn)品。近 10 多年來，占據(jù)了靜止無功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位。于是靜止無功補(bǔ)償裝置 (SVC)成了專指使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置，包括晶閘管控制電抗器 (Thyristor ontrolled ReactorTCR)和晶閘管投切電容器 (Thyistor Switched CapactorTSC)，以及這兩者的混合裝置 (TCR+TSC)，或者 TCR 與固定電容器 (Fixed CapacitorFC)或機(jī)械投切電容器 (Mechanically Switched CapacitorMSC)混合使用的裝置 (即 TCR+FC、 TCR+MSC)等。 隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， 20 世紀(jì) 80 年代以來，一種更為先進(jìn)的靜止型無功補(bǔ)償裝置出現(xiàn)了，這就是采用自換相變流電路的無功補(bǔ)償，有人稱為靜止無功發(fā)生器 (Static Var GeneratorSVG)，也有人稱其為高級(jí)靜止無功補(bǔ)償器(Advanced Static Var CompensatorASVC) 或靜止調(diào)相器 (Static CondenserSTATCON)。最近，日本和美國(guó)已分別有數(shù)臺(tái) SVG 裝置投入實(shí)際運(yùn)行。 目前，除對(duì) SVC 和 SVG 的無功補(bǔ)償進(jìn)一步的探討外，人們還研究用于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)钠渌鞣N形式的靜止變流器，包括賭流型自換相橋式電路，交 交變頻電路以及交流斬波電路等，直至最近，美國(guó)電力研究院還提出統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow ControllerUPFC)。事實(shí)上， SVC、 SVG 和 UPEC 都是柔性交流輸電系統(tǒng) (Flexible AC Transmission SystemFACTS)中的器件。所謂柔性交流輸電系統(tǒng)，是 20 世紀(jì) 80 年代以來由美國(guó)電力研究院提出的一個(gè)嶄新概念，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。 無功補(bǔ)償分類介紹及經(jīng)濟(jì)性分析 早期的無功補(bǔ)償裝置為并聯(lián)電容器和同步調(diào)相機(jī)，多在系統(tǒng)的高壓側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償。那為什么后來的無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)發(fā) 展都是基于并聯(lián)電容器而不是同步調(diào)相機(jī)呢，我們來分類對(duì)比一下。 同步發(fā)電機(jī)既是有功功率源，又是最基本的無功功率源。當(dāng)系統(tǒng)的無功功率比較緊張時(shí)，必須充分利用發(fā)電機(jī)供給無功功率。例如冬季枯水季節(jié)時(shí)，水庫(kù)水源不多，水力發(fā)電廠不可能按裝機(jī)容量發(fā)出額定設(shè)計(jì)的有功功率，此時(shí)應(yīng)考慮將水輪發(fā)電機(jī)降低功率因數(shù)運(yùn)行，使其多發(fā)無功功率，將發(fā)電機(jī)以調(diào)相機(jī)方式運(yùn)行。無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的研究 12 同步調(diào)相機(jī)相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，在過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，它可作為無功電源向系統(tǒng)供給感性無功功率，以提高系統(tǒng)電壓水平。在欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，它可作為無功功率負(fù)荷從系統(tǒng)吸收感性無功功率 以適當(dāng)降低系統(tǒng)電壓水平，同步調(diào)相機(jī)欠勵(lì)磁運(yùn)行最大容量一般只有過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)的容量的 50%60% 。同步調(diào)相機(jī)一度發(fā)揮著重要的作用，被稱為傳統(tǒng)的無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。同步調(diào)相機(jī)容量愈大時(shí)，其單位容量設(shè)備費(fèi)用就愈低。因此適用于補(bǔ)償容量較大的集中補(bǔ)償方式。然而，由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，響應(yīng)速度慢，難以滿足動(dòng)態(tài)補(bǔ)償要求。 并聯(lián)電容器是電網(wǎng)中應(yīng)用最多的一種專用無功補(bǔ)償裝置，它價(jià)格便宜，易于安裝維護(hù)。但是由于電容量固定．不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功的無級(jí)補(bǔ)償； 由于電容器的負(fù)電壓效應(yīng)．使系統(tǒng)電壓下降更大；在系統(tǒng)存在諧波時(shí)．可能發(fā) 生并聯(lián)諧振，放大諧波電流。以上缺點(diǎn)使并聯(lián)電容器已不能適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。 從經(jīng)濟(jì)性的角度來說，發(fā)電機(jī)原本是用來生產(chǎn)有功功率的，由于不能達(dá)到理想的狀況，以致無功功率產(chǎn)生，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)需要消耗其他形式的能源的（水電，火電，核電，風(fēng)電）而無功功率補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱藴p少有功損耗，保證電質(zhì)量，從同步調(diào)相機(jī)是要消耗能源的，這樣就出現(xiàn)了如下的循環(huán) 節(jié)省能量無功功率同步調(diào)相機(jī) 補(bǔ)償能量 ?? ???? ?? 那么如果同步調(diào)相機(jī)損失的能量所產(chǎn)生的有功功率要比無功補(bǔ)償所節(jié)省的有功功率還多的話，那么這個(gè)無功補(bǔ)償就本末倒置了。 而并聯(lián)電容 器本身不需要其他形式的能量，并入電網(wǎng)可以說是自發(fā)的產(chǎn)生無功功率注入電網(wǎng)中，這樣就充分的滿足了經(jīng)濟(jì)性，于是同步調(diào)相機(jī)被淘汰而并聯(lián)電容器得到了不斷的進(jìn)化和持久的使用。 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從同步調(diào)相機(jī)． —— 開關(guān)投 切固定電容器 —— 靜止無功補(bǔ)償器 (SVC)—— 靜止無功發(fā) 生器 (SVG)的過程。 基于電容不能無級(jí)補(bǔ)償，為了供電可靠性。通常采用過補(bǔ)償方式，那么由并聯(lián)電容產(chǎn)生的過多的無功電流依然會(huì)產(chǎn)生影響 UQP 22?? （ 22）于是并聯(lián)電抗器出現(xiàn)了。 并聯(lián)電抗器的工作原理和并聯(lián)電容器的 工作原理正好相反，它屬于負(fù)補(bǔ)償，常用于補(bǔ)償線路電容的作用。并聯(lián)電抗器常用設(shè)備是高電壓長(zhǎng)線路的重要補(bǔ)償方式，新建變電站的電容器裝置中串聯(lián)電抗器的選擇要慎重，不能任意組合，一定要考慮電容器接入出的諧波因素。電容器組容量變化很大時(shí)，可選用與電容器同步調(diào)整份接頭的電抗器或選擇串聯(lián)電抗器混合裝設(shè)，以便防止電容器組投切實(shí)產(chǎn)生的過電壓。并聯(lián)電抗器常用設(shè)備是高電壓長(zhǎng)線路的重要補(bǔ)償方式。 隨著研究的進(jìn)一步深入，靜止無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)入人們的視線中。靜止無功補(bǔ)沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 償技術(shù)是指用靜止開關(guān)投切電容器或電抗器．通過吸收或發(fā)出無功電流提高電力系 統(tǒng)的功率因數(shù)．穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。 早期的靜止無功補(bǔ)償裝置是飽和電抗器 (Saturatedreaclor一 sR)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖 2所示，其中 Cl為斜坡 修正電容， c2為保護(hù)電容。 飽和電抗器分為自飽和式和可控飽和式。自飽和電抗器利用鐵心的飽和特性．使無功功率隨著端電壓的升降而 增減。自飽和電抗器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快，其缺點(diǎn)是鐵心。 損耗較多，伴有振動(dòng)和噪聲。可控飽和電抗器通過改變控制繞組的電流 U來控制鐵心的飽和度，從 而改變電抗器的電抗．進(jìn)一步改變無功電流的大小。它能夠更好的適應(yīng)母線電壓較大的變化，但是振動(dòng)和噪聲仍很大 。 圖 22 SR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 總的來說． SR裝置具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)．并且在一直電壓閃變方面比晶閘管相控電抗器裝置要好，但是它存在較大的有效材料消耗 (約為 3kg／ kVA)哆 1．電抗器硅鋼片長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，故鐵心損耗較大 (比并聯(lián)電容器大 23倍 )，有振動(dòng)和噪聲．這些缺點(diǎn)使 SR式靜止無功補(bǔ)償裝置目前應(yīng)用較少．一般只在超高壓輸電線路中配合電容器組，起到限制操作過電壓及吸