【文章內容簡介】 波動是由于有功功率引起的，如 果無功功率 Q在電網中的調配不合理，就使功率因數下降，使有功損耗增多，那么在動力系統(tǒng)不變的條件下，過多的有功損耗會使頻率 f下降，使電質量下降。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首是諧振的產生，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配有關，因此對于電力系統(tǒng)進行無功補償是十分重要的，這是保證供電可靠性的必要性的必要舉措。 無功補償技術的發(fā)展及其應用的研究 8 補償無功功率，可以增加電網中有功功率的比例常數。減少發(fā)、供電設備的設計容量，減少投資 ，提高功率因數后，線損率也下降了。減少設計容量，減少投資，增加電網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)的經濟效益。 無功補償改善電能質量 電網中無功補償設備的合理配置，與電網的供電電壓質量關系十分密切。合理安裝補償設備可以改善電壓質量。 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無功補償裝置效果越好。 無功補償降低電能損耗 安裝無功補償主要是為了降損節(jié)能，如輸送的有功 P為定值，加裝無功補償設備后功率因數 由 cosφ 提高到 cosφ1 ，因為 P＝ UIcosφ ，負荷電 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 cosφ 升高，負荷電流 I降低，即電流 I降低，線路有功損耗就成倍降低。 無功補償挖掘發(fā)供電設備潛力 (1) 在設備容量不變的條件下，由于提高了功率因數可以少送無功功率，因此可以多送有功功率。可多送的有功功率 ΔP 計算如下： 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，因此所需要的配變容量也相應地減少 ΔS 計算如下： ΔS ＝ SS1＝ P(1/cosφ 1/cosφ1) 可以減少供電設備容量占原容量的百分比為 ΔS/S 計算如下： ΔS/S=(cosφ1 cosφ)/cosφ1=(1 cosφ/cosφ1) (3) 安裝無功補償設備，可使發(fā)電機多發(fā)有功功率。系統(tǒng)采取無功補償后，使無功負荷降低，發(fā)電機就可少發(fā)無功，多發(fā)有功，充分達到銘牌出力。 無功補償減少用戶電費支出 (1) 可以避免因功率因數低于規(guī)定值而受罰。 (2) 可以減少用戶內部因傳輸和分配無功功率造成的有功功率損耗，因而相應可以減少電費的支出。 綜上所述，采用無功補償可以提高功率因數，是一項投資少 ，收效快的節(jié)能措施。并聯(lián)補償電容器原理簡單、使用方便、運行經濟、投資省、可以分組投切保證電壓合格率和合理的功率因數。我國各地區(qū)配網和農網很多地方平均功率因數偏低，有降低線損的潛力。通過計算，采用補償電容器進行合理的補償一定能取得顯著的經濟效益。 就在無功補償，成為保持電網高質量運行的主要手段之一，這也是當今電氣自動化技術及電力系統(tǒng)研究領域所面臨的發(fā)展的一個重大課題，但在對其進行采用和研究過程中不是會面臨以下幾種難題。 無功補償裝置裝設不合理，無功不能就地平衡。 電磁環(huán)網存在的一個問題是無功補償容量不足和配備不 合理，造成無功 “竄流”現(xiàn)象嚴重配網無功補償容量缺乏，造成配電網損耗較大，降低了配電線路和變壓器的傳輸能力。 從運行及投資方面看， 配變低壓無功補償 電容器利用率 高 ，使用靈活、運行經濟 、 設備簡單，不需要維護 ，低壓 并聯(lián)補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 。 沈陽農業(yè)大學學士學位論文 9 調壓手段少 電網內變電站基本上都采用有載調壓變壓器， 在 35 kV 電壓一般不采用有載調壓方式?？紤]到一些站兩臺主變有載分頭不匹配、主變額定電壓選擇不當等問題，調壓手段就顯得不足。由于上一級變電站缺乏調壓手段，造成變電站母線電壓偏高，電容器不能正常投 入。 無功調壓設備 管理力度不夠 近幾年無功設備管理水平雖較以前有了很大提高，但仍存在對電壓無功重視不夠的現(xiàn)象。不及時安排投切電容器；變電檢修單位未及時處理無功補償裝置缺陷的； 各變電 站 對主變分接頭的調節(jié)及電容器的投切非常有限。 無功補償技術的發(fā)展及其應用的研究 10 2 無功補償技術的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀 無功補償原理 無功補償的基本原理是把具有容性設備與感性負載相并聯(lián)．能量 在這兩種負荷間轉換．以減少電網中的無功功率。對感性負載進行無功補償的基本原理說明圖如圖 2l 所示。 圖 21 無功補償原理示意圖 （ a）無功補償前（ b）無功補償后 從 電 流 的 角 度 來 說 ， 感 性 阻 抗 wljRz ?? ，而容性阻抗)1(1 jcwRc w jRZ ????? （ 21），從而可以看出適當的將它們并聯(lián)或者串聯(lián)到一起，可以改變阻抗的虛數分量進而改善電流的質量。 無功補償裝置的發(fā)展歷程 設置無功補償電容器是補償無功功率的傳統(tǒng)方法，目前在國內外均獲廣泛應用。電容器與網絡感性負荷并聯(lián)，以并聯(lián)電容器補償無功功率具有結構簡單、經濟 方便等優(yōu)點，但其阻抗是固定的，故不能跟蹤負荷無功需求的變化，即不能實現(xiàn)對無功功率的動態(tài)補償。 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，要求對無功功率進行動態(tài)補償，從而產生了同步調相機 (Synchronous CondenserSC)。它是專門用來產生無功功率的同步電機，在過勵磁或欠勵磁的情況下，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 30 年代以來的幾十年中，同步調相機在電力系統(tǒng)中作為有源的無功補償曾一度發(fā)揮著主要作用，所以被稱為傳統(tǒng)的無功動態(tài)補償裝置。然而，由于它是旋轉電機，運行中的損耗和噪聲都比較 大，運行維護復雜，而且響應速度慢，難以滿足快速動態(tài)補償的要求。 20 世紀 70 年代以來，同步調相機開始逐漸被靜止型無功補償裝置 (Static Var CompensatorSVC)所取代，目前有些國家已不再使用同步調相機。早期的靜止無沈陽農業(yè)大學學士學位論文 11 功補償裝置是飽和電抗器 (Saturated ReactorSR)型的， 1967 年英國 GEC 公司制成了世界上第一批該型無功補償裝置。飽和電抗器比之同步調相機具有靜止、響應速度快等優(yōu)點；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 不能分相調節(jié)以補償負荷的不平衡，所以未能占據主流。 電力電子技術的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用，將晶閘管的靜止無功補償裝置推上了無功補償的舞臺。 1977 年美國 GE 公司首次在實際電力系統(tǒng)中演示運行了晶閘管的靜止無功補償裝置。 1978 年此類裝置投入實際運行。隨后，世界各大電氣公司都竟相推出了各具特色的系列產品。近 10 多年來，占據了靜止無功補償裝置的主導地位。于是靜止無功補償裝置 (SVC)成了專指使用晶閘管的靜止無功補償裝置，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。 隨著電力電子技術的進一步發(fā)展， 20 世紀 80 年代以來，一種更為先進的靜止型無功補償裝置出現(xiàn)了，這就是采用自換相變流電路的無功補償，有人稱為靜止無功發(fā)生器 (Static Var GeneratorSVG)，也有人稱其為高級靜止無功補償器(Advanced Static Var CompensatorASVC) 或靜止調相器 (Static CondenserSTATCON)。最近，日本和美國已分別有數臺 SVG 裝置投入實際運行。 目前，除對 SVC 和 SVG 的無功補償進一步的探討外，人們還研究用于動態(tài)無功補償的其他各種形式的靜止變流器，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，美國電力研究院還提出統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow ControllerUPFC)。事實上， 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 80 年代以來由美國電力研究院提出的一個嶄新概念，其本質就是將高壓大功率的電力電子技術應用于電力系統(tǒng)中，以增強對電力系統(tǒng)的控制能力，提高原有電力系統(tǒng)的輸電能力。 無功補償分類介紹及經濟性分析 早期的無功補償裝置為并聯(lián)電容器和同步調相機，多在系統(tǒng)的高壓側進行補償。那為什么后來的無功補償裝置的技術發(fā) 展都是基于并聯(lián)電容器而不是同步調相機呢，我們來分類對比一下。 同步發(fā)電機既是有功功率源，又是最基本的無功功率源。當系統(tǒng)的無功功率比較緊張時，必須充分利用發(fā)電機供給無功功率。例如冬季枯水季節(jié)時，水庫水源不多，水力發(fā)電廠不可能按裝機容量發(fā)出額定設計的有功功率，此時應考慮將水輪發(fā)電機降低功率因數運行，使其多發(fā)無功功率，將發(fā)電機以調相機方式運行。無功補償技術的發(fā)展及其應用的研究 12 同步調相機相當于空載運行的同步發(fā)電機，在過勵磁運行時，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。在欠勵磁運行時，它可作為無功功率負荷從系統(tǒng)吸收感性無功功率 以適當降低系統(tǒng)電壓水平，同步調相機欠勵磁運行最大容量一般只有過勵磁運行時的容量的 50%60% 。同步調相機一度發(fā)揮著重要的作用，被稱為傳統(tǒng)的無功動態(tài)補償裝置。同步調相機容量愈大時，其單位容量設備費用就愈低。因此適用于補償容量較大的集中補償方式。然而，由于它是旋轉電機，運行維護復雜，響應速度慢，難以滿足動態(tài)補償要求。 并聯(lián)電容器是電網中應用最多的一種專用無功補償裝置，它價格便宜，易于安裝維護。但是由于電容量固定．不能實現(xiàn)系統(tǒng)無功的無級補償； 由于電容器的負電壓效應．使系統(tǒng)電壓下降更大；在系統(tǒng)存在諧波時．可能發(fā) 生并聯(lián)諧振，放大諧波電流。以上缺點使并聯(lián)電容器已不能適應電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。 從經濟性的角度來說，發(fā)電機原本是用來生產有功功率的，由于不能達到理想的狀況，以致無功功率產生，發(fā)電機的運行時需要消耗其他形式的能源的（水電，火電，核電，風電）而無功功率補償的目的是為了減少有功損耗，保證電質量，從同步調相機是要消耗能源的，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相機 補償能量 ?? ???? ?? 那么如果同步調相機損失的能量所產生的有功功率要比無功補償所節(jié)省的有功功率還多的話，那么這個無功補償就本末倒置了。 而并聯(lián)電容 器本身不需要其他形式的能量，并入電網可以說是自發(fā)的產生無功功率注入電網中，這樣就充分的滿足了經濟性，于是同步調相機被淘汰而并聯(lián)電容器得到了不斷的進化和持久的使用。 無功補償技術的發(fā)展經歷了從同步調相機． —— 開關投 切固定電容器 —— 靜止無功補償器 (SVC)—— 靜止無功發(fā) 生器 (SVG)的過程。 基于電容不能無級補償，為了供電可靠性。通常采用過補償方式，那么由并聯(lián)電容產生的過多的無功電流依然會產生影響 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，它屬于負補償，常用于補償線路電容的作用。并聯(lián)電抗器常用設備是高電壓長線路的重要補償方式，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，可選用與電容器同步調整份接頭的電抗器或選擇串聯(lián)電抗器混合裝設，以便防止電容器組投切實產生的過電壓。并聯(lián)電抗器常用設備是高電壓長線路的重要補償方式。 隨著研究的進一步深入，靜止無功補償技術進入人們的視線中。靜止無功補沈陽農業(yè)大學學士學位論文 13 償技術是指用靜止開關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．穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。 早期的靜止無功補償裝置是飽和電抗器 (Saturatedreaclor一 sR)。其拓撲結構圖如圖 2所示，其中 Cl為斜坡 修正電容， c2為保護電容。 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。自飽和電抗器的動態(tài)響應速度很快，其缺點是鐵心。 損耗較多，伴有振動和噪聲?？煽仫柡碗娍蛊魍ㄟ^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．進一步改變無功電流的大小。它能夠更好的適應母線電壓較大的變化，但是振動和噪聲仍很大 。 圖 22 SR拓撲結構圖 總的來說． SR裝置具有響應速度快的優(yōu)點．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 )，有振動和噪聲．這些缺點使 SR式靜止無功補償裝置目前應用較少．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