【文章內(nèi)容簡介】 b 是 090?? 時 u 和 i 的波形。這時電路的有功功率為 15 圖 23b RUtui dP2)(21 220 ?? ?? ?? 電流 i 的有效值為 ?? ? ?? 20 2 )(21 tdip 功率 因數(shù)為 22???UIPSP? 無功功率 Q 為 spsQ 2222 ??? 其無功功率一部分是由基波電流移相產(chǎn)生的，另一部分是由諧波電流產(chǎn)生的。因為負載中沒有儲能元件，而且是單相電路，所以，這里沒有上述意義上的無功能量的流動，其無功功率是由電路非線性產(chǎn)生的。 傳統(tǒng)的無功功率是由儲能元件引起的負荷與電源之間能量交換的最大值，是負荷與電源間交換能量的一種度量。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多非儲能元件也會吸收無功這主要是器件的非線性引起的。電力 系統(tǒng)中的無功消耗主要來自兩個方面，一是輸電線路自身消耗的無功，另一方面是負荷消耗的無功。輸電設(shè)備在輸送電能時要吸收一定的無功，在高壓配電網(wǎng)絡(luò)中為了提高電網(wǎng)的輸送容量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性一般會對這部分無功進行補償，如對線路進行串聯(lián)補償，一些重要的節(jié)點進行并聯(lián)補償。負荷吸收的負載主要 16 是指感性負載和大量的非線性負荷消耗無功，如工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中使用的異步電動機，日光燈、以及各種變流設(shè)備，工業(yè)電爐、電氣機車等，這些負荷中有些容量很大，再啟動和使用中都會吸收大量的無功，常會引起電網(wǎng)電壓波動和畸變。 在電力系統(tǒng)中，負載中的 感性負載會降低電網(wǎng)的功率因數(shù)，會給電力系統(tǒng)產(chǎn)生下列不良影響。 （ 1） 降低發(fā)電機組的輸電能力和輸變電設(shè)備的輸電能力，是電氣設(shè)備的效率降低，發(fā)電和輸變電成本提高。 （ 2）增加了輸電損耗，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。 （ 3）增加了電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的電壓損耗，引起電壓的波動和閃 變。 17 第三章 無功補償?shù)睦碚摷把b置 傳統(tǒng)的功率定義大都建立在均值的基礎(chǔ)上的。單相正弦電路或者三相對稱正弦電路中，利用傳統(tǒng)概念定義的有用功率、無用功率、視在功率、和功率因數(shù)的概念都很清楚。但當電壓或者電流含有諧波時，或三相 電路不平衡時，功率現(xiàn)象比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的概念無法正確的對她作出解釋和描述。建立能包含畸變和不平衡現(xiàn)象的完善的功率理論，是電路理論中的一個重要的基礎(chǔ)課題。 學(xué)術(shù)界有關(guān)功率理論的爭論可以追溯到 20 世紀 20 和 30 年代， Eudeanu 和 Fryze最早分別提出在頻域定義和時域定義的方法，以后又有各種定義和理論不斷出現(xiàn)。 20世紀 80 年代以來，新的定義和理論更是不斷推出。自 1991 年以來，已多次舉辦了專門的討論非正弦情況下功率定義和測量問題的國際會議，但迄今為止仍未找到解決問題的理論和方法。新的理論往往是解決了前人未解決的 問題，同時卻也存在著另一些不足，或引出了新的待解決的問題。對新提出的功率定義和理論應(yīng)具有如下要求： （ 1）物理意義明確，能清晰地解釋各種功率現(xiàn)象，并能在某種程度上與傳統(tǒng)概念理論一致。 （ 2）有利于對諧波源和無功功率的辨別和分析，有利于對諧波和無功功率的流動的理解。 （ 3） 有利于對諧波和無功功率的補償和抑止，并能為其提供理論指導(dǎo)。 （ 4）能夠被精確測量，有利于有關(guān)諧波和無功功率的檢測、管理和收費。 根據(jù)上述要求，可將現(xiàn)有的無功功率理論分為圖 31 所示的三大類。迄今為止各種無功功率定義和理論只解決一兩方面的問 題不能滿足全部需求。 Czarnecki 和Depenbrock 的工作對第一類功率理論一兩解決起了較大的促進作用。 提出的瞬時無功理論解決了諧波和無功的瞬時檢測和不用儲能元件實現(xiàn)諧波和無功補償?shù)葐栴}，無功補償裝置的研究開發(fā)起到了很大的推動作用。但這一理論的物理意義較為模糊，與傳統(tǒng)理論的關(guān)系不夠明確，在解決的一類問題和第三類問題時有一定困難。對第三類理論問題的研究雖然取得了一定的成果，但迄今沒有較大突破?？傊绻⒏鼮橥晟频墓β识x和理論，特別是為供電企業(yè)和電力用戶廣泛接受，還需要進行更多的努力。 18 圖 31 傳統(tǒng)的無功補償是用普通開關(guān)將電容器或者電抗器投入電網(wǎng)，它會產(chǎn)生很大的沖擊電流，而且，將電容器從電路中切除時，會產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，現(xiàn)已被動態(tài)補償裝置逐漸代替。早期的動態(tài)補償裝置是同步調(diào)相機 SC，它是用來專門產(chǎn)生無功功率的同步電動機，它能產(chǎn)生不同大小容性或者感性的無功功率。 70 年代以來，同步調(diào)相機已經(jīng)開始逐漸被靜止無功補償裝置（ SVC） 所代替。 1977 年美國 GE 公司首次在實際電力系統(tǒng)中演示運行其使用了晶閘管的靜止無 功補償裝置。 1978 年，在美國電力研究院的支持下，美國西屋電氣公司制造的使用晶閘管的靜止無功補償裝置投入實際使用。靜止無功補償裝置包括晶閘管控制的電抗器（ TCR）和晶閘管投切電容器（ TSC）以及兩者的混合裝置 TCR+TSC，或者晶閘管控制電抗器和固定電抗器（ FC） 或機械投切電容器（ MSC） 混合使用的裝置。在國內(nèi) SVC 越來越廣泛的被應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，成為電力系統(tǒng)中支持電網(wǎng)電壓的重要手段。 早期的無功補償裝置不能跟蹤負荷無功需求的變化，而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率進行快速動態(tài) 補償?shù)男枨笤絹碓酱蟆﹄娏ο到y(tǒng)中的無功功率進行快速的動態(tài)補償，可以實現(xiàn)對動態(tài)無功負荷的功率因數(shù)的校正、改善電壓調(diào)整、提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性、阻尼系統(tǒng)振蕩、降低過電壓、減少電壓閃爍、阻尼次同步振蕩、減少電壓和電流的不平衡。應(yīng)當指出的是，以上的這些功能雖然是相互關(guān)聯(lián)的，但實際的靜止無功補償裝置往往只是對其中某一條或者幾條為直接控制目標，其控制策略亦因此而有所不同。因此，這些功能有的屬于對一個或者幾個在一起的負載的補償效果 (負載補償 )，有的則是以整個輸電系統(tǒng)性能的改善和傳輸能力的提高為目的 (輸電補償 )，而 改善電壓調(diào)整，提高電壓穩(wěn)定性，則可以看作是兩者的共同目標。 各種功率理論 第一類 適應(yīng)與諧波和無功功率的識別 第二類 適應(yīng)于諧波和無功功率的補償和抑制 第三類 適應(yīng)于儀表測量和電能的管理、收費 19 下面以改善電壓調(diào)整的基本功能為例，對無功功率動態(tài)補償?shù)脑碜龊喴慕榻B。 （ a） 圖 32 (b) 圖 32(a)所示為系統(tǒng)、負載和補償器的單相等效電路圖。其中， U 為系統(tǒng)電壓， R和 X 為系統(tǒng)電阻和電抗。假定負載變化很小，故有 UU?? ，則假定 R《 X，反映系統(tǒng)電壓與無功規(guī)律變化的特性曲線如圖 32(b)中實線所示，由于系統(tǒng)電壓變化不大，其橫坐標也可以換為無功電流?？梢钥闯觯撎匦郧€是向下傾斜的，即隨著系統(tǒng)供給的 無功功率 Q 的增加，系統(tǒng)電壓下降。由電力系統(tǒng)中的分析可知，系統(tǒng)的特性曲線可近似用下式表示 式中 0U—— 無功功率為零時的系統(tǒng)電壓 scS—— 系統(tǒng)短路容量 由上式可見，無功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成比例的變化。投入補償器后，系統(tǒng)供給的無功功率為負載和補償器無功功率之和，即 因此，當負載無功功率lQ變化時，如果補償器的無功功率總rQ能彌補的lQ 變化，從而使 Q 維持不變，即 0??Q ，則 Q? 也將為 0，供電電壓保持恒定。這就是對無功功率進行動態(tài)補償?shù)脑怼? 設(shè)置無功補償電容器是補償無功功率的傳統(tǒng)方法之一，目前在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。使用并聯(lián)電容補償器具有結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟方便的優(yōu)點。 20 (1)并聯(lián)電容器補償無功功率的原理 在實際的電力系統(tǒng)中，大部分負載為異步電動機。包括異步電動機在內(nèi)的多 數(shù)電氣設(shè)備 的等效電路可看作電阻 R 電感 L 串聯(lián)的電路其功率因數(shù)為 (31) 式中 LXL ?? 給 R、 L 電路并聯(lián)接入 C 電路 ， 該電路的電流方程為 （ 32） 由 于 并聯(lián)電容電壓 .U 與 I 的相位差變小來了，供電回路的功率因數(shù)提 高了。因此，電流 .I 的相位滯后電壓 .U ,這種情況叫欠補償。 若電容 C 的容量過大，使得供電電流 .I 的相位超前電壓 U ，這種補償叫做過補償 。通常不希望出現(xiàn)過補償?shù)那闆r，因為會引起變壓器二次側(cè)電壓的升高，而容性無功功率在電力線路上傳輸同樣會則增加電能的損耗，使溫升增大，影響點電容的壽命。 （ 2） 并聯(lián)電容器補償容量的計算 電容器的補償容量與采用的補 償方式、未補償時的負載情況、電容器接法有關(guān)。 集中補償和分組補償?shù)娜萘坑嬎銜r，總的補償容量由下式?jīng)Q定： )t a n(t a n 21 ??? ? ?? CVc PQ （ 33） 或 ccvc pqQ ??? （ 34） 式中cP—— 由變配電所供電的月最大有功計算負載（ KV） V??—— 月平均負載率，一般可取 到 之間 1?—— 補償前的功率因數(shù)角，1cos?可取最大負載時的值 2?—— 補償后的功率因數(shù)角，參考電力部門的要求確定一般可取 到 cq—— 電容補償率 (Kvar/KW),即每千瓦有功負載需要補償?shù)臒o功功率，22c os LXRR???rlc iii ?? 21 21 tantan ?? ??cq。 電容器接法不同時，每相電容器所 需的容量是不一樣的。 電容器組成星形連接時 32333 10101 3310 ?????? UCCUUUIQC ???? (35) 式中 U —— 裝設(shè)地點電網(wǎng)電壓（ V） cI—— 電容器組的線電壓（ A） ?C —— 每相電容器組的電容量（ F） 考慮到電網(wǎng)電壓的單位常用 KV，cQ的單位為 Kvar，則星形聯(lián)接時每相電容器的容量為 2310 UQCC cy ?? ??? (36) 式中，yC的單位是 F? 。 電容器組為三角形聯(lián)結(jié)時 (37) 若線電壓Ｕ的單位為 KV 則每相電容的容量（單位為 F? ） 23310UQC C???? (38) 就地補償電容容 量計算 單臺異步電動機裝有就地補償電容器時，如電動機突然與電源斷開，電容器將對電動機放電而產(chǎn)生勵磁現(xiàn)象。如果補償電容器補償過大，可能因電動機慣性轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生過電壓，導(dǎo)致電動機損壞。為防止這種情況，不宜使電容器補償容量過大，應(yīng)以電容器組在此時的放電電流大于電動機的空載電流為限，即 30 103 ?? IUQ NC (39) 式中 NU —— 供電系統(tǒng)額定線電壓（ v） 0I—— 電動機額定空載電流（ A） 若電動機空載電流在產(chǎn)品樣品中查不到可用下式估算： 3233 1031013103 ?????? UCCUUUIQ c ???? 22 )c o s1(2 `0 NMNI ??? (310) 靜止無功功率補償器簡稱靜止補償器（ SVC） ,出現(xiàn)在 20 世紀 70 年代初，是目前為止應(yīng)用較多的動態(tài)無功補償裝置。 SVC 主要有并聯(lián)電容器組、可調(diào)飽和電抗器以及檢測與控制系統(tǒng)三部分組成。其兼有電容器 和調(diào)相機兩者的優(yōu)點，可在幾個周期內(nèi)快速完成調(diào)節(jié)，保護網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。 SVC 平滑的動態(tài)補償特性是指補充進電網(wǎng)的無功電流是按照電網(wǎng)的無功需求變化而變化的。由于無功和電網(wǎng)是直接聯(lián)系的，所以調(diào)節(jié)無功在很大程度上是為了系統(tǒng)電壓質(zhì)量和電壓支撐。靜止無功發(fā)生器就是典型的一種靜止無功功率補償裝置。 1． 靜止無功發(fā)生器的原理 靜止無功發(fā)生器系統(tǒng)是應(yīng)無功補償快速、準確和減少諧波的要求而出現(xiàn)的，是采用變流器結(jié)構(gòu)和新型電力電子器件、智能控制芯片實現(xiàn)的高性能無功補償系統(tǒng)。目前研究的熱點主要圍繞改善電路結(jié)構(gòu)、改進信號測量 技術(shù)、尋找更佳的控制