陶明越 薛玉翠

黑龍江省綏化學(xué)院電氣學(xué)院

淺析電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償?shù)难芯窟M(jìn)展

陶明越 薛玉翠

黑龍江省綏化學(xué)院電氣學(xué)院

無功功率補(bǔ)償技術(shù)是保持電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行的一種主要手段，也是當(dāng)今電力電子技術(shù)及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重大課題，已經(jīng)引起人們的高度關(guān)注。本文在無功功率補(bǔ)償原理的基礎(chǔ)上，探討了我國相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，以期促進(jìn)我國電力系統(tǒng)中無功功率補(bǔ)償應(yīng)用的不斷發(fā)展和進(jìn)步。

無功功率補(bǔ)償；研究進(jìn)展；重要意義；補(bǔ)償裝置

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力不斷增強(qiáng)，其用電量也在不斷增長，用電結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了巨大的變化，使得電力供需矛盾不斷激化和加深。要保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和獲得高質(zhì)量的電能，其先決條件就是解決遠(yuǎn)距離輸電，無功補(bǔ)償能有效提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，保證電壓質(zhì)量，提高發(fā)輸電設(shè)備的利用率，降低不必要的網(wǎng)損和減少發(fā)電費(fèi)用，對電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行具有重要的作用。因此，無功補(bǔ)償在電力體系中的應(yīng)用備受矚目，已成為全社會普遍關(guān)注的問題。

1 相關(guān)理論概述

1.1 無功功率補(bǔ)償?shù)脑?/h3>

電能通過發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路送到用戶端，由于受到功率、發(fā)熱和溫升的限制，發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等各種電器都有額定電流、電壓和功率的限制，輸電線路中傳送的功率包括有功功率和無功功率兩部分，有功功率(P)是保持電力設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的電功率，也就是將電力能量全部轉(zhuǎn)化成除電能以外的其他能量（機(jī)械能、光能、熱能等）形式所得出的一個(gè)電功率；無功功率(Q)就是在整個(gè)電氣設(shè)備里的電感、電容這系列的元件在上作的時(shí)候因建立電力磁場而耗用的一個(gè)電功率。目前，在我國的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活用電負(fù)載中，大部分都是感性負(fù)載，如熒光燈、變壓設(shè)備等，這些設(shè)備在運(yùn)行過程中是需要急時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)?。無功補(bǔ)償?shù)幕驹硎前丫哂腥菪缘脑O(shè)備與感性用電負(fù)載之間相并聯(lián)，電能就會在這兩種負(fù)荷間進(jìn)行隨意的轉(zhuǎn)換，從而就達(dá)到了減少在整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中無功功率耗用的作用。

1.2 無功功率補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償形式

無功功率補(bǔ)償?shù)姆绞接泻芏?，要根?jù)自身實(shí)際情況選取不同的補(bǔ)償方式。首先，是集中補(bǔ)償。在高低壓配電中心內(nèi)設(shè)置若干組電容器，將電容器連接在配電母線上，實(shí)現(xiàn)集中補(bǔ)償，從而到達(dá)補(bǔ)償供電范圍內(nèi)無功功率的目的；其次，是分散就地補(bǔ)償，就是在高壓配電裝置或者動(dòng)力箱的母線上連接電容器，實(shí)現(xiàn)對高壓配電裝置或者動(dòng)力箱附近電動(dòng)機(jī)的無功補(bǔ)償。還可以將電容器裝于控制箱中，放置在電動(dòng)機(jī)旁邊，對其進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償。這種單獨(dú)的補(bǔ)償，一般用于降壓啟動(dòng)以及一些有可逆運(yùn)行操作要求的電動(dòng)機(jī)等；再次，是組合補(bǔ)償，這是目前應(yīng)用比較廣泛的一種補(bǔ)償方式。組合補(bǔ)償方式可以分為固定補(bǔ)償與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合的組合補(bǔ)償、三相共補(bǔ)與分相補(bǔ)償相結(jié)合的組合補(bǔ)償、穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償與快速跟蹤補(bǔ)償相結(jié)合的組合補(bǔ)償三種；最后，是智能無功補(bǔ)償，是目前比較先進(jìn)的一種補(bǔ)償方式，這種方式可以進(jìn)行低壓無功補(bǔ)償、監(jiān)測綜合配電、計(jì)量配電區(qū)的線損、考核電壓合格率等。

2 電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償研究現(xiàn)狀

我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展離不開電力系統(tǒng)的長足進(jìn)步，目前，國內(nèi)已經(jīng)形成了巨大的電路網(wǎng)絡(luò)，只要有一點(diǎn)點(diǎn)改變能降低能耗損失，就是巨大的財(cái)富，會為我國減少很多能源。因此，自從武功功率補(bǔ)償原理明確之后，就有很多專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究。1989年，貴州工學(xué)院電氣工程系的胡國根、劉明富等幾名專家全面地分析了當(dāng)時(shí)國內(nèi)外無功功率研究的動(dòng)態(tài)和現(xiàn)狀，并根據(jù)貴州電網(wǎng)的實(shí)際現(xiàn)狀，提出了一些有益的改進(jìn)建議和措施[1]；2008年，廣東省電力試驗(yàn)研究所的曾紀(jì)添闡述了國內(nèi)外電力系統(tǒng)無功電壓控制的問題、發(fā)展的方向、AVC研究現(xiàn)狀及電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定的策略[2]；2010年，華南理工大學(xué)電力學(xué)院的朱鷹屏博士研究了電壓穩(wěn)定性的定義、本質(zhì)、研究方向和相關(guān)理論，以及無功功率控制策略在電壓穩(wěn)定性方面的研究現(xiàn)狀[3]；2011年，牡丹江電業(yè)局的李春麗對在電網(wǎng)建設(shè)里無功功率補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)施意義方面進(jìn)行了講解，介紹了目前國內(nèi)外在無功補(bǔ)償技術(shù)上的開發(fā)、研究現(xiàn)狀[4]；同年，廣西電網(wǎng)公司欽州供電局的黃林燕，以廣西欽州10 kV配網(wǎng)為例，分析了電網(wǎng)無功的管理以及無功補(bǔ)償設(shè)備的重要性，重點(diǎn)研究了配網(wǎng)無功補(bǔ)償容量如何優(yōu)化配置、容量選擇及應(yīng)用前景等[5]。雖然我國已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但是科學(xué)是在不斷進(jìn)步的，我們應(yīng)積極利用先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，研究無功功率補(bǔ)償設(shè)備的研制等，促進(jìn)我國電力系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

3 無功功率補(bǔ)償裝置的研究進(jìn)展

3.1 并聯(lián)電容器組裝置

并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置就是把電容器組并聯(lián)接在用電負(fù)荷或者供電設(shè)備上，負(fù)荷所需的無功功率是由電容器組供給一部分，而相應(yīng)的裝置就是并聯(lián)電容器組裝置。通過電容器組減少了無功功率的輸送，達(dá)到了減少線路電量損耗、改善電壓質(zhì)量、提高了電力設(shè)備效率的作用。采用這種形式一般都是就地補(bǔ)償，將電容器組安裝在用電負(fù)荷中心或者附近位置，補(bǔ)償線路以及變壓器的I2X損耗，保證在重負(fù)荷下有很好的電壓水平，越在線路末端，短路容量越小，改善電壓的效果也就越好。目前，靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是這種裝置的主要形式之一。靜止同步補(bǔ)償器可以校正穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電壓，也可以在故障之后恢復(fù)期間的高速穩(wěn)定電壓，對提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定具有十分重要的作用，而且這種裝置的體積小、價(jià)格低、機(jī)械慣性小、機(jī)械損耗和旋轉(zhuǎn)噪聲也很小。但是這種并聯(lián)補(bǔ)償裝置是以犧牲穩(wěn)定區(qū)域以及電壓調(diào)節(jié)范圍為代價(jià)的，因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用。

3.2 串聯(lián)電容器組裝置

電容器串聯(lián)補(bǔ)償裝置是把電容器組串聯(lián)于輸電線路上，采用集中電容補(bǔ)償線路的電感，改變線路的具體參數(shù)，減少了線路上的電壓損耗。電壓的提高導(dǎo)致線路的參數(shù)改變，功率損失也就相應(yīng)的減少了。這種補(bǔ)償裝置無功功率輸出是隨著線路的負(fù)載增加而不斷增加的，增加穩(wěn)定極限，改善電壓的調(diào)節(jié)。制約這種裝置應(yīng)用的主要問題在于次同步諧振和過電壓現(xiàn)象，因此，只有當(dāng)功率因數(shù)較低，導(dǎo)線截面積較大的長線路，才可以使用這種串聯(lián)電容器組裝置這樣才會更合理。

3.3 調(diào)相機(jī)裝置

調(diào)相機(jī)裝置其本質(zhì)就是一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，是沒有有功輸出的同步機(jī)，它的電壓控制特性與同步發(fā)電機(jī)是一樣的，不托動(dòng)機(jī)械的負(fù)載，也不需要原動(dòng)機(jī)的托動(dòng)，這是因?yàn)樗梢晕障到y(tǒng)少量的有功功率，為本身轉(zhuǎn)動(dòng)提供能量。調(diào)相機(jī)裝置的轉(zhuǎn)子上有直流勵(lì)磁，以保持其與系統(tǒng)頻率相同轉(zhuǎn)速。調(diào)相機(jī)裝置可以方便地調(diào)節(jié)無功功率的供需平衡，還可以提均勻地調(diào)整供電電壓。

3.4 靜止無功補(bǔ)償(SVC)裝置

靜止無功補(bǔ)償器(SVC)裝置是當(dāng)前最先進(jìn)的無功補(bǔ)償裝置，它大致可以分為可控飽和電抗器型、自飽和電抗器型、相控電抗器型三種形式。靜止無功補(bǔ)償器可以進(jìn)行雙向連續(xù)、平滑的調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)速度快，沒有旋轉(zhuǎn)部件，因此，運(yùn)行維護(hù)非常簡單，特別適合用于中高壓電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償。但是它也存在一定的問題，它自身工作過程中會產(chǎn)生諧波，會污染整個(gè)電力系統(tǒng)，如何避免這一現(xiàn)象也是各國專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

4 無功功率補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢

根據(jù)上述我國無功功率補(bǔ)償?shù)那闆r及出現(xiàn)的問題，今后我國的無功功率補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展方向是無功功率動(dòng)態(tài)自動(dòng)無級調(diào)節(jié)，諧波抑制，有以下幾種裝置。⑴TSC補(bǔ)償裝置。這種TSC是通過微機(jī)檢測電網(wǎng)電壓和電流，計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)碾娙轃o功量，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間投入或切除相當(dāng)數(shù)量的帶你容器，從而控制電網(wǎng)的功率因數(shù)在允許的范圍內(nèi)，TSC 補(bǔ)償裝置操作無涌流，跟蹤響應(yīng)快，并具有各種保護(hù)功能；⑵SVG。SVG靜止無功發(fā)生器的原理是將自然換相電路接到電網(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)交流側(cè)的電壓或電流，使得SVG電路吸收或者發(fā)出無功電流，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。其具有響?yīng)速度快，連接電抗小，諧波含量小，運(yùn)行范圍廣，通過增大直流側(cè)電容值，在短時(shí)間內(nèi)還可以向電網(wǎng)提供部分有功功率等優(yōu)點(diǎn)；⑶電力有源濾波器。運(yùn)用瞬時(shí)濾波形成技術(shù)，對包含諧波和無功分量的非正弦波進(jìn)行“矯正”，其補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗參數(shù)影響較小；⑷綜合潮流控制器。其方法是將一個(gè)由晶閘管換流器產(chǎn)生的交流電壓串入并疊加在輸電線相電壓上，使其幅值和相角皆可連續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)線路有功和無功功率的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，并可提高輸送能力以及阻尼系統(tǒng)振蕩。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)：無功是其本身裝置控制和產(chǎn)生的，消耗或提供有功功率較少。

伴隨著超高壓輸電技術(shù)的發(fā)展，對輸電線路的無功功率補(bǔ)償技術(shù)研究仍在繼續(xù)，研究的重點(diǎn)主要在控制策略上，模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等控制手段已經(jīng)應(yīng)用在SVC和SVG系統(tǒng)中，提高了SVC和SVG系統(tǒng)性能。隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，電力電子源濾波器因?yàn)榫哂辛己玫膭?dòng)態(tài)控制性能正日益受到重視，應(yīng)用越來越多，必將成為今后無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)的發(fā)展方向。

[1]胡國根,劉明富,許克明等.電力系統(tǒng)無功功率控制的研究現(xiàn)狀[J].貴州工學(xué)院學(xué)報(bào), 1989, 18(1):1-6.

[2]曾紀(jì)添.電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償及電壓穩(wěn)定性研究綜述[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2(1):56-60.

[3]朱鷹屏,蔡澤祥,張緒紅.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及其無功功率控制策略研究[J].廣東電力, 2010,23(12):13-17.

[4]李春麗.電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].中國科技財(cái)富, 2011,10:18.

[5]黃林燕.電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償設(shè)備的應(yīng)用—以廣西欽州10kV配網(wǎng)為例[J].技術(shù)研發(fā), 2011,18(12):70-72.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.20.003

陶明躍（1990-），男，黑龍江省通河縣人，綏化學(xué)院電氣學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

薛玉翠 綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院。