□閻顯偉(河南鄭州供電公司)

淺析無功功率在電力系統(tǒng)的應用

□閻顯偉(河南鄭州供電公司)

無功功率對于提高電力系統(tǒng)供電質量、調整電網的電壓、抑制系統(tǒng)諧波干擾，保證電網安全運行都有著十分重要的作用。文章簡述了無功優(yōu)化的概念，系統(tǒng)中控制無功的主要設備，并對無功功率的補償方法及今后無功補償技術發(fā)展的方向:無功功率動態(tài)自動無級調節(jié),進行了探討。

無功功率電力系統(tǒng)補償平衡

1.無功功率的概念

在電力系統(tǒng)中有許多電力設備是依據(jù)電磁感應原理工作的，如變壓器、電動機等設備都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉換和傳遞。為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率。在電力系統(tǒng)中存在許多的感性負荷和非線性裝置，這些負荷需要消耗大量的無功功率。因此無功功率對電網的安全運行具有重要的作用。

2.無功功率的補償

無功功率在電網的傳輸中會引起損耗，但又是電力系統(tǒng)不可或缺的，這是由電網本身的運行規(guī)律決定的。無功功率在有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，保證電網的電壓質量的同時，對系統(tǒng)供、用電也會產生一定的不良影響，大致表現(xiàn)為：

2.1 電網中無功功率的傳輸會引起電能損耗的增加。

2.2 輸變電設備的視在功率一定時，無功功率增加，就要降低輸變電設備的供電能力。

2.3 降低發(fā)電機有功功率的輸出能力。

2.4 系統(tǒng)缺乏無功功率時就會造成低功率因數(shù)運行和電壓下降，使電氣設備容量得不到充分發(fā)揮。

為保證降低電網中流動的無功功率，提高功率因數(shù)，保證有功功率的充分利用，提高系統(tǒng)的供電效率和電壓質量，減少線路損耗，通常在供配電系統(tǒng)中裝設無功裝置實現(xiàn)無功功率的就地補償。補償無功功率后，對電網和供電企業(yè)有如下影響：

2.4.1 無功補償改善電能質量；

2.4.2 無功補償降低電能損；

2.4.3 無功補償挖掘發(fā)供電設備潛力；

2.4.3.1 在 設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。

2.4.3.2 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＝S-S1＝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)。

2.4.3.3 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，充分達到額定出力。

2.4.4 無功補償減少用戶電費支出。

綜上所述，無功功率對電力系統(tǒng)和供電企業(yè)有如此大的影響，而只靠發(fā)電機供給的無功功率，一般滿足不了系統(tǒng)負荷的需要，所以在電網中的特定節(jié)點處要設置一些無功補償設備來補充其區(qū)域的無功功率。無功功率補償?shù)脑瓌t是做到無功功率分層分區(qū)平衡，在無功負荷多，缺少無功功率的區(qū)域安裝無功補償裝置，實現(xiàn)無功功率的就地補償。這既滿足了經濟上的需要，也是電力系統(tǒng)無功功率的特征所必需的，以達到最佳補償?shù)哪康?，解決電力系統(tǒng)無功功率就地平衡的問題。

3.無功功率補償方式

電力系統(tǒng)是一個典型的非線性大系統(tǒng)，近年來,隨著國民經濟的跨越式發(fā)展,電力行業(yè)也得到快速發(fā)展,大機組、重負荷、超高壓遠距離輸電，大型互聯(lián)網絡的發(fā)展，以及對電力系統(tǒng)安全性、經濟性及電能質量的高要求。負荷的快速增長對無功的需求也大幅上升,也使電網中無功功率不平衡,導致無功功率大量的存在。目前,我國電力系統(tǒng)無功功率補償主要采用以下幾種方式：

3.1 并聯(lián)電容器

作為無功補償設備，電容器有以下顯著優(yōu)點：電容器的損耗低，效率高?，F(xiàn)代電容器的損耗只有本身容量的0.02%左右。調相機除了本身的損耗外，其附屬設備所消耗的損耗遠高于電容器；調相機為旋轉電機，運行維護很復雜，電容器是靜止設備，運行維護簡單，沒有噪音。因此，并聯(lián)電容器是無功補償領域中應用最廣泛的無功補償裝置,但電容補償只能補償固定的無功,盡管采用電容分組投切相比固定電容器補償方式能更有效適應負載無功的動態(tài)變化,但是電容器補償方式仍然屬于一種有級的無功調節(jié),不能實現(xiàn)無功的平滑無級的調節(jié)。

3.2 并聯(lián)電抗器

并聯(lián)電抗器是一種感性無功補償設備，它可以吸收系統(tǒng)中過剩的無功功率，避免電網運行電壓過高。目前所用電抗器的容量是固定的,除吸收系統(tǒng)容性負荷外,用以抑制過電壓。為了防止超高壓線路空載或輕負荷運行時，線路的充電功率造成線路電壓升高，一般裝設并聯(lián)電抗器吸收線路的充電功率，同時，并聯(lián)電抗器也用來限制由于突然甩負荷或接地故障引起的過電壓從而危及系統(tǒng)的絕緣。

3.3 并聯(lián)電抗器同步調相機

同步調相機類似于一個專門來產生無功功率的空載運行的同步電機，它可以安裝勵磁裝置，當電網發(fā)生故障時，電壓顯著降低，調相機可以強制進行勵磁，以保持電網電壓穩(wěn)定，從而提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在過勵磁運行時，它向系統(tǒng)供給感性無功功率而起無功電源的作用，能提高系統(tǒng)電壓；在欠勵磁進行時，它從系統(tǒng)吸收感性無功功率而起無功負荷的作用，可降低系統(tǒng)電壓。

上述的幾種補償方式在實際生產運行中取得一定的效果,但也存在一些問題:

3.3.1 諧波干擾:電容器具有一定的抗諧波能力,但諧波含量過大時會對電容器的壽命產生影響,甚至造成電容器的過早損壞;并且由于電容器對諧波有放大作用,因而使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴重。

3.3.2 無功倒送:無功倒送在電力系統(tǒng)中是不允許的,特別是在負荷低谷時,無功倒送造成電壓偏高。

3.3.3 補償方式:目前很多電力部門對無功補償?shù)某霭l(fā)點就地補償,不向系統(tǒng)倒送無功,即只注意補償功率因素,不是立足于降低系統(tǒng)網的損耗。

3.3.4 電壓調節(jié)方式的補償設備帶來的問題:有些無功補償設備是依據(jù)電壓來確定無功投切量的,線路電壓的波動主要由無功量變化引起的,但線路的電壓水平是由系統(tǒng)情況決定的,這就可能出現(xiàn)無功過補或欠補。

4.無功補償技術的發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的無功補償設備可滿足一定范圍內的無功補償要求，但存在響應的速度慢，故障維護困難等缺點。靜止無功補償器((SVC)近年來獲得了很大發(fā)展，己被廣泛用于輸電系統(tǒng)波阻抗補償及長距離輸電的分段補償，也大量用于負載無功補償。其典型代表是固定電容器十晶閘管控制電抗器(TCR)。晶閘管投切電容器也獲得了廣泛的應用。

除了在控制器件方面的改進，隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，在控制方法上也有很大的進步。采用模糊神經網絡、自適應控制等智能型控制方法，研制能同時對電壓、無功功率、三相不平衡、諧波等進行綜合調節(jié)和補償控制的裝置己經成為大家的共識。

目前，在城市配電網公用變壓器低壓側，由于用戶家用電器感性負載的不斷增加，使得其功率因數(shù)較低，導致公用變壓器低壓側線路損耗大，供電電壓指標不能滿足用戶要求。因此，在公用變壓器低壓側進行無功功率補償己成為目前研究的另一個熱門。

國外，城市、農村電網是否安裝戶外無功補償己成為衡量配電網性能的主要指標之一。在日本，配電網系統(tǒng)戶外補償電容器的自動投切率己達86.4%；在美國，許多城市道路旁的電線桿上裝有并聯(lián)電容器組，并采用自動裝置控制。

國內，無功補償主要采用變電站集中補償和企業(yè)就地補償兩種形式。戶外型無功自動補償系統(tǒng)的研究正在起步，已有一些科研單位和公司推出了相應產品。

早期生產的低壓網無功補償控制器多選用分立的電子元件；80年代起發(fā)展為采用CMOS集成電路；近年來發(fā)展的新產品是以微處理器為核心的電腦型智能化產品，并根據(jù)用戶需要開發(fā)出了一批多功能的新產品，可以獲得優(yōu)良的調節(jié)性能和某些獨特的環(huán)節(jié)，使控制器更趨于完善?？刂破麟娐吩O計和生產過程的完善化，對電子元件的老化試驗和篩選，提高了控制器整體的工作可靠性和使用壽命，產品質量的檔次得到提高。

目前主要存在問題是控制規(guī)律簡單、抗干擾能力差，不能很好的解決無觸點開關投切電容的問題，在三相不平衡條件下不能有效的進行無功補償。同時由于戶外工作環(huán)境相對惡劣，裝置的可靠性和控制精度難以滿足現(xiàn)場運行的要求。此外還不具備通訊功能，不能實現(xiàn)全電網的無功優(yōu)化，不能對電能質量進行在線監(jiān)視以滿足現(xiàn)代化電力系統(tǒng)建設的需要。

在公用變低壓側進行無功功率補償，現(xiàn)在對并聯(lián)電容器的分組方式得到了共識。過去生產按等容量分組的控制器，后生產按1:2:4或1:2:4:8不等容量分組的控制器，調控補償設備的容量分組分別為7級和15級。主要發(fā)展帶邏輯電路“先投先切，后投后切”的等容量分組方式的控制器，以使各組并聯(lián)電容器投入運行的時間大致均等，并可減少增減補償容量過程中電容器的投切次數(shù)，但仍舊沒有解決無級投切的問題。

隨著高電壓、大功率半導體器件的不斷更新和發(fā)展，功率變換控制技術的日臻完善，極大地推動了電力電子技術在電力工業(yè)中的廣泛應用，對增強電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，提高輸電能力和用電效率，以及在節(jié)能和改善電能質量等各方面都起著越來越重要的作用。專家們認為在21世紀，會有更多更新的高電壓大功率半導體器件和裝置投入電力工業(yè)的實際運行中，使目前基本不可控的系統(tǒng)變?yōu)殪`活可控(稱為柔性交流輸電系統(tǒng)—FACTS)。

5.結語

由于無功補償對電網完全、優(yōu)質、經濟運行具有重要的作用，因此合理選擇無功補償方案和補償容量，能有效提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，保證電網的電壓質量，提高發(fā)輸電設備的利用率，降低有功網損和減少發(fā)電費用。中國電網的規(guī)模巨大，無功補償對降損節(jié)能，改善電壓質量意義重大。隨著大功率電力電子器件技術的高速發(fā)展,未來的功率器件容量將逐步提高,應用有源濾波器進行諧波抑制,以及應用柔性交流輸電系統(tǒng)技術進行無功功率補償,必將成為今后電力自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2012-06-20