□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(yīng)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(zhì)量、調(diào)整電網(wǎng)的電壓、抑制系統(tǒng)諧波干擾，保證電網(wǎng)安全運(yùn)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(shè)備，并對無功功率的補(bǔ)償方法及今后無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展的方向:無功功率動態(tài)自動無級調(diào)節(jié),進(jìn)行了探討。

無功功率電力系統(tǒng)補(bǔ)償平衡

1.無功功率的概念

在電力系統(tǒng)中有許多電力設(shè)備是依據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，如變壓器、電動機(jī)等設(shè)備都是依靠建立交變磁場才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場和感應(yīng)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(fù)荷和非線性裝置，這些負(fù)荷需要消耗大量的無功功率。因此無功功率對電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要的作用。

2.無功功率的補(bǔ)償

無功功率在電網(wǎng)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(wǎng)本身的運(yùn)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(wǎng)的電壓質(zhì)量的同時，對系統(tǒng)供、用電也會產(chǎn)生一定的不良影響，大致表現(xiàn)為：

2.1 電網(wǎng)中無功功率的傳輸會引起電能損耗的增加。

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

2.3 降低發(fā)電機(jī)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(yùn)行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。

為保證降低電網(wǎng)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(zhì)量，減少線路損耗，通常在供配電系統(tǒng)中裝設(shè)無功裝置實現(xiàn)無功功率的就地補(bǔ)償。補(bǔ)償無功功率后，對電網(wǎng)和供電企業(yè)有如下影響：

2.4.1 無功補(bǔ)償改善電能質(zhì)量；

2.4.2 無功補(bǔ)償降低電能損；

2.4.3 無功補(bǔ)償挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力；

2.4.3.1 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。

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?nèi)萘恳蚕鄳?yīng)地減少ΔS計算如下：ΔS＝S-S1＝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計算如下：ΔS/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)。

2.4.3.3 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)到額定出力。

2.4.4 無功補(bǔ)償減少用戶電費(fèi)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(jī)供給的無功功率，一般滿足不了系統(tǒng)負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中的特定節(jié)點(diǎn)處要設(shè)置一些無功補(bǔ)償設(shè)備來補(bǔ)充其區(qū)域的無功功率。無功功率補(bǔ)償?shù)脑瓌t是做到無功功率分層分區(qū)平衡，在無功負(fù)荷多，缺少無功功率的區(qū)域安裝無功補(bǔ)償裝置，實現(xiàn)無功功率的就地補(bǔ)償。這既滿足了經(jīng)濟(jì)上的需要，也是電力系統(tǒng)無功功率的特征所必需的，以達(dá)到最佳補(bǔ)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(bǔ)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(jīng)濟(jì)的跨越式發(fā)展,電力行業(yè)也得到快速發(fā)展,大機(jī)組、重負(fù)荷、超高壓遠(yuǎn)距離輸電，大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以及對電力系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性及電能質(zhì)量的高要求。負(fù)荷的快速增長對無功的需求也大幅上升,也使電網(wǎng)中無功功率不平衡,導(dǎo)致無功功率大量的存在。目前,我國電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償主要采用以下幾種方式：

3.1 并聯(lián)電容器

作為無功補(bǔ)償設(shè)備，電容器有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：電容器的損耗低，效率高。現(xiàn)代電容器的損耗只有本身容量的0.02%左右。調(diào)相機(jī)除了本身的損耗外，其附屬設(shè)備所消耗的損耗遠(yuǎn)高于電容器；調(diào)相機(jī)為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，運(yùn)行維護(hù)很復(fù)雜，電容器是靜止設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)簡單，沒有噪音。因此，并聯(lián)電容器是無功補(bǔ)償領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的無功補(bǔ)償裝置,但電容補(bǔ)償只能補(bǔ)償固定的無功,盡管采用電容分組投切相比固定電容器補(bǔ)償方式能更有效適應(yīng)負(fù)載無功的動態(tài)變化,但是電容器補(bǔ)償方式仍然屬于一種有級的無功調(diào)節(jié),不能實現(xiàn)無功的平滑無級的調(diào)節(jié)。

3.2 并聯(lián)電抗器

并聯(lián)電抗器是一種感性無功補(bǔ)償設(shè)備，它可以吸收系統(tǒng)中過剩的無功功率，避免電網(wǎng)運(yùn)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(fù)荷外,用以抑制過電壓。為了防止超高壓線路空載或輕負(fù)荷運(yùn)行時，線路的充電功率造成線路電壓升高，一般裝設(shè)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(fù)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(diào)相機(jī)

同步調(diào)相機(jī)類似于一個專門來產(chǎn)生無功功率的空載運(yùn)行的同步電機(jī)，它可以安裝勵磁裝置，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，電壓顯著降低，調(diào)相機(jī)可以強(qiáng)制進(jìn)行勵磁，以保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在過勵磁運(yùn)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(jìn)行時，它從系統(tǒng)吸收感性無功功率而起無功負(fù)荷的作用，可降低系統(tǒng)電壓。

上述的幾種補(bǔ)償方式在實際生產(chǎn)運(yùn)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(chǎn)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(yán)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(fù)荷低谷時,無功倒送造成電壓偏高。

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

3.3.4 電壓調(diào)節(jié)方式的補(bǔ)償設(shè)備帶來的問題:有些無功補(bǔ)償設(shè)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(bǔ)或欠補(bǔ)。

4.無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備可滿足一定范圍內(nèi)的無功補(bǔ)償要求，但存在響應(yīng)的速度慢，故障維護(hù)困難等缺點(diǎn)。靜止無功補(bǔ)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(bǔ)償及長距離輸電的分段補(bǔ)償，也大量用于負(fù)載無功補(bǔ)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(yīng)用。

除了在控制器件方面的改進(jìn)，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，在控制方法上也有很大的進(jìn)步。采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)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(jìn)行綜合調(diào)節(jié)和補(bǔ)償控制的裝置己經(jīng)成為大家的共識。

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

國外，城市、農(nóng)村電網(wǎng)是否安裝戶外無功補(bǔ)償己成為衡量配電網(wǎng)性能的主要指標(biāo)之一。在日本，配電網(wǎng)系統(tǒng)戶外補(bǔ)償電容器的自動投切率己達(dá)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(nèi)，無功補(bǔ)償主要采用變電站集中補(bǔ)償和企業(yè)就地補(bǔ)償兩種形式。戶外型無功自動補(bǔ)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(yīng)產(chǎn)品。

早期生產(chǎn)的低壓網(wǎng)無功補(bǔ)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(chǎn)品是以微處理器為核心的電腦型智能化產(chǎn)品，并根據(jù)用戶需要開發(fā)出了一批多功能的新產(chǎn)品，可以獲得優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能和某些獨(dú)特的環(huán)節(jié)，使控制器更趨于完善?？刂破麟娐吩O(shè)計和生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)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(diǎn)開關(guān)投切電容的問題，在三相不平衡條件下不能有效的進(jìn)行無功補(bǔ)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(yùn)行的要求。此外還不具備通訊功能，不能實現(xiàn)全電網(wǎng)的無功優(yōu)化，不能對電能質(zhì)量進(jìn)行在線監(jiān)視以滿足現(xiàn)代化電力系統(tǒng)建設(shè)的需要。

在公用變低壓側(cè)進(jìn)行無功功率補(bǔ)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(chǎn)按等容量分組的控制器，后生產(chǎn)按1:2:4或1:2:4:8不等容量分組的控制器，調(diào)控補(bǔ)償設(shè)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(yùn)行的時間大致均等，并可減少增減補(bǔ)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(dǎo)體器件的不斷更新和發(fā)展，功率變換控制技術(shù)的日臻完善，極大地推動了電力電子技術(shù)在電力工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，對增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)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(zhì)量等各方面都起著越來越重要的作用。專家們認(rèn)為在21世紀(jì)，會有更多更新的高電壓大功率半導(dǎo)體器件和裝置投入電力工業(yè)的實際運(yùn)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(jié)語

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

2012-06-20