浅析电力系统的无功补偿问题

(内蒙古第二电力建设工程责任有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)
摘 要：文章结合当前人们关注的无功补偿问题，对无功 补偿的原理和各种补偿装置作了简单介绍。

关键词：电力系统；无功补偿；电 容器；调相机；SVC
中图分类号：TM714.3  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)08—0118—02 

在电力系统中，电压是衡量电能质量的重要标准，而电压水平又取决于无功功率平衡与否。 大多数负荷需要消耗无功功率，电力网中各种输电设备也会引起一定的无功损耗。无功功率 是一种既不能作有功，但又会在电网中引起损耗，而且又是不能缺少的一种功率，它由电网 本身的运行规律决定的，但它给电网运行带来了许多麻烦。因此，为了满足供电需求，必须 使电源所发出的无功功率达到相对平衡。 

由于无功补偿对电网安全、优质、经济运行具有重要作用，因此无功补偿是电力部门和 用户共同关注的问题。合理选择无功补偿方案和补偿容量，能有效提高系统的电压稳定性， 保证电网的电压质量，提高发输电设备的利用率，降低有功网损和减少发电费用。中国电网 的规模巨大，无功补偿对降损节能，改善电压质量意义重大。

1 无功功率补偿 

无功功率补偿的基本原理是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电 路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能 量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的 无功功率中得到补偿。 
2 各种补偿装置

在实际电力系统中，异步电动机作为传统的主要负荷使电网产生感性无功电流；电力电子装 置大多数功率因数都很低，导致电网中出现大量的无功电流。无功电流产生无功功率，给电 网带来额外负担且影响供电质量。因此，无功功率补偿就成为保持电网高质量运行的一种主 要手段之一，这也是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临发展的一个重大课题， 受到越来越多的关注。 

无功补偿装置包括发电机、静止电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡电网 的无功功率，改善输电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压 器和高压输电线路的无功损耗。
2.1 发电机

发电机既是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。发电机在无功状态运行下， 可以发出无功功率。由公式Q_GN＝S_GNsinφ＝P_GNtanφ、Q_GN、S_GN、P_GN——分别为发电机的额定无功功率、额定视在功率、额定有功功率， 由公式可知，当系统无功不足，而有功备用容量较充裕时，可以利用靠近负荷中心的发电机 降低功率因数，使之在地功率因数下运行，从而多发出无功功率以提高电力网的电压水平。 
2.2 静止电容器

无功补偿静止电容器是补偿无功功率的传统方法，目前在国内外应用较为广泛。静止电容器 可以按三角形接法或星形接法连接在变电所的母线上。电容器与网络感性负荷并联，以并联 电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，但其阻抗是固定的，故不能跟踪负荷 无功需求的变化，即不能实现对无功功率的动态补偿。当借点电压下降时，提供给系统的无 功功率将减小。因此，当系统发生故障或由于其他原因电压下降时，电容器无功输出的减少 将导致电压继续下降。故电容器的无功功率调节性能比较差。
2.3 同步调相机

随着电力系统的发展，要求对无功功率进行动态补偿，从而产生了同步调相机(Synchronous  Condenser--SC)。它相当于是专门用来产生无功功率的空载运行的同步电机。在过励磁运 行时，它向系统供给感性无功功率而起无功电源的作用，能提高系统电压；在欠励磁运行时 ，它从系统吸收感性无功功率而起无功负荷的作用，可降低系统电压。自20世纪30年代以来 的几十年中，同步调相机在电力系统中作为有源的无功补偿曾一度发挥着主要作用，所以被 称为传统的无功动态补偿装置。然而，由于它是旋转电机，运行中的损耗和噪声都比较大， 运行维护复杂，而且响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。 
2.4 静止无功补偿装置

20世纪70年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置(Static Var Compensator- -SVC)所取代，目前有些国家已不再使用同步调相机。早期的静止无功补偿装置是由静止电 容器与电抗器并联的静止补偿器。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结 合起来，再配以适当的调节装置，就成为能够平滑的改变输出无功功率的静止补偿器。 

包括饱和电抗器型、自饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型、可控硅控制电抗器和可控硅投 切电容器组合型静止补偿器。

饱和电抗器(Saturated Reactor--SR)型、1967年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功 补偿装置。饱和电抗器比之同步调相机具有静止、响应速度快等优点；但其铁芯需磁化到饱 和状态，因而损耗和噪声还是很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节 以补偿负荷的不平衡，所以未能占据主流。

电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装置推上了无 功补偿的舞台。1977年，美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了晶闸管的静止无功补 偿装置。1978年，此类装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特色 的系 列产品。近10多年来，占据了静止无功补偿装置的主导地位。于是静止无功补偿装置(SVC) 成了专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器(Thyristor ontrolled R eactor——TCR)和晶闸管投切电容器(Thyistor Switched Capactor——TSC)，以及这两者 的混合装置(TCR+TSC)，或者TCR与固定电容器(Fixed Capacitor——FC)或机械投切电容器( Mechanically Switched Capacitor——MSC)混合使用的装置(即TCR+FC、TCR+MSC)等。 

随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，一种更为先进的静止型无功补偿 装置出现了，这就是采用自换相变流电路的无功补偿，有人称为静止无功发生器(Static Va r Generator——SVG)，也有人称其为高级静止无功补偿器(Advanced Static Var Compensa tor——ASVC)或静止调相器(Static Condenser——STATCON)。最近，日本和美国已分别有 数台SVG装置投入实际运行。 

目前，除对SVC和SVG的无功补偿进一步的探讨外，人们还研究用于动态无功补偿的其他 各种形式的静止变流器，包括赌流型自换相桥式电路，交-交变频电路以及交流斩波电路等 ，直至最近，美国电力研究院还提出统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller—— UPFC)。事实上，SVC、SVG和UPEC都是柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission Syste m——FACTS)中的器件。所谓柔性交流输电系统，是20世纪80年代以来由美国电力研究院提 出的一个崭新概念，其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中，以增强对 电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力。
3 结束语

电力系统的供电地区幅员广阔，无功功率不宜长距离输送。因此，要实现整个系统的无 功平衡。电网无功补偿是一项建设性的技术措施，对电网安全、优质、经济运行有重要作用 。