电力系统中的无功电源及无功负荷概述

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中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0094-02

1.引言

在电力系统中本身存在许多的无功负荷，其中包括电力线路、电力变压器和用户设备等。因系统中传输大量的无功功率，降低电力线路的功率因数，增大了系统的电压损失和电能损耗，给电力企业造成了很大的经济负担。解决这些问题的最有效办法就是无功补偿。

一般系统中有以下几种无功功率电源：一是过励运行的同步发电机；二是无功补偿电源，包括电容器、静止无功补偿器和同步调相机；三是110kv及以上电压线路的充电功率。在实际系统应用中可总结，就电压控制来说，更倾向于静止无功补偿器、同步调相机，就节约成本来说，更倾向于电力电容器。

2.无功功率电源

2.1 同步调相机（静态）

同步调相机是系统中的无功功率电源，它相当于空载运行的大容量同步发电机，因此无功功率的调控跟同步发电机一样，通过改变励磁电流控制。同步调相机正常运行时数学模型与同步发电机一样，简化条件为：，即电压与电流矢量正交。因此输出电流只有纵轴分量，即；电压只有横轴分量，即。端电压与电流的关系为：

其中，为线电动势；U为线电压；Q为三相无功功率。

此式表明，当，同步调相机过激励，，同步调相机输出滞后的无功功率，相当于电容器，它向系统供给感性的无功功率，起无功电源的作用，提高系统电压。当，同步调相机欠激励运行，，同步调相机输出超前的无功功率，相当于电抗器，起无功负荷的作用，降低系统的电压。

同步调相机的主要优点：一是它不仅可以吸收无功功率，又可以输出无功功率；二是它具有很好的电压调整特性，对提高系统运行性能和稳定性有一定的作用。

同步调相机的主要缺点：一是同步调相机是旋转的电机，有功损耗较大，需从电网中吸收额定容量的3%左右的有功功率；二是投资费用与其容量有关，容量越小，投资费用越高，因此需大容量的无功补偿设备才装同步调相机。

2.2 静止无功补偿器（SVC）（动态）

静止无功补偿器是由电容器组和可调电抗器组成，是一种新型的动态无功补偿装置，通过晶闸管投切并联电容器来运行，即能吸收无功功率也能发出无功功率，因此SVC能够快速跟踪电网或负载的无功波动进行负荷的实时就地补偿。

目前常用的静止无功补偿器有固定电容晶闸管控制的电抗器型（TCR-FC）、晶闸管开关电容型（TSC）和饱和电抗器型（SR），以下分别列举了各种类型静止无功补偿器结构、特点及其各类型动态无功补偿装置的优缺点。

⑴饱和电抗器型SR

SR型SVC是利用饱和铁芯的特性，使相位滞后的无功功率随电压升降而增减，正常运行范围内输出特性为线性的。可以通过调节变压器的分接头的位置和投切并联电容器来改变其输出特性。

SR型的优点：①工作可靠，维护简单；②设备自产生谐波低；③可以连续快速地调节感性、容性的无功功率；④在感性工作的范围内具有较大的过载能力。

SR型的缺点：①控制灵活性差；②不能分相调节；③不能连接于超高压；④运行噪音大；⑤单位容量大，是并联电抗器的二倍。

⑵固有电容晶闸管控制电抗器型TCR-FC

TCR-FC的动态电路是由反并联的晶闸管和电感L串联组成，它的控制方式跟电力电子中单相半波整流相似，即通过控制晶闸管的触发角α来控制通过电感L的电流，用以达到控制补偿容量的目的。

TCR-FC型的优点：①自身吸收谐波的能力好；②能够分相调节；③可以连续的调节感性和容性的无功功率；④动态响应快，能够适应多负荷动态无功补偿。

TCR-FC型的缺点：①自身会产生谐波；②不可接超高压；③运行维护复杂。

⑶晶闸管开关电容型TSC

TSC由电容器、电抗器、并联晶闸管和调节器组成，其工作的原理是通过检测反并联的晶闸管两端的电压，在电压为正或负时，将电容器投入，串联的电抗器是为了阻止电容器投入电网时的电流冲击。

TSC的优点：①响应快，可进行分相调节；②自身不产生谐波分量；③可以快速深度的无功调节；④即可以调电压，又可以调无功功率，用于抑制电压波动和满足电能质量的要求。

TSC的缺点：①限制超高压的接入；②限制过电压的能力；③无谐波吸收的能力；④运行维护的困难，因为采用多组反并联的晶闸管组，为晶闸管散热、导通性等性能的运行、检修和维护带来一定的困难。

3.电力系统中的无功功率负荷及其无功特性

3.1 电力线路

如果交流线路的电感为L（mH/km）、并联等值电容为C（F/km）、线路运行电压为U（KV）、电流为I（KA），则：

若线路上产生的容性无功功率等于消耗的感性无功功率，即无功电源等于无功负荷，即

式中为波阻抗，由波阻抗所导致传输的功率为自然功率，若线路输送的功率为.

当时，，输电线路相当于无功负荷。

当时，，输电线路相当于无功电源。

对于35KV以下的输配网络，可忽略电容分布影响，等效电路图如下：

线路中电抗产生无功损耗，即：

式中为传输的有功功率，为传输的无功功率，为线路的额定电压。

3.2 变压器

在电力系统中变压器是主要损耗无功功率的电气元件之一，变压器的参数主要包括电阻、电导、电抗和电纳四个部分组成。其中分别对应了四个功率损耗：铜损耗、漏磁损耗、铁芯损耗和励磁损耗，下图为双绕组变压器的等效电路图：

⑴ 变压器在其额定负载下运行时，电阻（）产生的负载损耗近似等于短路损耗，用来表示。

⑵变压器在其额定负载下运行时，负载电流通过漏磁电抗（）所产生的漏磁无功功率损耗，用来表示。

⑶ 变压器空载运行时，电导（）产生的铁芯损耗近似等于变压器的空载损耗，用来表示。

⑷ 变压器空载运行时，空载电流通过励磁电纳（）所产生的励磁无功功率损耗，用来表示。

由图2可知，变压器所产生的无功功率损耗可分为两部分：励磁无功功率损耗和漏磁无功功率损耗，即：

其中为变压器所消耗的无功功率；为变压器所消耗的励磁无功功率；为变压器所消耗的漏磁无功功率；为变压器的额定无功损耗；为变压器实际容量；为变压器的额定容量，为负载率。

变压器空载励磁无功功率损耗为：

其中为空载电流百分数。

变压器满载漏磁无功功率损耗为：

所以无功功率总损耗为：

其中为满载电压百分数。

变压器的无功功率损耗在系统无功功率需求中占很大比重，在输送配电过程中，中间环节要进行多次变压，无功功率损耗可达用户负荷的50%-70%。

3.3 异步电动机

异步电动机在电力系统无功功率负荷中占的比值很大，异步电机的无功负荷可分为两部分：空载电流流过所产生的励磁无功功率和负载电流流过漏磁电抗时产生的漏磁无功功率，异步电机无功功率组成形式跟变压器无功功率组成形式相似。

异步电动机所消耗无功功率的数学模型为：

（12）

其中为异步电动机空载时所消耗的无功功率；为异步电动机满载时所消耗的无功功率；为电动机实际的有功功率；为电动机额定的有功功率。

异步电动机的空载时的无功功率可按下式表示为：。

4.小结

电力系统中存在的无功负荷要求电网有足够的无功电源来满足对无功功率的需求。本文主要介绍了无功功率电源的重类、无功补偿的原理及其优缺点。本文详细地介绍了电力系统中两种典型的无功功率负荷，并对其无功特性进行了分析。本文对电力系统无功电源的选择有一定指导意义。