配电网络无功功率补偿方法的研究

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摘要： 从无功功率的产生出发，对无功补偿方法的原理进行了研究。在总结传统补偿方法局限性的基础上，提出了晶闸管控制电抗器，晶闸管投切电容器，静止无功发生器，电力有源滤波器和综合潮流控制器的补偿方法，并阐述了各自的优点。当今电力系统的用户中都有大量无功功率频繁变化的用电设备与仪器， 因此对系统的无功功率进行补偿显得非常迫切。除此之外，经过无功补偿可以降低电网的功率损耗，提高变压设备的输出功率和经济效益。

Abstract： According to the needs of present development of electric power system， the principle of reactive power compensation method were studied. At conclusion of the traditional method to compensate， Thyristor Controlled Reactor was put forward， so proposed including Thyristor Switched Capacitor， Static Var Generator， Active Power Filter， Unified Power Flow Con-troller， each advantage to the above was expounded. Power system users today have a lot of frequent changes in reactive power electrical equipment and instruments， so the system reactive power compensation is very urgent. In addition， after the reactive power compensation can reduce grid power loss and improve the output power transformer equipment and economic benefits.

关键词： 无功补偿；补偿方法；补偿作用；补偿容量

Key words： reactive power compensation；compensation method；compensation action；compensation capacity

中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）22-0021-02

0 引言

无功功率是指：在交流电路中，用来进行电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。这一部分功率仅仅是往返于储能元件与电源之间。无功功率的存在对供电系统和负载系统的正常运行是十分必要的。由于电网中存在大量的感性负载，如电动机、变压器等，如果这些无功功率都由发电机发出并通过长距离输电线路传送，这显然是不合理也不经济的，实际上也是不可能的[1]。

1 无功补偿的方法

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的装置并联接在同一电路中，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而当感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量[2]。能量在两种负荷之间交换，感性负荷所吸收的无功功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿。

正弦电路之中的无功功率：在正弦交流电路中由于负载是线性的，电路之中电压和电流都是正弦波，可以用表达式表示：u=■Usinωt i=■Isin（ωt-φt）

U——电压有效值；I——电流有效值；φ——电压与电流之间的相位差。

在一个周期内瞬时功率P计算表达式为：

P=■■pdt=UIcosφ

上式便是有功功率。电路之中的无功功率的表达式为：Q=UIsinφ

1.1 无功集中补偿 目前一般具有一定规模的企业大多是采用在总进线变电站和部分的二级变电站的馈线上安装电容无功补偿从而来实现对电压无功的集中控制。采用的这种集中补偿方式，能够减小企业电网的功率损耗问题，可以达到供电部门对用户提出的对功率因数所做出的规定。但是其也存在许多的问题，例如无功补偿的调节是有级别的，响应时间较慢不能满足钢厂轧钢、电弧炉等冲击负荷的补偿，而且在一定的补偿容量下，用电设备满载运行时功率因数较低。但是当负荷大幅降低时，功率因数又会超前，即所谓的过补偿。这时无功功率会向上一级的电力系统进行倒流，这将会使得线路的电压升高，增加了电能的损耗，这是电力系统所绝对不能允许的，因此无功集中补偿大多数情况下还必须要加装自动控制装置。集中补偿方式只是对上一级线路进行的补偿，它对于下一级线路的经济运行将不会有任何影响。

1.2 功分散补偿 分散补偿又称分组补偿，它是根据各用户的各个负荷中心，把补偿装置装分成几组安装在功率因数较低的村镇终端变、配电所高压或低压母线上或车间配电室或变电所分路出线上。电力系统传送功率时，当功率确定一值后电压与电流的大小将成反比关系。由于电能损耗同电流的平方成反比，低压线路的电能损耗是最大的。无功分散补偿就是在异步电动机旁加装容量相匹配的电力电容器，使无功补偿更接近于负荷末端，从而把电能损耗降低到最低限度。

1.3 个别补偿 个别补偿又称为“就地补偿”。它就是根据个别用电设备对无功功率的需要量将单台和多台电容器组分散地与用电设备并接。它与用电设备共用一套断路器，也可以独立使用一套短路器，通过控制、保护装置和用电设备同时投切，所以个别补偿也称随机补偿。它通过控制、保护装置与电机同时投切。既能提高线路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量。

2 新型无功功率补偿技术

伴随着我国综合国力的不断发展壮大， 工业生产以及日常用电量都在不断的增大，与此同时电力输送过程的电力损耗随着用电量的增加及供电线路的加长、老化等现象也在不断的增长，而传统的无功补偿设备及方法，投资大、效率低、损耗高，已经越来越不能适应于当今的电力系统发展的需要，因此就要求供电系统无功补偿技术对应用电量的增加而应该快速地进步提升。

2.1 晶闸管控制电抗器（简称：TCR）静止无功补偿装置

TCR补偿器原理图如图1所示。晶闸管的触发角[4]从90°与180°连续调节，电抗器的电流相应地从额定到零连续变化[3]。因此通过调整触发角的大小来改变补偿器所吸收的无功功率，达到迅速平滑地调控无功功率的目的。但是单独的TCR只能吸收无功功率，不能发出无功功率，为了解决这一问题，通常将并联电容器与TCR结合使用。这种TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。

2.2 基于智能控制策略的晶闸管投切电容器（简称：TSC）补偿装置 将微处理器用于晶体管投切电容器，这样能够满足相当复杂的测量与控制的要求，这样就可以实现动态的对无功功率进行补偿。TSC补偿装置[4]的核心部件是控制器，用它来完成无功功率与功率因数的分析以及测量工作，从而可以控制无触点开关的投切，除此之外还可完成对电路网络进行过压、欠压、功率因数等参数的记录与显示。TSC补偿装置操作没有涌流，跟踪响应时间快还具有各种保护的作用。TSC的原理图如图2所示。在图中，反并联晶闸管的作用是将补偿电容器投入电路网络或是从电路网络之中去除掉。图中的电感L1，L2，L3，…，Lk的作用是防止补偿电容器在接入电路网路之中时可能会引进的冲击电流。当支路1的反并联晶闸管导通，而其他支路的反并联晶闸管关断时，只有补偿电容器C1投入电网，其补偿容量由C1决定。当k个支路全部投入电网时，补偿容量最大。所以，TSC实际上是一个分组投切的无功功率补偿电容器，这是其最大的一个优势。

2.3 静止无功发生器（简称：SVG） 静止无功补偿是指利用多个静止开关来转换投切电容器或电抗器， 从而使其具有吸收与发出无功电流的能力，这样便可以提高电力系统的功率因数， 可以稳定整个电路网络系统的电压，同时还可以抑制整个系统振荡等功能。其基本原理如图3所示，通过将自换相桥式变流器直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上来实现无功补偿的。

2.4 电力有源滤波器（简称：APF） 电力有源滤波器[8]是运用瞬时滤波形成技术，对包含谐波和无功分量的非正弦波进行“矫正”。因此，电力有源滤波器具有很快的时间响应速度，对变化的谐波和无功功率进行动态补偿，其补偿特性受电力网络系统阻抗参数影响比较小。目前实用的装置90%以上为电压型。其原理如图4，从与补偿对象的连接方式来看，电力有源滤波器可分为并联型和串联型。并联型中有单独使用、LC滤波器混合使用及注入电路方式，目前并联型占实用装置的大多数[5]。

2.5 综合潮流控制器（简称：UPFC） 综合潮流控制器[6]是将一个由晶闸管换流器产生的交流电压串连接入并叠加在网络输电线相电压上，从而使其幅值和相角皆可连续变化，这样便实现了线路有功和无功功率的准确调节，并可提高输送能力以及阻尼系统振荡。UPFC注入系统的无功是其本身装置控制和产生的，并不大量消耗或提供有功功率。UPFC技术是目前电力系统输配电技术的最新发展方向，对电网规划建设和运行将带来重要的指导意义。

3 结论

当前，国际上对静止无功补偿装置的研究还在不断地进行着，研究的方向主要集中在控制策略上，试图借助于人工智能手段来提高静止无功补偿装置的性能。随着大功率电力电子器件技术的高速发展，未来的功率器件容量将逐步提高，应用有源滤波器进行谐波抑制，以及应用柔流输电系统技术进行无功功率补偿，必将成为今后电力自动化系统的发展方向。

参考文献：

[1]秦曾煌.电工学[M].北京：高等教育出版社，2003：118-201.

[2]廖玄久，郭木森.电工学[M].北京：人民教育出版社，1979：282-287.

[3]王德江，陈晓英，王景男.可控电抗器晶闸管导通角的微机控制[J].中国电力，2001（6）：3.

[4]何一浩，王树民.TSC动态无功补偿技术述评[J].中国电力，2004（10）：5.

[5]王宝良，解大.并行接口的电力有源滤波器的设计[J].上海交通大学学报，2006（3）：5.

[6]邱大强，李群湛，舒泽亮.基于FPGA的综合潮流控制器的设计与实现[J].西南交通大学学报，2010（5）：2.