電力係統無功補償技術研究
水利電力
作者：尹敏傑
摘要：現代電網中，電動機等感性負荷占據相當大比重。它們在消耗有功功率的同時，也需要吸收大量無功功率。無功功率的出現不僅導致發電機出力下降，降低了輸配電設備效率，而且還增大了網損，嚴重影響供電質量。因此，大力提高電網功率因數，降低線損，節約能源，挖掘發電設備的潛力，是當前電力係統發展的趨勢。
關鍵詞：電力係統；無功功率；補償技術
中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0138-02
目前，美國電力主網設備的功率因數已接近於1，原蘇聯法律規定功率因素應大於0.92，日本等國還建立了全國性的無功管理委員會，研究無功補償方麵的技術經濟政策。但是，一方麵，增容投資大，施工工程量大，周期長；另一方麵，由於末端無功仍需由低壓側集中補償係統提供，輸電線路利用效率仍然較低。因此，有效減小線路無功電流，不僅增大了有功輸送能力，而且有利於降低變壓器低壓側到末端負荷間的線路損耗，改善末端電壓質量。研究開發線路終端用無功功率補償裝置具有明確的經濟意義和社會效益。
近30年來，由於超高壓遠距離輸電係統的發展，電網中無功功率的消耗也日益增大。低壓電網中，隨著居民生活水平的提高和家用電器的普及，以及小工業用戶的增多，電網的功率因數大都比較低，尤其是電力電子裝置的應用日益廣泛，而大多數電力電子裝置的功率因數很低，造成電網供電質量下降，也給電網帶來額外負擔。因此，利用無功補償技術正成為當前世界各國電力設計及決策人員的共識，無功補償裝置的投資已被列入電力投資的整體規劃中，成為一個不可缺少的環節。
無功功率對供電係統和負荷的運行都是十分重要的。當無功功率不足時，將降低發電機的有功功率輸出，使電源設備的利用率下降，而且，使電力線路的電壓損失加大，造成電能質量下降，還使供電係統損耗加大，造成了能源的損失。電力係統網絡元件的阻抗主要是電感性的，因此，簡單地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的範圍內可以實現，而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這隻能在很窄的範圍內實現。顯然，這些無功功率如果都由發電機提供並經過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。
傳統的無功功率補償裝置主要為同步調相機和並聯電容器。同步調相機雖然能進行動態補償，但它屬於旋轉設備，運行中的損耗和噪聲都比較大，目前在現場仍有使用，但在技術上已顯落後。並聯電容器補償簡單經濟，靈活方便，有取代同步調相機的趨勢，但隻能補償固定無功，還可能與係統發生並聯諧振，導致諧波放大。目前在我國仍是主要的無功補償方式。
隨著現代電力電子技術在電氣傳動領域的廣泛應用，相控技術、脈寬調製等技術被引入到電力係統，與傳統電力係統控製技術相結合，產生了近幾年出現的新技術/柔性交流輸電係統（Flexible ACT ransmission System-FACTS），其本質就是將高壓大功率的電力電子技術應用於電力係統中，以增強對電力係統的控製能力，提高原有電力係統的輸電能力。FACTS的多個類型都具有諧波抑製和無功補償能力。靜止無功補償（Static Var Compensator-SVC）是它的一個類型，靜止無功補償技術是20世紀70年代以後發展起來的，是指用不同的靜止開關投切電容器或電抗器，使其具有發出和吸收無功電流的能力，用於提高係統的功率因數和穩定係統電壓等。目前這種開關主要是交流接觸器和電力電子開關。但用接觸器來投切會出現巨大的衝擊湧流，而且閉合時觸頭微動導致電弧燒損嚴重，現在靜止無功補償器一般專指使用晶閘管的無功補償設備。晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor-TSC）和晶閘管控製電抗器（Thyristor Control Reactor-TCR）是其典型代表。TSC補償器可以很好地補償係統所需的無功功率，如果級數分得夠細，基本上可以實現無級調節，瑞典某鋼廠的兩台1O0t電弧爐安裝60Mvar的TSC後，有效的使130kV電網的電壓保持在1.5%的波動範圍。TCR是用來吸收係統的無功功率的。瑞士勃郎·鮑威利公司已造出此種補償器用於高壓輸電係統的無功補償。此外，SVC還包括TSC+TCR混合型的補償器，我國平頂山至武漢鳳凰山5OOkV變電站引用進口的無功補償設備就是TSC+TCR型。目前國內外對SVC的研究集中在控製策略上，模糊控製、人工神經網絡和專家係統等智能控製手段也被引入SVC控製係統，使SVC係統的性能更加提高。世界上已投運的輸電用SVC大約150套，我國運行於500kV輸電係統的也有5台，型式為TCR+TSC，均為進口設備，國內工業應用的TCR裝置大約有20套，其中一小半為國產設備，低壓380V供電係統有各類TSC型國產無功補償設備在運行。