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1．引 言 電力系統中，電能質(zhì)量是評價(jià)電力系統運行性能優(yōu)劣的重要指標，而電壓又是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標，因此，電壓的穩定性對電力系統運行性能來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。電壓穩定與否主要取決于系統中無(wú)功功率的平衡，如果用電負荷的無(wú)功需求波動(dòng)較大，而電網(wǎng)的無(wú)功功率來(lái)源及其分布不能及時(shí)調控，就會(huì )導致線(xiàn)路電壓超出允許極限；另外，對于負荷一側，電力系統多由輸配電線(xiàn)、變壓器、發(fā)電機等構成，其內阻抗主要呈感性，使得負載無(wú)功功率的變化對電網(wǎng)電壓的穩定性帶來(lái)極為不利的影響。 無(wú)功功率補償是涉及電力電子技術(shù)、電力系統、電氣自動(dòng)化技術(shù)、理論電工等領(lǐng)域的重大課題。由于電力電子技術(shù)裝置的應用日益普及生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域，無(wú)功補償問(wèn)題引起人們越來(lái)越多的關(guān)注。據有關(guān)科學(xué)統計，如果全國都通過(guò)優(yōu)化配置計算來(lái)安裝無(wú)功補償裝置，在總投資不變的條件下，估計每年可以節省電量大約3億千瓦時(shí)。因此，電力系統的無(wú)功補償和電壓調整是保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的重要措施。目前，由于電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，無(wú)功功率補償方面也取得了突破性的進(jìn)展。 2．連續無(wú)功補償裝置發(fā)展歷史、現狀和發(fā)展前景 工程上應用的無(wú)功補償器主要包括旋轉無(wú)功補償器和靜止無(wú)功補償器，其具體分類(lèi)見(jiàn)圖1。 
2.1 連續無(wú)功補償裝置的發(fā)展歷史 旋轉無(wú)功補償器以同步調相機為代表，同步調相機實(shí)際上就是在過(guò)勵或欠勵狀態(tài)下運行的同步電機，它既能發(fā)出容性無(wú)功，也能發(fā)出感性無(wú)功，因而同步調相機能對變化的無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償。由于其存在諸多缺點(diǎn)（見(jiàn)表1），70年代以來(lái)逐漸被靜止無(wú)功補償器取代。 靜止無(wú)功補償技術(shù)經(jīng)歷了圖1所示的3代發(fā)展： 第Ⅰ代屬于慢速無(wú)功補償裝置，在電力系統中應用較早，目前也仍在應用； 第Ⅱ代屬無(wú)源、快速動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置，出現于 20 世紀 70 年代，國外應用普遍，我國目前有一定應用，主要用于配電系統中，輸電網(wǎng)中應用很少，SVC 可以看成是電納值能調節的無(wú)功元件，它依靠電力電子器件開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現無(wú)功調節。 SVC 作為系統補償時(shí)可以連續調節并與系統進(jìn)行無(wú)功功率交換； 第Ⅲ代屬快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置，國外從20世紀80年代開(kāi)始研究，90年代末得到較廣泛的應用。隨著(zhù)大功率全控型電力電子器件GTO、IGBT、及IGCT的出現，特別是相控技術(shù)、脈寬調制技術(shù)（PWM）、四象限變流技術(shù)的提出，使得電力電子逆變技術(shù)得到快速發(fā)展，以此為基礎的無(wú)功補償技術(shù)也得以迅速發(fā)展。靜止同步補償器，作為FACTS家族最重要的成員，在美國、德國、日本、中國相繼得到成功應用。此外，SVG和SVC相比還擁有調節速度更快、調節范圍更廣、欠壓條件下的無(wú)功調節能力更強等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)諧波含量和占用空間都大大減少。3代無(wú)功補償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。
2.2 國內外電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的現狀 我國電網(wǎng)中目前使用最為廣泛的補償裝置是機械投切的并聯(lián)電容器組。為滿(mǎn)足調壓要求，在低壓供電網(wǎng)絡(luò )中裝設了大量的并聯(lián)電容器組，在中壓配電網(wǎng)絡(luò )中裝設了少量的并聯(lián)電容器組。牡丹江科海電氣設備有限公司設計生產(chǎn)的G(X)JF1型電容器跟蹤投切柜（箱）采用了KH－ZK電容器智能投切開(kāi)關(guān)；G（X）JK1型接觸器式電容器跟蹤投切柜（箱）投切電容過(guò)程涌流小，整機使用壽命長(cháng), 維修量小,無(wú)功補償響應快，可頻繁投切，多級補償一次到位。包括G（X）D1型電容投切產(chǎn)品都是該補償裝置的進(jìn)步發(fā)展。 目前，我國輸電系統中一共有5地 6套大容量SVC投入使用，它們分別被裝設在廣東江門(mén)、湖南云田、湖北鳳凰山（2套）、河南小劉以及遼寧沙嶺的500kV變電站中。此類(lèi)SVC多為進(jìn)口，其中有3套是ABB公司的產(chǎn)品。 SVC在大型工礦企業(yè)中的應用較為廣泛，在鋼鐵企業(yè)中的應用尤為突出，武漢鋼鐵公、包頭鋼鐵公司、寶山鋼鐵公司、濟南鋼鐵公司、張家港沙鋼鐵公司、天津鋼管公司等均裝有該補償裝置，如濟南鋼鐵公司中厚板廠(chǎng)二期工程在35kV母線(xiàn)上安裝了由西門(mén)子公司設計制造的一套容量為25Mvar的SVC，2001年底帶負荷一次投運成功。 從國際范圍來(lái)講，目前SVC與SVG都已得到普遍的應用。SVC出現早，應用時(shí)間長(cháng)，僅ABB公司，其目前在全世界投運的SVC就已超過(guò)370套，ABB 與西門(mén)子兩個(gè)公司已安裝的SVC總容量約為9萬(wàn)Mvar（包括已退役裝置）。SVG裝置在20世紀主要以示范工程為主，從上世紀90年代末到本世紀初，SVG在日本及歐美得到了廣泛應用，尤其是在冶金、鐵道等需要快速動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的場(chǎng)合。1999 年3月，我國第一臺工業(yè)化STATCON在河南省洛陽(yáng)市朝陽(yáng)變電站成功并網(wǎng)運行，標志著(zhù)我國掌握了高壓大容量FACTS 設備的設計制造技術(shù)。 2.3 靜止無(wú)功補償裝置的發(fā)展前景 隨著(zhù)電力電子技術(shù)的日新月異以及各門(mén)學(xué)科的交叉影響，靜止無(wú)功補償的發(fā)展趨勢主要有以下幾點(diǎn)： �。�1）在城網(wǎng)改造中，運行單位往往需要在配電變壓器的低壓側同時(shí)加裝無(wú)功補償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無(wú)功補償控制器和配電綜合一體化的問(wèn)題。 �。�2）快速準確地檢測系統的無(wú)功參數，提高動(dòng)態(tài)響應時(shí)間，快速投切電容器，以滿(mǎn)足工作條件較惡劣的情況(如大的沖擊負荷或負荷波動(dòng)較頻繁的場(chǎng)合)。隨著(zhù)計算機數字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無(wú)功補償中引入一些先進(jìn)的控制方法，如模糊控制、微機控制等。 �。�3）目前無(wú)功補償技術(shù)還主要用于低壓系統。高壓系統由于受到晶閘管水平的限制，是通過(guò)變壓器降壓接入的，如用于電氣化鐵道牽引變電所等。研制高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償的裝置具有十分重要的意義，關(guān)鍵是要解決補償裝置晶閘管和二極管的耐壓，即多個(gè)晶閘管元件串聯(lián)及均壓、觸發(fā)控制的同步性等問(wèn)題。 �。�4）由單一的無(wú)功功率補償到具有濾波以及抑制諧波的功能。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應用，供電系統或負荷中含有大量諧波。研制開(kāi)發(fā)兼有無(wú)功補償與電力濾波器雙重優(yōu)點(diǎn)的晶閘管開(kāi)關(guān)濾波器，將成為改善系統功率因數、抑制諧波、穩定系統電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。有源電力慮波器（APF）、統一潮流控制器（UPFC）正是既能補償諧波，又能補償無(wú)功的裝置，雖然有電流中的高次諧波，單臺容量低，成本較高等問(wèn)題，但是其發(fā)展前景仍然看好。 �。�5）將一個(gè)由晶閘管換流器產(chǎn)生的交流電壓串入并疊加在輸電線(xiàn)相電壓上，使其幅值和相角皆可連續變化，從而實(shí)現線(xiàn)路有功和無(wú)功功率的準確調節，并可提高輸送能力以及阻尼系統振蕩。目前綜合潮流控制器（UPFC）發(fā)展較為迅速，美國西屋電氣公司研制出串聯(lián)潮流控制器（SPFC），其造價(jià)明顯低于UPFC，功能可與之相比且優(yōu)于SVG。 3．無(wú)功功率補償的根本目的 工程運用中，為了提高電網(wǎng)功率因數及穩定電網(wǎng)電壓，通常引入無(wú)功補償裝置。對系統進(jìn)行無(wú)功補償，能夠改變功率因數，降低系統損耗，大大提高電網(wǎng)功率的運行效率。另外，無(wú)功補償還可以減少電壓閃變、降低過(guò)電壓以及提高電力系統的靜止和動(dòng)態(tài)穩定性等，就其經(jīng)濟價(jià)值而言，具有重要意義。 3.1 減少線(xiàn)路壓降，提高電壓的穩定性 無(wú)功補償裝置的引入，平衡了系統中無(wú)功功率，提高了電壓的穩定性。由于線(xiàn)路傳送電流小了，系統的線(xiàn)路電壓損失也相應減小，有利于系統電壓的穩定(輕載時(shí)要防止超前電流使電壓上升過(guò)高)，有利于大電機裝置的起動(dòng)。 3.2 降低系統能耗，提高資源的利用率 功率因數的提高，能一定程度減少線(xiàn)路損耗及變壓器的銅耗。 設 R 為線(xiàn)路電阻， △P1 為原線(xiàn)路損耗，引入無(wú)功補償裝置后，線(xiàn)路損耗為 △P2 ，則線(xiàn)路損耗減少：
引入補償后，由于功率因數提高， U2φU1 ，為分析方便，可近似認為 U2≈U1 ，則：
當功率因數從0.8提高至0.9時(shí)，通過(guò)上式計算，可求得有功損耗降低20.99％左右。 在輸送 P=3UI*COSφ 不變情況下，功率因數提高，則I相對降低。設 I1、I2 分別為補償前、后變壓器的電流，銅耗分別為 △P1、△P2 ，則：
由(5)式可知，功率因數從0.8提高至0.9時(shí)，銅耗相當于原來(lái)的79％。 3.3 改善功率因數，減少相應電費 根據國家水電部，物價(jià)局頒布的《功率因數調整電費辦法》，規定三種功率因數標準值，相應減少電費： (1)高壓供電的用電單位，功率因數為0.9以上。 (2)低壓供電的用電單位，功率因數為0.85以上。 (3)低壓供電的農業(yè)用戶(hù)，功率因數為0.8以上。 根據《辦法》，補償后的功率因數以分別不超出0.95、0.94、0.92為宜，因為超過(guò)此值，電費并沒(méi)有減少，相反初次設備增加，是不經(jīng)濟的。 3.4 增加供電功率，減少用電投資 對于原有供電設備來(lái)講，同樣的有功功率下，功率因數提高，負荷電流減小，因此向負荷傳輸功率所經(jīng)過(guò)的變壓器、開(kāi)關(guān)、導線(xiàn)等配電設備都增加了功率儲備，發(fā)揮了設備的潛力。對于新建項目來(lái)說(shuō)，降低了變壓器容量，減少了投資費用，同時(shí)也減少了運行后的基本電費。 4．無(wú)功補償的一般方法 無(wú)功功率補償通常采用的方法主要有3種：低壓個(gè)別補償、低壓集中補償和高壓集中補償。 4.1 低壓個(gè)別補償 低壓個(gè)別補償就是根據個(gè)別用電設備對無(wú)功的需求，將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設備并接。它與用電設備共用一套斷路器，通過(guò)控制、保護裝置與電機同時(shí)投切，隨機補償適用于補償個(gè)別大容量且連續運行(如大中型異步電動(dòng)機)的無(wú)功消耗，以補勵磁無(wú)功為主。低壓個(gè)別補償的優(yōu)點(diǎn)：根據用電設備運行或者停運，無(wú)功補償投入或者退出，不會(huì )造成無(wú)功倒送。具有投資少、體積小、安裝容易、配置方便、操作靈活、維護簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。 4.2 低壓集中補償 低壓集中補償是指將低壓電容器通過(guò)低壓開(kāi)關(guān)接在配電變壓器低壓母線(xiàn)側，以無(wú)功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線(xiàn)上的無(wú)功負荷直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調節。低壓集中補償的優(yōu)點(diǎn)：配置容易、維護簡(jiǎn)單、平衡迅捷，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟價(jià)值，是目前無(wú)功補償常用手段之一。 4.3 高壓集中補償 高壓集中補償是指將并聯(lián)電容器組直接接在變電所6～10kV高壓母線(xiàn)上的補償方式。適用于遠離變電所或在供電線(xiàn)路末端的用戶(hù)，用戶(hù)本身又有一定的高壓負荷時(shí)，可以減少對電力系統無(wú)功的消耗，起到一定的補償作用；補償裝置根據負荷的大小自動(dòng)投切，從而合理地提高了用戶(hù)的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加。高壓集中補償的優(yōu)點(diǎn)：配置靈活、維護簡(jiǎn)單，補償效益高等。 5．無(wú)功功率補償的基本原理 在電力系統中，無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補償，可以實(shí)現如下諸多功能，比如： �、賹�(dòng)態(tài)無(wú)功負荷的功率因數校正；②調整電壓；③提高電力系統的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)穩定性；④降低過(guò)電壓；⑤減少電壓閃爍；⑥阻尼功率振蕩；⑦阻尼次同步振蕩；⑧減少電壓和電流的不平衡。 雖然以上八種功能相互關(guān)聯(lián)，然而，實(shí)際的靜止無(wú)功補償裝置往往只能以其中的某一條或某幾條為直接控制目標，盡可能的兼顧其它功能，并且，在控制策略和控制方式有所側重。本文僅以改善電壓調整的基本功能做一介紹。 補償原理： 將電路具體分為系統、負載和補償器三部分的等效電路，其動(dòng)態(tài)補償原理如圖2所示。
系統的特性曲線(xiàn)可近似用下式表示：
由（7）式可以看出，無(wú)功功率的變化，引起系統電壓成比例的變化，系統供給的無(wú)功功率為負載和補償器無(wú)功功率之和，即： Q=QL+QY 在電力工程運行過(guò)程中，負載無(wú)功功率 QL 變化時(shí)，補償器的無(wú)功功率 QY 總能夠彌補負載無(wú)功功率 QL 的變化，從而使得 △Q=Q1－Q2 ，無(wú)功功率 Q 維持不變。由（7式）可知， △U=0 ，系統電壓 U 維持恒定，這就是對無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償的基本原理。 圖2b標繪出了動(dòng)態(tài)的無(wú)功補償，系統的工作點(diǎn)保 Q=QA 的 點(diǎn)處，即 U=UA ��；當使系統的工作點(diǎn)保持在 Q=0 的C點(diǎn)處時(shí)，即 U=U0 ，系統即實(shí)現了功率因數的完全補償。 工程實(shí)際運用過(guò)程中，一般把負載包括在系統之內，進(jìn)行總體等效，將圖2a系統和負載部分等效為圖 3a系統虛框內的部分。忽略?xún)炔孔杩怪械碾娮�，電抗XS。由于補償器具有維持連續點(diǎn)電壓恒定的作用，可以將其視為恒定電壓源，電壓值取為等效前連接點(diǎn)處未接補償器且負載無(wú)功不變時(shí)的供電電壓Urd。
當 Xr 為零時(shí)，補償器具有圖3b中所示的水平的理想補償器特性，而實(shí)際的靜止無(wú)功補償裝置不設計成具有水平的電壓－電流特性，而是該圖中所示的傾斜特性，傾斜的方向是電壓隨吸收的感性電流的增加而升高，這種傾斜特性還可以兼顧補償器容量和電壓穩定的要求，可以改善并聯(lián)補償器之間的電流分配，并有利于預留穩定要求的無(wú)功備用。 投入補償器后，補償器所吸收的無(wú)功功率為：
因為實(shí)際補償器中 Xr 不為零，所以補償器吸收的無(wú)功功率相對理想補償情況而言是減小了。連接點(diǎn)電壓也并不像理想補償器時(shí)保持原正常值不變，而是變化了：
因此，在具有傾斜特性的無(wú)功功率特性中，實(shí)際補償器所需容量比理想補償器所需容量有較大幅度的減小。當 Xr=Xs 時(shí)，能維持連接點(diǎn)電壓變化為系統電源電壓變化一半的補償器，所需容量為理想補償器的一半，這就是所謂的補償器容量與電壓調整之間折中的問(wèn)題。 6．結合實(shí)例淺談無(wú)功補償的作用 以某大型項目能源中心為例，該項目供電電源的電壓等級為10kV，設備裝機容量約為21000多千瓦，其中高壓電動(dòng)機設備容量為5400多千瓦，其他低壓設備容量為5000多千瓦。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟分析，采用10kV作為高壓電動(dòng)機的供電電壓等級，投資較省，減少變電環(huán)節，同時(shí)亦減少了故障點(diǎn)。根據負荷計算，共采用六路10kV電源，分別對高壓電動(dòng)機直配。 該項目中，高壓電動(dòng)機主要用于中央空調機組、冷凍水循環(huán)泵和冷卻水循環(huán)泵等多臺設備。這些設備單機容量很大，離心機組單機最大達2810kW(共5臺)，小的870kW(共4臺)，冷凍水循環(huán)泵單機560kW(共9臺)，冷卻水循環(huán)泵單機380kW(共3臺)，自然功率因數在0.8左右。如果在10kV配電室集中補償電容，不采用高壓無(wú)功自動(dòng)補償的話(huà)，如此大容量的電動(dòng)機起、停會(huì )使10kV側功率因數不穩定，有可能造成過(guò)補償，引起系統電壓升高。同時(shí)，從配電室至冷凍機房高壓電動(dòng)機的線(xiàn)路最近50m，最遠140m，線(xiàn)路損耗相當可觀(guān)，綜合考慮到高壓自動(dòng)補償元件、技術(shù)、價(jià)格均要求較高，因此采用高壓電容器就地補償，與電動(dòng)機同時(shí)投切。高壓電容器組放置在電動(dòng)機附近，這些電動(dòng)機采用自耦降壓起動(dòng)方式，高壓就地補償裝置以并聯(lián)電容器為主體，采用熔斷器做保護，裝設避雷器用于過(guò)電壓保護，串聯(lián)電抗器抑制涌流和諧波。這樣做，不僅提高了電動(dòng)機的功率因數，降低了線(xiàn)路損耗，同時(shí)釋放了系統容量，縮小了饋電電纜的截面，節約了投資。 對于低壓設備，由二臺1000kVA及二臺1600kVA變壓器配出，低壓電機配置較分散，因此，在變電所變壓器低壓側采用電容器組集中自動(dòng)補償。雖然一些低壓電動(dòng)機的容量也不小，但這些設備主要用于鍋爐房和給排水設備，鍋爐房的設備不如冷凍機房集中，環(huán)境較差，管理不便，因此，在低壓配電室采用按功率因數大小自補償是較合適的。 7．結 語(yǔ) 隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件的不斷研制創(chuàng )新，無(wú)功功率補償也處于不斷發(fā)展之中，目前，國內外的研制成果發(fā)展迅速，出現了許多種類(lèi)的SVC、SVG補償裝置。比如：牡丹江科海電氣設備有限公司研制開(kāi)發(fā)的G（X）JF1型、G（X）JK1型（接觸器式）、G（X）D1型電容器跟蹤投切柜（箱）以及VQCL—D12/J12無(wú)功補償控制器；哈爾濱工大威翰科技開(kāi)發(fā)有限責任公司研制開(kāi)發(fā)的HVC高壓自動(dòng)無(wú)功電壓綜合調節裝置和TSC系列可控硅動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補償器；深圳市賽源電氣技術(shù)有限公司研制開(kāi)發(fā)的JKWA－15A型和JKWA—12J型低壓無(wú)功補償控制器等等。雖然兼顧價(jià)格、質(zhì)量、體積、操作等一系列因素最優(yōu)化配置的補償裝置目前還沒(méi)有面世，但是，發(fā)展前景比較廣闊。 參考文獻 〔1〕王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補償.北京：機械工業(yè)出版社，1998.9. 〔2〕浣喜明，姚為正.電力電子技術(shù).北京：高等教育出版社，2004.11. 〔3〕張崇巍，張興.PWM整流器及其控制.北京：機械工業(yè)出版社，2003.11. 〔4〕林輝，王輝.電力電子技術(shù).武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002.3. 〔5〕凌志斌，鄧超平，鄭益慧，葉芃生.新型連續無(wú)功調節控制器的研制.電工技術(shù)雜志.2003.08. 〔6〕賀益康，潘再平.電力電子技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2004. 〔7〕〔日〕正田英介，楠本一幸.電力電子學(xué).北京：科學(xué)出版社，2001. 〔8〕〔日〕堀 孝正.電力電子學(xué).北京：科學(xué)出版社，2001. 〔9〕董云龍，吳杰，王念春，張穎.無(wú)功補償技術(shù)綜述[J]節能，2003(9):13～15. 〔10〕王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子裝置諧波抑制及無(wú)功補償技術(shù)的進(jìn)展[J],電力電子技術(shù).1997(1):100～104. 來(lái)源：電子工程網(wǎng) |
