电力系统中无功补偿装置的应用研究
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作者:黎春荣 郭小梅 杨翔极 何惠文
摘要：电力是我国的主要二次能源，随着我国经济的发展，节电降耗、减少生产成本是企业追逐的目标。在日常用电负载中，阻感负载占据很大的比例，这些负荷的自然功率因数约为0.6-0.8，阻感性负载所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中同样占据比例较大。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量的有功电能损耗，同时使功率因数偏低、系统电压下降、无功功率若无法就地补偿，用户符合所需无功功率全依靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电设施无法充分发挥，降低发电输电能力，电网供电质量恶化，严重时会有大面积停电事故的风险。本文将主要分析电力系统中无功补偿装置的应用研究。关键词：电力系统；无功补偿装置；原理；优势
无功补偿技术对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要的。其主要作用包括提高负载和系统的功率因数、减少设备容量和功率损耗、稳定电压、提高供电质量、提高系统输电稳定性和输电能力、平衡三相负载的功率等。因此，无功功率补偿就成为保证电网高质量运行的重要方式之一，也是电力系统研究领域关注热点。
1. 无功功率补偿的原理
电能需要经过发电机、变压器、输电线路送到用户端，因为受到功率、发热和温升的限制，发电机、变压器、输电线路等各种电器都有额定电流、电压和功率的限制，输电线路中传送的功率包括有功功率和无功功率两部分，有功功率是保持电力设备正常运转所必需的电功率，也就是将电力能量转化成除电能以外的其他能量所获取的电功率；无功功率则代表着整个电气设备里的电感、电容元件在上作的时候因建立电力磁场而耗用的一个电功率。目前，在我国的工农业生产及居民生活用电负载中，大部分都是感性负载，这些设备在运行过程中是需要及时进行无功补偿的。总体来看，无功补偿的基本原理是把具有容性的设备与感性用电负载之间相并联，电能在这两种负荷间进行任意的转换，从而就达到了减少在电网系统中无功功率耗用的目的。
2. 无功功率补偿的补偿形式
无功功率的补偿方式诸多，需按照实际情况对补偿方式进行选择。第一，集中补偿，在高低压配电中心中设置多组电容器，将其连接在配电母线上，从而达到集中补偿到供电范围内无功功率的目的；第二，分散就地补偿，主要指的是在高压配电装置或动力箱的母线上连接电容器，达到对高压配电装置的无功补偿。第三，单独补偿，将电容器装置控制箱内，放置在电动机旁，进行单独补偿，该种方式通常应用在降压启动和一些有可逆运行操作要求的电动机等；第四，组合补偿，这是现阶段较为普遍应用的一种方式，其可分为固定补偿与动态补偿相结合的组合补偿、三相共补与分相补偿相结合的组合补偿、稳态补偿 与快速跟踪补偿相结合的组合补偿三种；第五，智能无功补偿，该种方式属于较为先进的一种，能够进行监测综合配电、低压无功补偿等。
3.电力系统中无功补偿研究现状
近几年，我国经济得到了快速发展，国内形成了巨大的电路网络，只需些微控制降低能耗损失，则能够提高巨大的经济效益。由此，自无功功率补偿原理被提出后，便得到了众多学者的关注。
例如，在1988年，胡国根等分析了国内外无功功率的研究动态及现状，同时按照成都电网的实际情况，提出了相应优化措施；在2009年，曾纪添探究了电力系统无功电压控制问题以及未来的发展方向；在2011年，朱鹰屏等人分析了电压稳定性的本质，并对无功功率控制策略在电压稳定性方面进行了阐述；2012年，李春丽在电网建设中无功功率补偿技术的实施意义上进行了讲解；2015年，黄林艳等人以为贵州遵义10KV配网为例，分析了电网无功管理和无功补偿设备的重要性，同时分析了配网无功补偿容量如何进行优化配置等。目前，在无功补偿方面，虽然我国做出了大量研究，当科学技术是在不断进步的，我国仍需利用先进技术积极的应用到电力系统中，以此推动我国电力系统的稳定发展。
4.无功功率补偿装置的研究进展
4.1并联电容器组装置
并联电容器补偿装置通俗来说，即是指将电容器组并联在供电设备或用电负荷上，负荷所需的无功功率是电容器组供给的一部分之一，其中与之对应的装置就是并联电容器组装置。通过电容器组缩减无功功率输送，从而降低线路电量的损耗，改善电力设备效率。
选取并联电容器组装置的形式通常为就地补偿，将电容器安装在用电负荷相近位置，补偿线路和变压器的无功损耗，确保在重负荷下能够具备良好的电力水平，越是处于线路末端，那么短路容量则越小，其电压效果也能够更好。现阶段，在并联电容器组装置中，静止同步补偿器是主要形式，能够校正稳态运行的电压，同时还可以在故障之后恢复高速稳定电压，对于改善电力系统暂态稳定具有重要意义。此外，该装置具有多种优势，例如价格低廉、占据面积小、噪声低等。缺陷在于该装置是通过牺牲稳定区域和电压调节范围来提高电压水平，在现实中，需针对实际情况来使用。
4.2串联电容器组装置
串联补偿装置指的是将电容器组串联在输电线路上，通过集中电容补偿线路的电感，来转变线路具体参数，降低电压损耗。与此同时，功率损失也会随着线路参数的改变而降低。该种装置无功功率输出会伴随着线路的负载增加而增加的，不仅能够增加稳定性能，同时可以优化电压的调节。制约串联电容器组装置应用的主要问题为同步谐振和过电压现象，由此，仅仅只有当功率因数较低，致使截面积较大的长线路，才能够合理应用该装置。
4.3调相机装置
调相机装置可以理解为是一种旋转电机，是不具备有功输出的同步机，其电压控制特性和同步发电机是基本相同的，不拖动机械的负载，同时也不需要原动机的拖动，主要原因在于它能够吸收系统少量的有功功率，为自身的转动或缺能量。此外，该装置的转子上具有直流励磁，能够维持和系统频率同样转速。主要优势在于能够方便调节无功功率的供需平衡，且能够均匀的调整供电电压。
4.4静止无功补偿(SVC)装置
SVC是静止无功补偿装置的简称，与传统无功补偿方式存在不同，SVC是动态无功补偿产品，属于目前较为先进成熟的无功补偿装置。它具有最快的响应速度，以可控硅为调节执行单位，具有可连续无级调节，调节过程中无涌流、拉弧、无机械开关使用寿命的限制等优点。尤其适合需要快速补偿的工业场合，如电弧炉、轧机、电力机车等，能够显著提高用户的功率因数，为用户节能降损。但SVC也存在一定缺陷，如自身工作期间会产生谐波，容易对电力系统产生污染，而如何预防这种情况，还需相关学者进一步研究。目前，按照可调电抗器的调节方式及工作原理的差异性，又可分为晶闸管控制的电抗器、晶闸管控制的变压器、磁控电抗器3种。
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