电力系统中的无功补偿

电力系统中的无功补偿

众所周知，电源能量通过电感或电容时并没有能量消耗，只是在负荷与电源之间相互交换和三相之间流动。由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。电力系统中的设备大部分是根据电磁感应原理工作的，它们在单位周期内吸收的功率和释放的功率相同，以此建立交变的磁场，这部分功率就是无功功率。可见，无功功率在电力系统中扮演了重要的角色。可是在电力系统中为什么要进行无功补偿呢？

无功补偿的必要性

在电力系统中，如变压器、电动机等许多工作时需要励磁的设备都需要从电力系统中吸收无功功率；并且输电线路具有分布电容，在电压下将产生容性无功功率，也就是说线路也要吸收感性无功。发电机是电力系统中唯一的有功电源，也是基本的无功电源。如果只依靠发电机来提供无功功率的，由于无功功率不断地来回地交换会引起发电、输电及供配电设备上的电压损耗及功率损失。另外，发电机发出的所有功率等于有功功率与无功功率的矢量和，提供的无功功率多时，提供的有功功率也就相对就减少了，显然这种运行方式也是很不经济的。

如果不进行无功功率补偿，通常会造成两个主要问题：

（1）在电力传输系统中，如果说出现了无功功率不足的现象，那么就会导致电力系统中的电压以及功率因数不断的降低，最终导致用电设备受到破坏，严重情况下甚至会导致电网系统中的电压崩溃，使得整个电网控制系统瓦解，从而造成片区大面积的停电。

（2）电力电压以及功率因素的降低，会导致电力系统中的电气传输设备无法得到有效的利用，从而造成了电力系统中传输的电能损耗不断增加，降低了电能传输的效率，给用电用户的日常生活带来的极大的困扰。

因此国家相关政策规定，各级电压的电力网和电力用户都要提高自然功率因数，并按无功分层分区和就地平衡以及便于调压的原则，安装无功补偿设备和必要的调压装置，电网用户都要提高调压装置和无功补偿设备的运行水平。

无功补偿的作用

（1）提高电压质量

将线路中的电流分为有功电流I a 和无功电流I r ，则线路中的电压损失为

l a r l 3()3PR QX U I R I X U

+∆=⨯+= 其中，P 为有功功率，Q 为无功功率，U 为额定电压，R 为线路总电阻，X l 为线路感抗。

因此，提高功率因数后会减少线路上传输的无功功率，相应会减小电压损失，从而提高了电压质量。

（2）提高变压器的利用率，减少投资

电力系统功率因数提高，相应变压器的利用率也会提高：

12112

cos %100%(1)100%cos S S S S -Φ∆=⨯=-⨯Φ 由此可见，补偿后的变压器利用率提高了%S ∆，可以带更多的负荷，减少输变电设备的投资。

（3）减少用户电费支出

不仅可以避免功率因数低于规定值而受罚，而且还可以减少用户内部因传输和分配无功功率而造成的有功功率损耗，电费可相应降低。

无功补偿的基本原理

电力系统的网络元件的阻抗主要是感性的，需要容性无功来补偿感性无功。将电容并入RL 支路后，电路如图（a ）所示，该电路的电流方程为

l rl I I I •••

=+ 由图（b ）的相量图可知，并联电容后，U 与I 的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了，此时电流滞后于电压，这种情况为欠补偿。若电容C 的容量过大，会导致电流超前于电压，这种情况称为过补偿，相量图如图（c ）所示。通常不希望出现过补偿们因为：

（1）引起变压器二次侧电压升高。

（2）容性无功功率在输电线路上传输同样会增加电能损耗。

（3）如果供电线路电压升高，还会增大电容器本身的功率损耗，温升也会减小电容的寿命。

I I

（a ） （b ）

（c ） 无功补偿的具体措施 无功补偿有很多种方法，按补偿装置的应用及补偿状态可以分为机械旋转类无功补偿、静止类无功补偿、复合类无功补偿。

机械旋转类无功补偿的具体措施包括同步调相机、同步发电机和同步电动机。同步调相机可以看成是一种不带任何负载的同步电动机，其补偿特点是既能过励磁运行，发出感性无功功率使电压升高，也能欠励磁运行吸收感性无功功率使电压降低。早期对功率因数补偿要求较高的场合，通常采用这种方式，有时，这种电机也称之为同步补偿机；同步发电机是最早使用的无功补偿设备之一，在现代大电网的运行环境下，同步发电机已不能称为专门的无功补偿设备了，它只是在保证自身正常运行的前提下为系统提供适当的无功功率，其原理也是通过调节发电机的励磁电流来实现；在很多时候，同步电动机是用来改善配电系统的功率因数的，根据需要进行连续、平滑调节，也可向电网提供无功功率，使低转速负载能在稳定条件下运行，并具有较高的效率，增强过载能力。但这种补偿方式的设备一次性投资较高，使用维护比较麻烦。

静止类无功补偿器是指补偿设备在运行时是固定不动的，具体措施包括固定电容和静止无功补偿器。固定电容的工作原理是通过增加容性无功来补偿负载侧的感性无功需求，以提升负载电压的稳定。这种早期补偿方式的主要特点是结构简单、经济实用。然而由于并联电容器的投切是通过接触器来实现的，其电容的投切时刻很难准确定位，因而它的致命缺点是：合闸涌流大；静止无功补偿器一般采用晶闸管作为开关器件，具有体积小、重量轻、控制灵活等特点。

在某种场合下，通常将机械旋转类无功补偿和静止类无功补偿结合起来，以突出各自优势，这种无功补偿装置称为复合类无功补偿。

在无功补偿的发展历史中，电力电子开关对无功补偿技术的发展起到了非常重要的推动作用，它的应用是无功补偿发展中的一个重要里程碑。电力电子开关不仅能保证快速、准确地实施补偿，还能够将先进的智能控制技术引入到无功补偿中，使其具有了高度的灵活性和实时性，更好地保证了系统运行的稳定性和可靠性。合理选择补偿装置，可以做到最大限度地减少网络损耗，使电网质量得到有效提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统电压波动、电能质量下降等诸多问题。