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无功补偿

无功补偿装置说明

由于跨专业学习的人越来越多，部分同志对无功的概念较为混乱，现试对其作出浅析，希望对大家有帮助。

大家应建立一个概念，无功并不会被消耗，只会被补偿、平衡。

首先，大家应了解为什么要定义无功。

无功是无功类设备（电感、电抗）与电网进行能量交换的速率。

应强调的是交换的速率，而不是交换过程中的损耗，即在交换过程中由于漏磁、介质损耗等能量的损失并不属于无功，这些是因无功过程中引起的有功损耗。

再明白点说明无功的定义及与有功的分别。

电网中存在电能，当电流通过负荷时，会产生机械运动、光、热能等其它能量的表现。

这实际上电能转换成机械能、光成与热能等。

这种转换速率我们称为有功，转换的结果就是电能的消耗，其主要特征是当电能通过负荷转换成其它型式的能量后，并不能立刻变回电能（一个周期内）。

而有些特殊的设备（如电抗器、电容器），当电流流过它们时，在半个周期内，电能会转变成磁能或场能等形式，但在后半个周期内，这些能量会转变回电能并反送回电网，因此从整个周期来看，设备没有从电网中吸收任何电能，只是不断的作能量交换（是交换而不是转变）；为计算交换的速率，因此定义无功这个概念，这类设备就是无功负荷。

虽要说明的是，实际上是没有纯无功负荷的，实际的无功设备在能量交换时一定有能量的损耗（如漏磁、介质损耗等），这部分丢失的损耗不能算入无功，这是因无功作用而产生的有功损耗。

同理有些人把设备产生的不是需要的热能等能量损失称为无功是不对的，这是无用功，而不是无功，因其不能转回电能。

有些人可能会问，无功既然只是无能量交换，没有能量消耗（确切的说是转变为其它形式的能量），那为什么我们还要那么重视无功呢？

下面用一个例子说明：

电厂发电，煤送入工厂，会被消耗（相当于有功），工人每天上下班，在工厂进出，人数并不减小（相当于无功）。

工人虽然不会损耗，但工人上下班必然占用道路，影响煤的输送（为了说明问题，只好认为他们是用同一道路的），这就相当于无功影响了设备的输电效率。

同时，工人在上下班的过程中必然对路面产生损坏，路程越长则维护费用越大（这相当于无功引起的线路损耗，属有功）；为减小这个损耗，厂区内最好就建有工人住房（这相当于无功就地补偿、平衡）。

总结：

无功是能量交换的速率，本身并不产生损耗。

我们常说的无用功损耗能等，实际上很多是属于有功，因为它是把电能转为热能或机械能等。

但无功负荷在能量交换过程中必然带来有功损耗，而且负荷与电源的距离越远则损耗越大，并且会占用大量的线路输送能力；为了减小这方面的损失，我们就要在无功负荷设备的旁边加装反性质的无功负荷，使其互相进行能量交换，减小对电源的依赖，达到提高线路输送能力及减小线损的目的。

漫谈电网的无功补偿

　目前世界范围内掀起环境保护的热潮，电力系统是一种的特定环境，公用电网中出现的无功功率，是电网本身的运行规律所决定，但它给电网运行带来了许多麻烦。

无功功率是一种既不能作有功，但又会在电网中引起损耗，而且又是不能缺少的一种功率。

　　在实际电力系统中，异步电动机作为传统的主要负荷使电网产生感性无功电流；电力电子装置大多数功率因数都很低，导致电网中出现大量的无功电流。

无功电流产生无功功率，给电网带来额外负担且影响供电质量。

因此，无功功率补偿（以下简称无功补偿）就成为保持电网高质量运行的一种主要手段之一，这也是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临发展的一个重大课题，且正在受到越来越多的关注。

　　设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法，目前在国内外均获广泛应用。

电容器与网络感性负荷并联，以并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，但其阻抗是固定的，故不能跟踪负荷无功需求的变化，即不能实现对无功功率的动态补偿。

　　随着电力系统的发展，要求对无功功率进行动态补偿，从而产生了同步调相机（SynchronousCondenser--SC）。

它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的情况下，能够分别发出不同大小的容性或感性无功功率。

自20世纪2、30年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统中作为有源的无功补偿曾一度发挥着主要作用，所以被称为传统的无功动态补偿装置。

然而，由于它是旋转电机，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。

　　20世纪70年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置（StaticVarCompensator--SVC）所取代，目前有些国家已不再使用同步调相机。

早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（SaturatedReactor--SR）型的，1967年英国GEC公司制成了世界上第一批该型无功补偿装置。

饱和电抗器比之同步调相机具有静止、响应速度快等优点；但其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还是很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据主流。

　　电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台。

1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了晶闸管的静止无功补偿装置。

1978年此类装置投入实际运行。

随后，世界各大电气公司都竟相推出了各具特色的系列产品。

近10多年来，占据了静止无功补偿装置的主导地位。

于是静止无功补偿装置（SVC）成了专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器（ThyristorontrolledReactor--TCR）和晶闸管投切电容器（ThyistorSwitchedCapactor--TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC），或者TCR与固定电容器（FixedCapacitor--FC）或机械投切电容器（MechanicallySwitchedCapacitor--MSC）混合使用的装置（即TCR+FC、TCR+MSC）等。

　　随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，一种更为先进的静止型无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的无功补偿，有人称为静止无功发生器（StaticVarGenerator--SVG），也有人称其为高级静止无功补偿器（AdvancedStaticVarCompensator--ASVC）或静止调相器（StaticCondenser--STATCON）。

最近，日本和美国已分别有数台SVG装置投入实际运行。

　　目前，除对SVC和SVG的无功补偿进一步的探讨外，人们还研究用于动态无功补偿的其他各种形式的静止变流器，包括赌流型自换相桥式电路，交-交变频电路以及交流斩波电路等，直至最近，美国电力研究院还提出统一潮流控制器（UnifiedPowerFlowController--UPFC）。

事实上，SVC、SVG和UPEC都是柔性交流输电系统（FlexibleACTransmissionSystem--FACTS）中的器件。

所谓柔性交流输电系统，是20世纪80年代以来由美国电力研究院提出的一个崭新概念，其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中，以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力。

电力系统电压与无功补偿

除了用改变电力网参数来减少电压损耗以外，改变电压损耗的另一个重要方面是改变电网元件中传输的功率。

即改变表达式中的P和Q的大小，在满足负荷有功功率的前提下，要改变供电线路、变压器传输的有功功率，是比较困难的，常常是不可能的。

因此，改变线路、变压器传输功率都是改变其无功功率，使表达式中的Q减少。

由此我们引出无功功率的几个非常重要的关键的概念。

2.1无功功率补偿概念当今电厂受水、环保等多方面的制约，它的位置越来越远离负荷中心，即使建在靠近负荷点，由于单机容量越来越大，发电机的额定功率因数也越来越高，这样，电网实际接受的无功功率就越来越少，单靠发电机发出的无功功率远远不能满足电网对无功功率的需要，必须配置各种无功功率补偿装置。

例如：

目前北京地区有功负荷的2/3电力要从山西、内蒙、河北等地远距离用超高压500kV线路送来，为了能接受到这么多的有功功率，必须在北京地区负荷中心装设相应数量的无功功率补偿电力设施（一般为1kW的有功电力配1kvar的无功电力补偿设施）见图7。

2.2无功功率就地补偿的概念无功补偿装置的分布，首先要考虑调压的要求，满足电网电压质量指标。

同时，也要避免无功功率在电网内的长距离传输，减少电网的电压损耗和功率损耗。

无功功率补偿的原则是做到无功功率分层分区平衡，就是要做到哪里有无功负荷就在那里安装无功补偿装置。

这既是经济上的需要，也是无功电力特征所必需的，如果不这样做，就达不到最佳补偿的目的，解决不了无功电力就地平衡的问题。

2.3无功功率平衡的概念如同有功功率平衡一样，电力系统的无功功率在每一刻也必须保持平衡。

在电力系统中，频率与有功功率是一对统一体，当有功负荷与有功电源出力相平衡时，频率就正常，达到额定值50Hz，而当有功负荷大于有功出力时，频率就下降，反之，频率就会上升。

电压与无功功率也和频率与有功功率一样，是一对对立的统一体。

当无功负荷与无功出力相平衡时，电压就正常，达到额定值，而当无功负荷大于无功出力时，电压就下降，反之，电压就会上升。

但是，需要说明的是电压与无功功率之间的关系要比频率与有功功率之间的关系复杂得多，大体上有以下几点：

①在一个并列运行的电力系统中，任何一点的频率都是一样的，而电压与无功电力却不是这样的。

当无功功率平衡时，整个电力系统的电压从整体上看是会正常的，是可以达到额定值的，即便是如此，也是指整体上而已，实际上有些节点处的电压并不一定合格，如果无功不是处于平衡状态时，那么情况就更复杂了，当无功出力大于无功负荷时，电压普遍会高一些，但也会有个别地方可能低一些，反之，也是如此。

②系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力，这是由于现代超高压电网包括各级变压器和架空线路在传送电能时需要消耗大量的无功，称为"无功损耗"，一般来说，这些无功损耗与整个电网中的无功负荷的大小是差不多的，我们以一台50MVA的110kV变压器为例来了解变压器在运行中的无功损耗情况。

变压器的参数为：

Ue=110kV，Se=50MVA，Uk%=17%，变压器在传送电能时的无功损耗的计算式为：

Q=SeUk%（I/Ie）2式中I--变压器的负荷电流；　　Ie--变压器的额定电流，与变压器的无功损耗与变压器的负载率、变压器的额定容量及短路阻抗有关。

如果这台变压器满负荷运行，那么它的无功损耗就是：

Q=50MVA×17%=8.5Mvar此时变压器的无功损耗相当大，其低压侧安装的并联电容器组的容量甚至不够补偿变压器满负荷时的无功损耗。

③无功功率不宜远距离输送，当输送功率与传送距离达到一定极限时，其传送功率成为不可能，这是由于超高压等级的变压器、线路电抗较大，其无功损耗Q=I2X相应也很大，所输送的无功功率均损耗在变压器及线路上了。

另外，传送大量的无功功率时，线路电压损失也相当大，同样会造成无法传送的结果。

合理的就地无功补偿对调整系统电压、降低线损有十分重要的作用。

设有一条110kV线路选用LG-300型导线（导线电阻0.095W/km）线路全长20km，输送有功功率30MW，无功功率40Mvar，下面分别计算在功率因数cosf=0.6和0.9时线路的功率损耗和应补偿的无功功率。

本题只计算导线电阻的功率损耗，不考虑其它因素。

1）在cosf=0.6时，此时有功P=30MW，无功Q=40Mvar，视在功率S=50MVA，电流I=S/U=50MVA/（110kV×31/2）=263A，功率损耗P=I2·R=2632×0.095×20×3=394kW。

2）在cosf=0.9时，此时有功功率P=30MW，视在功率S=33.333MVA，无功功率Q=14.528Mvar，I=S/U=33.333MVA/（110kV×31/2）=175A，功率损耗P=I2·R=1752×0.095×20×3=175kW。

应补偿无功容量=40-14.528=25.472Mvar。

补偿前后有功损耗相差219kW。

由计算结果可知补偿无功功率25.472Mvar后每小时可降低线损219kWh。

无功补偿对电力系统的重要性越来越受到重视，合理地投停使用无功补偿设备，对调整电网电压、提高供电质量、抑制谐波干扰、保证电网安全运行都有着十分重要的作用。

无功补偿装置的合理使用可以给供电企业带来巨大的经济效益。

对于像北京电力公司这样的大企业来说，线损每降低0.1个百分点，就可以增加上千万元收入。

从根本上说，要维持整个系统的电压水平，就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿线路和变压器中的无功功率损耗。

如果系统无功电源不足，则会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡，即靠电压降低、负荷吸收无功功率的减少来弥补无功电源的不足。

同样，如果由于电网缺乏调节手段或无功补偿元件的不合理运行使某段时间无功功率过剩，也会造成整个电网的运行电压过高。

我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行状态。

有些地方想用调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题。

开始，这种办法也有一些效果，某些供电点电压升高了，但这是以降低别处电压为代价的，因为总的无功电源不足，局部地区电压升高无功负荷增大，必然使别处无功功率更少、电压更低。

各处普遍采用调节变压器分接头的结果，不仅没能提高负荷的供电电压，而是使得无功损耗加大，整个系统低电压问题更加严重。

在这种情况下，首要的问题应该是增加无功功率补偿设备。

低压运行同时对电网安全带来巨大危害，系统稳定性差，十分脆弱，经受不起事故异常及负荷强烈变化对系统的冲击、十分容易造成大面积的停电和系统瓦解的后果，国内外均有此先例。

3各种无功补偿设备及补偿方式下面我们介绍各种无功功率补偿设备及补偿方式。

3.1同步调相机同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。

其主要缺点是投资大，运行维护复杂。

因此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。

但是同步调相机也有自身的优点：

①调相机可以随着系统负荷的变化，均匀调整电压，使电网电压保持规定的水平。

电容器只能分成若干个小组，进行阶梯式的调压。

②调相机可以根据系统无功的需要，调节励磁运行，过励磁时可以做到发出其额定100%的无功功率，欠励磁时还可以吸收其额定的50%的无功功率。

电容器只能发出无功，不能吸收无功。

③调相机可以安装强行励磁装置，当电网发生故障时，电压剧烈降低，调相机可以强行励磁，保持电网电压稳定，因而提高了系统运行的稳定性。

电容器输出无功功率与运行电压的平方成正比，电压降低，输出的无功将急剧下降，比如，当电压下降10%，变为0.9Ue时，电容器输出的无功功率变为0.81Q，即其输出的无功功率将下降19%，所以，电容器此时不能起到稳定系统电压的作用。

3.2并联电容器作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点：

①电容器是最经济的设备。

它的一次性投资和运行费用都比较低，且安装调试简单。

②电容器的损耗低，效率高。

现代电容器的损耗只有本身容量的0.02%左右。

调相机除了本身的损耗外，其附属设备还需用一定的所用电，损耗2%～30%，大大高于电容器。

③电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。

调相机为旋转电机，运行维护很复杂。

④电容器的应用范围广，可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在配电系统和厂矿用户。

而调相机则只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限。

并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90%的无功补偿设备是并联电容器。

3.3并联电抗器并联电抗器是一种感性无功补偿设备，它可以吸收系统中过剩的无功功率，避免电网运行电压过高。

为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时，线路的充电功率造成线路电压升高，一般装设并联电抗器吸收线路的充电功率，同时，并联电抗器也用来限制由于突然甩负荷或接地故障引起的过电压从而危及系统的绝缘。

并联电抗器可以直接接到超高压（275kV及以上）线路上，其优点是：

可以限制高压线路的过电压，与中性点小电抗配合，有利于超高压长距离输电线路单相重合闸过程中故障相的消弧，从而提高单相重合闸的成功率。

高压电抗器本身损耗小，但造价较高。

并联电抗器也可以接到低压侧或变压器三次侧，有干式的和油浸的两种，这种方式的优点是造价较低，操作方便。

从发展趋势看，更多的将采用高压电抗器。

大型并联电抗器的技术、结构和标准与大型电力变压器类似，也有单相和三相，心式和壳式之分，心式还可以分为带间隙柱的和空心式的，目前我国制造的高压大容量并联电抗器只采用心式结构。

心式电抗器的结构与心式变压器类似，但是只有一个绕组，在磁路中加入间隙以保证不饱和，维持线性。

3.4静止补偿器（SVC-StaticVarCompensator）静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，电容器、电抗器、调相机是对电力系统静态无功电力的补偿，而静止补偿器主要是对电力系统中的动态冲击负荷的补偿。

根据负荷变动情况，静止补偿可以迅速改变所输出无功功率的性质或保持母线电压恒定。

静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。

电容器可发出无功功率，可控电抗器可吸收无功功率。

其控制系统由可控的电子器件来实现，响应速度远远高于调相机，一般只有20ms。

它主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机以及大型整流设备等。

另外，在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿器来提高系统的稳定性，同时，静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。

在我国湖南、湖北、广东、河南等多个500kV枢纽变电站都采用了这种装置。

例如我国某大型炼钢厂使用电弧炉炼钢，严重影响供电质量，电弧炉运行时使电压下降15%~20%，谐波的干扰使众多用户的电视不能收看，电器设备不能正常使用，群众反应强烈。

在装了静止补偿装置后，供电质量显著改善，电压波动很小，完全在允许范围内，谐波干扰明显降低。

在周围广大用户普遍受益的同时，该厂也降低了线损，减少了电费支出，提高了产品的产量和质量，获得了良好的经济效益。

静止补偿器的最大特点是调节快速。

为了充分发挥它在需要无功功率时的快速调节能力，在正常情况下应经常运行在接近零功率的状态。

但因正常负荷变动引起的电压变化过程缓慢，用一般价格比较便宜的电容器与电抗器等投切配合，完全可以满足要求，没有必要选用这种设备。

4各种调压方法的比较和应用电力系统电压的调整可以通过对中枢点电压的调整来实现。

如果中枢点供电至各负荷点的线路较长，各负荷点的变化规律大致相同，而负荷变动较大，则应在高峰负荷时适当提高中枢点的电压以补偿线路上增大的电压损耗，在低谷负荷时，供电线路电压损耗较小，中枢点电压适当降低，以防止负荷点电压过高。

这种高峰负荷时电压高于低谷负荷时的电压调整方式，称为"逆调压"。

中枢点采用逆调压方式的，在高峰负荷时一般保持电压比线路额定电压高5%，在低谷负荷时电压下降至线路额定电压。

对供电线路不长，负荷变化不大的中枢点，可以采用"顺调压"，顺调压就是在高峰负荷时中枢点电压略低，低谷负荷时电压略高。

顺调压一般要求高峰负荷中枢点电压不低于线路额定电压的102.5%，低谷负荷时中枢点电压不高于线路额定电压的107.5%。

介于"逆调压"与"顺调压"之间的是"恒调压"，恒调压是指在任何负荷时，保持中枢点电压基本不变。

一般保持102%～105%的额定电压。

电压调整是个比较复杂的问题，因为整个系统每一个节点的电压都不相同，运行条件也有差别。

因此，电压调整要根据系统具体情况，选用合适的方法，才能达到目的。

发电机调压，是各种调压手段中首先被考虑的，因为它不需要附加设备，从而不需要附加投资，而是充分利用发电机本身具有的发出或吸收无功功率的能力。

但是这种方法往往只能满足电厂附近地区负荷的调压要求，对于远端负荷，还需要采用其它调压措施才能保证其电压质量。

合理使用发电机调压常常可以在很大程度上减轻其它调压措施的负担。

在无功功率不足的系统中，首要的问题是增加无功功率补偿设备，而不能只靠调整变压器电压的方法。

通常，大量采用并联电容器作为无功补偿设备，其突出的优点是投资低，安装维护方便。

只是在有特殊要求的场合下，才需要采用静止补偿器或同步调相机。

而静止补偿器是一种性能良好，维护方便的新型补偿装置，在价格相当的条件下，应优先选用。

对于500kV、330kV及部分220kV线路，以及大量使用电缆作为出线的电网，要装设足够的并联电抗器，以防止线路轻载时充电功率过剩引起电网电压过高。

在无功电源充裕的系统中，应该大力推广有载调压变压器，这是在各种运行方式下保证电网电压质量的关键手段之一。

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，电网负荷的峰谷差也越来越大，线路、变压器上高峰负荷与低谷负荷产生的电压损耗的差别，已经大到无法仅仅用发电机调压或无功补偿的方法来满足两种运行方式下用户电压的要求了，其结果不是高峰负荷时用户电压太低，就是低谷负荷时电压太高。

在这种情况下，输电系统中的一级变压器或多级变压器，采用有载调压是保证用户电压质量最有效的办法。

1无功功率的分类　　1.1感性无功功率　　在用电设备中，凡是用绕组和磁铁组成的，在交流电路中产生电和磁交变的功能。

在能量转换过程中，有部分磁能仍回复到电能，那部分电流没有消耗有功功率，称为感性无功功率。

在电感性负载的电路中，电流滞后电压一个角度Ψ，cosΨ称为功率因数。

　　1.2容性无功功率　　在电容器二块极板间产生充放电，电容电流不消耗有功功率，这个电流引起的功率称为容性无功功率。

在电容性负载的电路中，电流超前电压一个角度Ψ，cosΨ也称为功率因数。

因此容性无功功率可以抵消感性无功功率而提高功率因数。

　　2无功功率补偿的原理　　在交流电路中，纯电阻负载电流IR与电压U同相位；纯电感负载电流IL滞后电压纯电容负载电流IC则超前于电压。

也就是说纯电感和纯电容中的电流相位差为，可互相抵消，所以在电源向负载供电时，感性负载向外释放的能量由并联电容器将能量储存起来；当感性负载需要能量时，再由电容将能量释放出来。

这样感性负载所需要的无功功率可就地解决，减少负载与电源间能量交换的规模，减少损耗。

在电网中，线路或变压器的可变功率损耗为：

（1）　　当负荷的功率因数由1降至cosΨ时，有功损耗将增加的百分数为：

（2）　　因此，提高负荷的功率因数与降低线损的关系为：

　　　　（3）　　式中：

COSΨ1为负荷原来的功率因数　　COSΨ2为负荷补偿后的功率因数　　可见，当功率因数COSΨ1由0.75提高到0.95时，可变损耗降低37.7%。

　　3无功功率补偿的方法　　线路的电路模型如图1，主要的无功功率是感性无功功率，因此补偿用电容并接的方法来抵消部分感性无功功率，如图（B），相量图如图（C）。

图1　线路模型Fig.1Circuitmodel图2　补偿后模型Fig.2Aftercompensationcircuitmodel图3　相量图Fig.3-Vectogram　　由图3相量分析可得，并联电容后功率因数由cosΨ1提高到cosΨ2.　　无功功率容量的配合按照“全面规划、合理布局、分级补偿、就地平衡”的原理。

　　具体的方法有：

（1）集中补偿法，把电容安装在变电所和车间配电盘。

（2）分散就地补偿法，把电容安装在电动机旁。

　　（3）两者结合的方式。

　　4无功功率补偿的降损计算及经济效益分析　　一般来说，常用的无功功率补偿造价在60～70元/kvar之间，那么假设一个主变容量为15000KVA的35KV变电所，加装3000kvar的电容装置那就要一次性投资20多万元。

主变电所的功率因数也将由0.75提高至0.91。

　　根据变电所集中补偿的工程降损计算公式：

　　△A1=Q0×β1×T1=3000×24×36