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配电网无功补偿技术研究
2021/04/11
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摘 要
在电力系统中，存在着消耗大量无功功率的设备，这些设备的使用会给77年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行其使用了晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院的支持下，美国西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际使用。静止无功补偿装置包括晶闸管控制的电抗器〔TCR〕和晶闸管投切电容器〔TSC〕以及两者的混合装置TCR+TSC，或者晶闸管控制电抗器和固定电抗器〔FC〕或机械投切电容器〔MSC〕混合使用的装置。在国内SVC越来越广泛的被应用于电力系统中，成为电力系统中支持电网电压的重要手段。
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第二章 无功功率
电网中电力设备大多是根据电磁原理工作的，他们能在能量交换中建立交变的磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。但电源能量再通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅仅在用电负荷与电源之间进往复交换，由于这种交换功率不对外做功，因此成为无功功率。无功功率反映了内部与外部往返交换的能量情况，但并不像有功功率那样表示单位时间内所做的平均功率，无功功率的符号用Q表示，单位为乏〔var〕、千乏〔Kvar〕、兆乏〔Mvar〕。
前面说过，无功功率只是描述能量交换的幅度，并不消耗功率，图2-1的单相电路就是这一方面的例子，其负载为感性负载。电阻消耗有用功，而电感那么在一周期内的一局部时间内把从电源吸收的能量储存起来，另一局部时间再把储存的能量向电源和负载释放，并不消耗能量。无功功率的大小表示了电源和负载电感之间能量交换的幅度。电源向负载提供这种无功功率是阻感负载内的需要，同时对电源的输出带来一定的影响。
图2-1
图2-2是带有负载的三相电路，为了和图2-1相对照，假设U、R、L的参数均和2-1相同，为对称三相电路。这是无功功率的大小当然表示了电源和负载电感之间的能量交换幅度。无功能量在电源和负载间来回流动。同时，可以证明，各项的无功功率分量〔〕的瞬时值之和在任一时刻都为零。因此，也可以认为无功能量是在三相之间流动。这种流动是通过阻感负载进行的。
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图2-2
图2-2是一个静止无功发生器电路〔SVG〕。通过对各半导体开关器件的适当控制，其电源电流的相位可以比电压超前，使SVG发出的无功功率或吸收无功功率。在进行PWM控制时，如果开关频率足够高C的容量就可以足够小。因此，C可以不被看成储能元件。同样，只要开关频率足够高，SVG交流侧电感L也可以足够小，L也不是交换无功能量意义上的电感。因此，这种电路可以近似看成无储能元件的电路。这时，无功能量的交换就不能看成是在电源和负载储能元件之间进行的。因为各相无功分量的瞬时值之和在任一时刻都为零。因此，仍可以认为无功能量在三相之间流动。事实上，三相三线电路无论对称还是不对称，无论含谐波还是不含谐波，各无功分量的瞬时值都为零。这一结论是普遍成立的，因此，可以认为无功能量是在三相之间流动的。
图2-3a
图2-3a是带有电阻负载的单相桥式可控整流电路，图2-3b是时u和i的波形。这时电路的有功功率为
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图2-3b
电流i的有效值为
功率因数为
无功功率Q为
其无功功率一局部是由基波电流移相产生的，另一局部是由谐波电流产生的。因为负载中没有储能元件，而且是单相电路，所以，这里没有上述意义上的无功能量的流动，其无功功率是由电路非线性产生的。
传统的无功功率是由储能元件引起的负荷与电源之间能量交换的最大值，是负荷与电源间交换能量的一种度量。但随着科学技术的开展，许多非储能元件也会吸收无功这主要是器件的非线性引起的。电力系统中的无功消耗主要来自两个方面，一是输电线路自身消耗的无功，另一方面是负荷消耗的无功。输电设备在输送电能时要吸收一定的无功，在高压配电网络中为了提高电网的输送容量和系统的稳定性一般会对这局部无功进行补偿，如对线路进行串联补偿，一些重要的节点进行并联补偿。负荷吸收的负载主要是指感性负载和大量的非线性负荷消耗无功，如工业生产和日常生活中使用的异步电动机，日光灯、以及各种变流设备，工业电炉、电气机车等，这些负荷中有些容量很大，再启动和使用中都会吸收大量的无功，常会引起电网电压波动和畸变。
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在电力系统中，负载中的感性负载会降低电网的功率因数，会给电力系统产生以下不良影响。
〔1〕降低发电机组的输电能力和输变电设备的输电能力，是电气设备的效率降低，发电和输变电本钱提高。
〔2〕增加了输电损耗，降低了系统的