無功補償控制器

無功補償

一、功率的概念

1、視在功率：視在功率是指發電機發出的總功率，其中可以分為有功部分和無功部分。

2、有功功率：有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。

3、無功功率：是用於電路內電場與磁場的交換，並用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。無功功率不做功，但是要保證有功功率的傳導必須先滿足電網的無功功率。

二、需要無功補償的原因

在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。

但是從發電機和高壓輸電線供給的無功功率遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。

無功補償是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷並聯接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。

三、無功補償的一般方法

　無功補償通常採用的方法主要有3種：低壓個別補償、低壓集中補償、高壓集中補償。下面簡單介紹這3種補償方式的適用範圍及使用該種補償方式的優缺點。

(1)低壓個別補償

　　低壓個別補償就是根據個別用電設備對無功的需要量將單台或多台低壓電容器組分散地與用電設備並接，它與用電設備共用一套斷路器。通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用於補償個別大容量且連續運行(如大中型非同步電動機)的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償的優點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，因此不會造成無功倒送。具有投資少、佔位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優點。

(2)低壓集中補償

　　低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進行，做不到平滑的調節。低壓補償的優點：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網損，具有較高的經濟性，是目前無功補償中常用的手段之一。

(3)高壓集中補償

高壓集中補償是指將並聯電容器組直接裝在變電所的6～10kV高壓母線上的補償方式。適用於用戶遠離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負荷時，可以減少對電力系統無功的消耗並可以起到一定的補償作用；補償裝置根據負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加。同時便於運行維護，補償效益高。

四、無功補償裝置的分類

無功補償有很多種類：從補償的範圍劃分可以分為負荷補償與線路補償，從補償的性質劃分可以分為感性補償與容性補償。下面將並聯容性補償的方法大致列舉：

1、同步調相機

調相機的基本原理與同步發電機沒有區別，它只輸出無功電流。因為不發電，因此不需要原動機拖動，沒有啟動電機的調相機也沒有軸伸，實質就是相當於一台在電網中空轉的同步發電機。

調相機是電網中最早使用的無功補償裝置。當增加激磁電流時，其輸出的容性無功電流增大。當減少激磁電流時，其輸出的容性無功電流減少。當激磁電流減少到一定程度時，輸出無功電流為零，只有很小的有功電流用於彌補調相機的損耗。當激磁電流進一步減少時，輸出感性無功電流。

調相機容量大、對諧波不敏感，並且具有當電網電壓下降時輸出無功電流自動增加的特點，因此調相機對於電網的無功安全具有不可替代的作用。

由於調相機的價格高，效率低，運行成本高，因此已經逐漸被並聯電容器所替代。但是近年來出於對電網無功安全的重視，一些人主張重新啟用調相機。

2、並聯電容器

並聯電容器是目前最主要的無功補償方法。其主要特點是價格低，效率高，運行成本低，在保護完善的情況下可靠性也很高。

在高壓及中壓系統中主要使用固定連接的並聯電容器組，而在低壓配電系統中則主要使用自動控制電容器投切的自動無功補償裝置。自動無功補償裝置的結構則多種多樣形形色色，適用於各種不同的負荷情況。對於低壓自動無功補償裝置將另文詳細介紹。

並聯電容器的最主要缺點是其對諧波的敏感性。當電網中含有諧波時，電容器的電流會急劇增大，還會與電網中的感性元件諧振使諧波放大。另外，並聯電容器屬於恆阻抗元件，在電網電壓下降時其輸出的無功電流也下降，因此不利於電網的無功安全。

3、SVC

SVC的全稱是靜止式無功補償裝置，靜止兩個字是與同步調相機的旋轉相對應的。

國際大電網會議將SVC定義為7個子類：

①機械投切電容器（MSC）

②機械投切電抗器（MSR）

③自飽和電抗器（SR）

④晶閘管控制電抗器（TCR）

⑤晶閘管投切電容器（TSC）

⑥晶閘管投

⑦自換向或電網換向轉換器（SCC/LCC）

根據以上這些子類，我們可以看出：除調相機之外，用電感或電容進行無功補償的裝置幾乎均被定義為SVC。因此，目前一些資料或者廣告中大量出現「SVC」字樣，其原因不外乎兩條：其一是作者自己並不明白SVC的定義，其二就是以普通人不懂的字母組合故弄玄虛。

目前國內市場上被宣傳為SVC的產品主要是晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）。對於TSC我們另文敘述，這裡只簡要介紹一下晶閘管控制電抗器（TCR）。

TCR的基本結構包括一組固定並聯連接在線路中的電容器和一組並聯連接在線路中用晶閘管控制的電抗器，通常將電抗器的容量設計成與電容器一樣。由於電抗器是用晶閘管控制的，其感性無功電流可以變化。當晶閘管關斷時，電抗器沒有電流，而電容器固定連接，因此整套裝置的補償量最大。當調節晶閘管的導通角時，電抗器的感性電流就會抵消一部分電容器電流，因此補償量減少，導通角越大，電抗器的電流越大，補償量就越小。當晶閘管全通時，電抗器電流就會將電容器電流全部抵消，此時補償量為0。

在TCR中，當晶閘管的導通角小於90°時，電抗器的電流非正弦含有諧波成分，因此必須將固定電容器組設計成濾波器形式或者配備另外的濾波器。

綜上所述，可以看出TCR的結構複雜，損耗大。但其具有補償量連續可調的特點，在高壓系統中還有應用。

4、STATCOM

STATCOM是一種使用IGBT、GTO、或者SIT等全控型高速電力電子器件作為開關控制電流的裝置。其基本工作原理是：

通過對系統電參數的檢測，預測出一個與電源電壓同相位的幅度適當的正弦電流波形。當系統瞬時電流大於預測電流的時候，STATCOM將大於預測電流的部分吸收進來，儲存在內部的儲能電容器中。當系統瞬時電流小於預測電流的時候，STATCOM將儲存在電容器中的能量釋放出來，填補小於預測電流的部分，從而使得補償后的電流變成與電壓同相位的正弦波。

根據STATCOM的工作原理，理論上STATCOM可以實現真正的動態補償，不僅可以應用在感性負荷場合，還可以應用在容性負荷的場合。並且可以進行諧波濾除，起到濾波器的作用。但切是實際的STATCOM由於技術的原因不可能達到理論要求，而且由於開關操作頻率不夠高等原因，還會向電網輸出諧波。

STATCOM的結構十分複雜，價格昂貴，可靠性差，損耗大，目前仍處於研究試用階段，沒有實際應用價值。電抗器（TSR）償，從補償的方式劃分可以分為串聯補償與並聯補償。

五、採用無功補償的優點

1、根據用電設備的功率因數，可測算輸電線路的電能損失。通過現場技術改造，可使低於標準要求的功率因數達標，實現節電目的。

2、 採用無功補償技術，提高低壓電網和用電設備的功率因數，是節電工作的一項重要措施。

3、 無功補償，它就是藉助於無功補償設備提供必要的無功功率，以提高系統的功率因數，降低能耗，改善電網電壓質量，穩定設備運行。

4、減少電力損失，一般工廠動力配線依據不同的線路及負載情況，其電力損耗約2%--3%左右，使用電容提高功率因數后，總電流降低，可降低供電端與用電端的電力損失。

5、 改善供電品質，提高功率因數，減少負載總電流及電壓降。於變壓器二次側加裝電容可改善功率因數提高二次側電壓。

6、 延長設備壽命。 改善功率因數后線路總電流減少，使接近或已經飽和的變壓器、開關等機器設備和線路容量負荷降低，因此可以降低溫升增加壽命（溫度每降低10°C，壽命可延長1倍）

7、最終滿足電力系統對無功補償的監測要求，消除因為功率因數過低而產生的罰款。

8、無功補償可以改善電能質量、降低電能損耗、挖掘發供電設備潛力、無功補償減少用戶電費支出，是一項投資少，收效快的節能措施。

9、無功補償技術對用電單位的低壓配電網的影響以及提高功率因數所帶來的經濟效益和社會效益，確定無功功率的補償容量，確保補償技術經濟、合理、安全可靠，達到節約電能的目的。