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摘要：电网中感性负载吸收大量无功功率与谐波的存在对电力系统运行以及电力设备等产生极大的负面影响。无功功率补偿是用电企业提高功率因数和节能降耗的有效手段。其中，合理选择无功功率补偿容量和抑制电容器对谐波的放大作用尤为关键，且合理的无功功率补偿对于对输配电系统非常重要。
关键词：无功补偿；无功功率；谐波消除；逆变器。
课题的背景及意义
随着国民经济的发展，用电负荷的增加，必然要求电网系统利用率的提高。但由于接入电网的用电设备绝大多数是电感性负荷，自然功率因素低，影响发电机的输出功率；降低有功功率的输出；影响变电、输电的供电能力；降低有功功率的容量；增加电力系统的电能损耗；增加输电线路的电压降等。因此，连接到电网中的大多数电器不仅需要有功功率，还需要一定的无功功率。为减少电力输送中的损耗，提高电力输送的容量和质量，必须进行无功功率的补偿。这些无功功率如果不能及时地得到补偿的话，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响
1.补偿技术的应用情况
无功补偿的应用目的：（1）可以增加电网中有功功率的比例常数；（2）改善电压调整；（3）减少发、供电设备的设计容量，减少投资；（4）提供静态和动态稳定；（5）降低过电压；（6）减少电压波动；（7）降低线损；（8）减少电压和电流的不平衡。
2.几种无功补偿装置分析对比
电力系统中，常见的无功控制方法有同步调相机、同步电动机、异步电动机同步化、静电电容器、大功率电力电子器件静止无功补偿装置等。
（1）同步调相机：同步调相机相当于空载运行的同步电动机。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，提高系统电压；在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率，降低系统电压。它有利于提高系统的稳定性，虽然目前仍有使用，但运行维护比较复杂，而且技术上已显得落后。
（2）同步电动机：利用过激磁的同步电动机，改善用电的功率因数，设备复杂，造价高，只适于在具有大功率拖动装置是采用。
（3）静电电容器：静电电容器可以改善线路参数，减少线路感性无功功率，补偿系统无功。但由于它供给的无功功率与节点电压的平方成正比，当节点电压下降时，它供给的无功功率反而会减少，所以电容器的无功功率调节性能比较差。但由于维护比较方便，装设容量可大可小，既可集中使用、 又可分散装设，所以目前仍是我国主要的补偿方式。
（4）静止无功补偿器（SVC）被用于电压控制或用于获得其它效益，如提高系统的阻尼和稳定性等；这类装置的典型代表有：晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）。静止同步无功补偿器是目前技术最为先进的无功补偿装置。它不再采用大容量的电容器，电感器来产生所需无功功率，而是通过电力电子器件的高频开关实现对无功补偿技术质的飞跃，特别适用于中高压电力系统中的动态无功补偿。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率（或反向进行），并且响应快速。
3.致力于380V-35kV电网的谐波抑制与无功补偿的动态无功补偿装置系统（TSC）分析
3.1 动态无功补偿系统（TSC）的原理及应用：
动态无功补偿装置，采用晶闸管作为投切开关，跟随负荷变化情况动态投切无功补偿电容器组、实现改善电网功率因数的实时调节，响应速度为（10mS～20mS），即可在10mS～20mS内完成所有电容组的投入切除过程。如图1，该装置能有效调整电网的无功功率，使电网的功率因数达到0.95以上；并具有显著的节能效果（25%以上）；根据现场负载无功与谐波情况，在TSC系统中采用特定的电抗器（占电容器容抗比例为5.67%~7.00%），可有效抑制谐波放大、降低TSC投切瞬间对电网的冲击，达到有效改善供电系统功率因数的目的，满足国标GB/T14549-93的相关要求。TSC一般采用过零投切，采用过零投切时电路的冲击电流为零。为了投切效果更好，必须对电容预先充电。
3.2、现场工况初步分析：
我公司采矿车间配电示意图如图2所示，其中2*630kW提升机是最主要的谐波源，其配电情况主要器件参数如下：
供电变压器：容量： ；短路阻抗：6.9%；原边电压： ；副边电压： ；一次侧电流57.7A，二次侧电流874.8A。
提升机：额定功率： ；660V下直流提升机有2台。
（1）当前主要问题：
① 耗电较高，存在无功补偿问题；
② 存在630kW直流提升机，故谐波主要在此；
③ 630kW直流提升机无功变化剧烈，需动态补偿无功，同时滤除谐波；率因数为0.9。
④ 当前10kV母线功率因数较低。
（2）对采矿车间630KW提升机变压器10KV侧进行了现场测试，具体数据如下：
① 系统无功功率在（524-1216）kVar间变化；
② 功率因数最高时只有0.63，远低于国标要求。必须补偿无功。
③ 10kV母线电流畸变率很高，最高达110%，这是10kV系统不允许的，表明10kV母线谐波十分严重。由于提升机属于直流负载，因此10kV母线谐波主要来自2台630kW提升机整流柜。为分析流入1000kVA变压器10kV侧的谐波电流是否符合国标，根据用户协议分析，当电网的公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时，按下式修正的谐波电流允许值，基本转换公式如下：
注入1000kVA变压器10kV侧的5、11次谐波电流均超过了国家允许值，其中5次谐波超标4倍多，因此设计无功补偿装置时必须考虑谐波的治理问题。
3.3、分析结果：
考虑设计成本，采用在每台提升机660V母线配置静态滤波兼无功补偿PPF与动态无功补偿TSC相结合的治理方案，装置整体无功补偿容量1456kVar/660V，主要特点如下：
① 无源滤波容量为300kVar（690V），可有效滤除提升机产生的5次谐波；
② 动态无功补偿容量为540kVar（720V），可满足单台提升机660V侧电网的平均功率因数由0.2到0.90的无功补偿需求。
③ 无源滤波装置装2面柜；动态无功补偿装置装2面柜；
④ 可使660V电网瞬间功率因数最高达到0.95；
⑤ 在400V电网功率因数达到0.9的前提下，使10kV母线功率因数达到0.9以上。
⑥ 660V与10kV母线谐波满足国家标准；
⑦ 有效抑制谐波，使原有无功补偿电容器组可以投切。
4结 论
无功补偿技术是提高电网供电能力、减少电压损失和降低网损的一种有效措施。电力电容器具有无功补偿原理简单、安装方便、投资小，有功损耗小，运行维护简便、安全可靠等优点。因此，在当前，随着电力负荷的增加，要想提高电网系统的利用率，通过采用补偿电容器进行合理的补偿，是能够提高供电质量并取得明显的经济效益的。传统的无功补偿装置（如SVC）虽然目前应用比较广泛，但由于损耗较大、自身谐波较多，技术上已显落后，目前对它的研究主要集中在控制策略上。而基于电力电子逆变技术的无功补偿装置，由于其具有响应速度快、损耗及产生谐波小、能连续大范围调节无功等诸多优点，正成为无功补偿技术的发展方向。
参考文献
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[2] 纪延超，，等。 新型 GTO 静止动态无功补偿电源（SVG）的原理和实验。哈尔滨工业大学学报，1994，（2）：47~ 52
[3]于永源，等。无功功率补偿设备。电力系统分析，2007，（3）：58~ 72
论文作者:李世涛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第1期
论文发表时间:2017/3/9
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