无功补偿装置及其作用于电力系统的无功功率源

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：电力系统的无功功率电源，除了发电机外，还有同步调相机、静电电容器及静止补偿器，这三种装置又称无功补偿装置。1．发电机发电机既是惟一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将减少。可控硅控制电抗器型补偿器是通过可控硅导通角的控制来改变补偿器吸收的无功功率。由于K的绝对值很大，近似计算中也可把静止补偿器当作恒电压的无功功率电源，其电压静态特性见图5-7。

电力系统的无功功率电源，除了发电机外，还有同步调相机、静电电容器及静止补偿器，这三种装置又称无功补偿装置。

1．发电机

发电机既是惟一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率

式中　SGN、PGN、φN——发电机的额定视在功率、额定有功功率和额定功率因数角。

现在讨论发电机在非额定功率因数下运行时可能发出的无功功率。假定隐极发电机连接在恒压母线上，母线电压为UN。发电机的等值电路和相量图示于图5-4。图5-4（b）中的c点是额定运行点。电压降相量的长度代表XdIN，正比于定子额定全电流，亦即正比于发电机的额定视在功率SGN，它在纵轴上的投影为PGN，它在横轴上的投影为QGN。相量的长度代表空载电势它正比于发电机的额定励磁电流。当改变功率因数时，发电机发出的有功功率P和无功功率Q要受定子电流额定值（额定视在功率）、转子电流额定值（空载电势）、原动机出力（额定有功功率）的限制。在图5-4（b）中，以A为圆心，以Ac为半径的圆弧表示额定视在功率的限制；以O为圆心，以Oc为半径的圆弧表示额定转子电流的限制；而水平线PGNc表示原动机出力的限制。这些限制条件在图中用粗线画出，这就是发电机的P—Q极限曲线。从图中可以看到，发电机只有在额定电压、电流和功率因数（即运行点c）下运行时视在功率才能达到额定值，使其容量得到最充分的利用。

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图5-4　发电机的P－Q极限

当系统无功电源不足，而有功备用容量较充裕时，可利用靠近负荷中心的发电机降低功率因数，使之在低功率因数下运行，从而多发出无功功率以提高电力网的电压水平，但是发电机的运行点不应越出P—Q极限曲线的范围。

2.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而起无功电源的作用，能提高系统电压；在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。由于实际运行的需要和对稳定性的要求，欠励磁最大容量只有过励磁容量的50%～65%。装有自动励磁调节装置的同步调相机，能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或吸取）的无功功率，进行电压调节。特别是有强行励磁装置时，在系统故障情况下，还能调整系统的电压，有利于提高系统的稳定性。但是同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂。它的有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的1.5%～5%，容量越小，百分值越大。小容量的调相机每kVA容量的投资费用也较大。故同步调相机宜于大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不装设。在我国，同步调相机常安装在枢纽变电所，以便平滑调节电压和提高系统稳定性。

3.静电电容器

静电电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。它供给的无功功率Qc值与所在节点的电压U的平方成正比，即

式中　Xc——静电电容器的容抗，Xc＝1/ωC。

当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将减少。因此，当系统发生故障或由于其他原因电压下降时，电容器无功输出的减少将导致电压继续下降。也就是说，电容器的无功功率调节性能比较差。

静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又可分散装设来就地供应无功功率，以降低网络的电能损耗。电容器每单位容量的投资费用较小，而且与总容量的大小无关，运行时功率损耗亦较小，约为额定容量的0.3%～0.5%。此外由于它没有旋转部件，维护比较方便。为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连接成若干组，根据负荷的变化，分组投入或切除。

4.静止补偿器

静止补偿器由静电电容器与电抗器并联组成。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就成为能够平滑的改变输出（或吸收）无功功率的静止补偿器。

图5-5示出四种不同类型，即可控饱和电抗器型、自饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型、可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型静止补偿器的原理图。图中L为电抗器，C为电容器，与C串联的电抗器Lh为高次谐波调谐电感线圈，它与C组成滤波电路，可根据需要滤去5、7、11、13次等高次谐波。图5-5（a）所示的可控饱和电抗器型补偿器设有控制绕组Wdc，改变该绕组的直流电流Idc，即可改变交流绕组Wac的动态电感，从而改变补偿器吸收的感性无功功率。自饱和电抗器型补偿器不需要外加控制设备，它实际上是一种大容量的磁饱和稳压器。自饱和电抗器L具有这样的特性，当电压大于某值后，随着电压的升高，铁芯急剧饱和。补偿器的电流电压特性如图5-6所示，在补偿器的工作范围内，电压的少许变化就会引起电流的大幅度变化。可控硅控制电抗器型补偿器是通过可控硅导通角的控制来改变补偿器吸收的无功功率。

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图5-5　静止无功补偿器的原理图

（a）可控饱和电抗器型；（b）自饱和电抗器型；（c）可控硅控制电抗器型；（d）可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型

各类静止补偿器在正常工作范围内的无功功率电压静态特性可以近似地用线性方程表示，即

式中　U、UN——实际电压和额定电压；

　　Q0——U＝UN时补偿器的无功功率；

　　K——静态特性的斜率。

由于K的绝对值很大，近似计算中也可把静止补偿器当作恒电压的无功功率电源，其电压静态特性见图5-7。

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图5-6　自饱和电抗器型补偿器的电流电压特性

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图5-7　静态补偿器的无功功率电压静态特性

电压变化时，静止补偿器能快速地、平滑地调节无功功率，以满足动态无功补偿的需要。与同步调相机比较，运行维护简单，功率损耗小，能做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化，对于冲击负荷也有较强的适应性。补偿器的滤波电路能排除高次谐波的干扰。20世纪70年代以来，静止补偿器在国外已被大量使用，在我国电力系统中也将得到日益广泛的应用。

无功补偿装置及其作用于电力系统的无功功率源

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