分析供电系统供电系统电能质量无功补偿

【摘 要】 电能质量不仅关系着用户用电过程的安全性，还关系着供电系统运行过程的可靠性和稳定性，因此，如何确保供电系统的电能质量已经成为相关领域的研究热点。为了进一步改善供电系统的电能质量，有必要针对电能质量指标变化的各种原因进行分析，并采用无功补偿方案改善供电系统的电能质量，以实现供电系统稳定性的不断提高。
【关键词】 供电系统 电能质量 无功补偿
对于供电系统而言，其电能质量的好坏直接影响着用电的安全性和稳定性。通常而言，衡量供电系统电能质量的基本指标包括如下两种，即电压与频率，此外，还有其他诸如谐波、三项电压对称与否等相关指标。一旦这些指标出现异常，将直接导致供电系统电容器、电缆线路发生击穿及损坏，保护装置产生误动作、变压器谐振增加等情况。因此，对供电系统运行过程进行研究时，不仅要对负荷的分配情况进行考虑，还要对无功功率及有功功率的优化分布进行考虑，同时，还需兼顾供电系统电能质量的相关指标，针对电能质量指标改变的原因进行认真研究，并针对不同情况采取不同措施进行解决，以真正确保供电系统运行过程的安全性和稳定性，从而保障电能能够得到源源不断的供应。

1 供电系统电能质量产生变化的原因分析

造成供电系统电能质量发生变化的原因有很多，大致可以分为以下几种。
（1）在供电系统中，发电机的转速决定了电力系统的频率，发电机轴的转矩对应发电机功率，而转矩与转速又存在一定的相关性。所以，如果供电系统的发电机中功率不平衡时，会影响系统的频率，使频率发生变化。因此，为了保证供电系统能有稳定的频率，要使有功功率平衡，并且具有一定的容量空间，从而为供电系统提供稳定的电力。
（2）供电系统无功功率的平衡、负荷情况均与系统的电压水平成一定的关系。设备运行时，无功冲击负荷与感性负荷大量的出现，既有有用功率，也有无用功率，但冲击负荷的无功功率要比正常值大几倍。供电系统设备的故障、接线方式的不同以及负荷的变化，会增大系统的无功功率或破坏功率的平衡。当输电电压和系统额定电压固定不变时，整个系统的有功损耗随着功率因素平方的增大而减小，成反比关系。功率因素降低时，无功功率升高，压损也升高，设备的电压偏移加大，从而降低供电系统的电能质量。此外，当功率因素降低、无功功率增大时，供电系统的有功功率降低，限制了供电系统的供电能力，从而使系统出现波动现象，损耗各种电气设备，降低供电效率，甚至危害系统设备等。
（3）当供电系统中的非线性负荷、非线性元件或磁性设备材料的电压或者电流出现畸变时，就会产生谐波，对供电系统造成严重的损耗，降低电能质量。在实际的情况中，发电机、变压器、输电线路等都会产生大量的谐波，谐波会对供电系统造成电力污染，改变供电系统的各项指标，而且还会增加系统的功率损耗。

2 电能无功功率补偿相关内容概述

2.1 电能无功功率补偿的概念

在供电系统中，电力设备一方面会消耗有功功率，另一方面还会消耗无功功率，即设备的电磁元件在建立磁场时消耗的电能。电容器在供电过程中，会吸收一定的电能来建立电场，这种功耗也属于无功功率的范围。电气元件结构性质的不同决定了电流超前还是滞后，当电流对电容元件作功时电流滞后，而当电流对电感元件作功时电流超前，且电容电流与电感电流的方向正好相反。在相同的电路系统中，如果既有电容又有电感元件，那么电路中的无功功率就会相互抵消。所以，可以利用这种抵消特性，让电路的同步补偿器中发出负无功功率，或者可以设计合理的电容电感比例，使整个电路中的无功功率和无功功率产生的电流相互抵消，实现无功补偿，进一步提升供电系统的电能质量。

2.2 电能无功功率补偿的作用

电能的无功功率补偿有降低供电系统电能损耗、降低电压损失和减小输电电流的功能，且保证供电系统的电能源稳定一致。尽可能的降低电能传输中的无功功率，同时增加电网中的有功功率，补偿无功功率，提高电能功率因数。此外，补偿无功功率还可以降低发电成本、节约供电系统的容量。当电能功率因素提高后，电网中的有功功率比例会增加，线损会降低，从而提高供电系统的电能质量。因此，在供电系统中，对无功功率进行补偿，不仅可以提升电能质量，还能提升经济效益。

2.3 电能无功功率补偿应遵循的原则

2.3.1 提高自然功率因数

在发电过程中，当电动机的负载率达到75%时，功率因数最高。除此之外，控制电机的空载运行、同步化异步机的运行、选择变压器的最佳负载率以及降低电机的轻载运行都可以提高自然功率因数。尽管以上方法都可以提升功率因数，但是仍然达不到我们要求的标准，只有进行补偿无功功率，才能提高自然功率因数，从而在真正意义上提高供电系统的质量性能。

2.3.2 无功功率补偿

充分发挥电力设备的功能和特性，使同步机发出无功功率来进行补偿，提高功率因数。根据情况的需要，利用电容补偿器进行集中、分散或者独立的无功功率补偿，达到预期的功率因数。

2.4 电能无功功率补偿的主要方式

电能无功功率补偿的方式大致三类，第一类为集中补偿，分为低压集中补偿和高压集中补偿两种，集中补偿具有成本低廉、养护简易、补偿集中且利用率高等优点，但是补偿效果不佳；第二类和第三类分别为分散补偿和个别补偿，主要针对电气设备进行补偿，而且它们的补偿效果都非常好，利用率高，但是成本高、养护费用贵。鉴于各种补偿方式的优缺点，通常情况下，我们会结合多种补偿方式共同安装，既降低了安装成本，方便了运行、维修和养护等，而且补偿效果也得到了提升，对电力资源进行合理分配和利用。

3 供电系统电能质量无功补偿方式的选择

目前，谐波的处理越来越受到人们的关注，因为谐波的入侵会严重影响供电系统电能的质量。对谐波进行合理的处理，可以大大提升电能质量，处理谐波的方式主要有两种，有源滤波技术和无源滤波技术。无源滤波技术的主要功能为限制谐波的次数，运用电容、电感调谐原理，将谐波陷落到无源滤波装置中，降低谐波对电气设备的损害。无源滤波装置具有制造成本低廉、安装简单等优点。有源滤波技术具有有效提高电能质量、消除谐波的功能，功能远远强于无源滤波技术。有源滤波技术具有动态补偿功能，可以对各种无功功率进行补偿，包括频率、大小一直变化的无功功率，而且补偿的响应速度特别快。有源滤波装置中配备有高抗阻电流源，它不会对系统阻抗造成影响，当供电系统的结构发生变化时，高抗阻电流源的变化不大，也不会与系统阻抗发生谐振，并且还有抑制串并联谐

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振的功能。有源滤波装置在补偿谐波时对储能元件的要求不高，在补偿无功功率时甚至不需要储能元件。使用相同设备可以同时对非整倍次谐波电流和多次谐波电流进行补偿，结合集中补偿和单独补偿等多种方式对电能进行无功补偿。当供电系统中谐波电流增大时，安装在供电系统中的有源滤波装置会发挥出它的功能，它不仅不会因为电流的改变而发生过载现象，还可以在正常状态下进行工作，产生高次谐波电流进行补偿，且不需要断开系统，避免基波无功功率的输出，降低滤波器的总容量，防止轻负荷时无功倒送的发生。无功补偿的意义在于提升供电系统的容量利用率、调整功率因数对系统的电压幅值进行控制、减小系统产生的损耗，使整个供电系统的电压处在一个平稳的状态，并有效的抑制谐波电流，保护供电系统的安全。
对于无功补偿技术而言，其发展过程共经历了三代，一是机械投切式的无源无功补偿装置，其属于慢速式的无功补偿装置，二是晶闸管投切式的静止无功补偿装置，其属快速无源动态补偿装置，三是以电压源换流器为基础的静止同步补偿器，其属于快速有源动态补偿装置。由于静止无功补偿装置所使用电力电子器件均为可控硅，因此，该系统响应的时间比静止同步补偿装置更长，不仅响应速度较慢，而且投入时会有大量谐波产生。而静止同步补偿装置所采用的是IGBT，因此能够迅速响应并无谐波产生，因而是无功补偿装置的未来发展方向。

4 无功补偿对供电系统电能质量的改善分析

通过无功补偿后，供电系统的电能质量会得到有效的改善，不仅改善了谐波电压，还有效消弱了谐波电流，同时，对于高次谐波也具有一定程度的削弱作用。根据电量统计情况来看，对于负荷基本处于稳定的条件下，供电系统中的无功电量得到了显著程度的降低，这表明，对供电系统进行无功补偿还起到节能的效果。
5 结语
在供电系统中，使用无功功率补偿等装置对供电系统电能质量进行无功补偿，降低系统的电能损耗、节约供电的运营成本、延长电气设备的寿命、减少谐波对系统造成的危害，使供电系统在良好的状态下运行，保证电力系统的安全。
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