无功功率电源功能及应用

在电力系统中，无功电源多于有功电源，除了同步发电机外，还有同步调相机、静止电容器、静止补偿器，这三种装置又称为无功补偿装置；此外还有同步电动机及输电线路等。下面分别介绍各类无功电源的特点与要求。

1.同步发电机

同步发电机是系统唯一的有功功率电源，也是系统最基本的无功功率电源。同步发电机在额定有功功率条件下运行时，所能发出的无功功率为

式中 SGN——发电机的额定视在功率；

PGN——发电机的额定有功功率；

φN——发电机的额定功率因数角。

设隐极发电机连在无限大容量系统的母线上（端电压维持不变），不计电阻，如图5-5所示。

若不变，以其为参考相量，可作出发电机的P-Q极限功率图5-6所示。其中C点为额定运行点。

图5-5　发电机等值电路及相量图

（a）等值电路图；（b）相量图

图5-6中AC的长度可以按一定比例代表额定视在功率SGN，AC∝INXd∝IN∝SGN，因此，APGN的长度可以按一定比例代表额定有功功率PGN。AQGN按一定比例代表额定无功功率QGN。

当改变功率因数cosφ运行时，发电机要受到以下约束条件的限制：

（1）定子温升：与定子额定电流相关，即是正比于发电机额定视在功率SGN。

（2）原动机功率：决定了发电机的有功功率。

（3）转子绕组温升：决定于励磁电流即是空载电势。

因此，发电机发出有功、无功的多少，受到该图的CPGN和AQGN的限制。该图又称为发电机的P-Q运行极限图。从图中可以看出，发电机只有在额定电压、额定电流和额定功率因数下运行时，视在功率才能达到额定值，这样其容量才能最充分利用。发电机能提供的最大无功出力与发电机的额定功率因数有关。一般发电机额定功率因数在0.8～0.9之间。当发电机的有功功率容量有余，而系统无功功率电源容量不足时，可以降低功率因数运行，甚至将发电机用作调相机运行。

2.同步调相机

同步调相机是专门发无功功率的发电机，其工作原理相当于空载运行的同步电动机。它是电力系统中能大量吞吐无功功率的设备。

通过调节调相机的励磁电流大小可以平滑地改变其输出的无功功率的大小和方向。在正常励磁（平励磁）状态下，调相机既不发出无功功率，也不吸收系统的无功功率；如果加大调相机的励磁电流，使之在过励磁状态运行时，调相机向系统提供感性无功功率；如果减小调相机的励磁电流，使之在欠励磁状态运行时，调相机则从系统吸取感性无功功率。

因此，调相机既可作为无功电源，发出无功功率，提高母线电压；又可作为无功负荷，吸收无功功率，降低母线电压，有良好的调节效应。由于同步调相机主要用于发出感性无功功率，它在欠励磁运行时的容量仅设计为过励磁运行时容量的50%～60%。

图5-6　发电机P-Q极限功率图

但同步调相机是旋转机械，运行维护复杂。它的有功损耗大，满载时达额定容量的1.5%～5%，而且容量越小，损耗占的比重越大。故容量小于5Mvar时，不宜用调相机。在我国，同步调相机常安装在枢纽变电所，以便平滑调整无功出力，维持电压恒定，提高系统稳定性。随着电力电子技术的发展和静止无功补偿器（SVC）的推广使用，调相机现已很少使用。

3.静电电容器

静电电容器中通过的电流，为超前端电压90°的容性电流，吸收容性无功功率，相当于发出感性无功功率，因此，静电电容器可作为无功电源，向系统供给无功功率。静电电容器发出的无功功率与所在节点的电压平方成正比，即(www.xing528.com)

式中 U——电容器所在系统节点的电压；

XC——电容器的容抗，

当节点电压下降时，它供给系统的无功功率将会减少。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，而且既可以集中使用，又可以分散装设来就地供应无功功率，以降低电网的电能损耗。电容器的单位投资费用较小且与总容量无关，运行时功率损耗也小，约为额定容量的0.3%～0.5%。此外由于没有旋转部件。维护也方便。

静电电容器与同步调相机各有优缺点，比较见表5-1所列。

表5-1　电力电容器与同步调相机的比较

4.静止补偿器

静止补偿器（简称SVC）是由电力电容器组与可调电抗器组成的可控静止无功补偿装置。其原理是：利用晶闸管电力电子元件所组成的电子开关来分别控制电容器组与电抗器的投切，电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，根据调压需要，通过可调电抗器吸收电容器组中的无功功率，来调节静止补偿器输出的无功功率的大小和方向，既可发出又可以吸收感性无功。依照控制调节方式的不同，静止补偿器可以分为以下几类：

（1）FC-TCR型静止补偿器。其原理接线如图5-7所示。图中C为固定电容器（FC），晶闸管控制的电抗器由线性电抗器Lh和两个反极性并联的双向晶闸管构成；与C串联的电抗器L为高次谐波调谐电感线圈。L与C组成滤波电路，可按需要滤去晶闸管动作所形成的5、7、11、13等高次谐波。调节晶闸管的导通角可以改变流过电抗器的电流及其吸收的无功功率。

（2）TSC-TCR型静止补偿器。其原理接线如图5-8所示，图中与固定电容C并联部分包括由晶闸管控制的电抗器（TCR）以及由晶闸管开关操作的电容器（TSC）。TSC和TCR的组合运行则可以得到平滑可调的无功功率输出，弥补了TSC阶梯式调压的缺陷。

图5-7　TCR型静止补偿器原理图

图5-8　TSC-TCR型静止补偿器原理图

（3）可控饱和电抗器型静止补偿器。其原理接线如图5-9（a）所示。可控饱和电抗器包括两部分绕组，即交流绕组和直流控制绕组。改变直流控制绕组的励磁电流，调节铁芯的饱和程度，就可改变交流绕组的电感值。

（4）自饱和电抗器型静止补偿器。其原理接线如图5-9（b）所示它是由并联电容器组C、自饱和电抗器L等部分组成。实质上是一种大容量的磁饱和稳压器，不需要外加控制调节设备，主要用于稳定电压，其原理接线在此不再详述。

静止补偿器既可以发出无功功率，又可以吸收无功功率；既可以补偿电压偏移，又可以调节电压波动。它在技术、经济特性上的优点主要有：

1）反应快，能迅速跟踪补偿负荷无功功率突然而频繁地变化，特别适用于补偿冲击负荷。

2）装有滤波电路，提高了电能质量。

3）调节电压平滑无极，准确度高。

4）安全经济，维护简便，可实现分相操作及无人值班。

显然，静止补偿器是一种技术先进、使用方便、经济性能良好的动态无功功率补偿装置。静止补偿器能快速平滑的调节无功功率，以满足无功补偿装置的要求。这样就既克服了电容器作为无功补偿装置只能做电源不能作负荷且不能连续调节的缺点。又与同步调相机相比，运行维护简单，功率损耗小，能做到分相补偿以适应不平衡负荷的变化，对冲击负荷也有较强的适应性。因此在电力系统得到越来越广泛的应用，但是造价较高。

图5-9　饱和型静止补偿器原理图

（a）可控饱和电抗器型；（b）自饱和型