前面幾篇文章，我們從無功功率和功率因數(shù)的概念出發(fā)，講到提高功率因數(shù)不僅可以降低線路和變壓器損耗、提高設(shè)備可用容量，還可以防止被懲罰力調(diào)電費(fèi)。 而對于一向被忽視的力調(diào)電費(fèi)，我們也援引幾個案例，說明其不被重視可能導(dǎo)致的危害。 既然需要提高功率因數(shù)，那么就要做好無功補(bǔ)償，今天我們來談下無功補(bǔ)償?shù)膸追N方式。

(來源：微信公眾號“黃師傅說電”)

補(bǔ)償不是消滅

無功的存在不是無用也不是廢物，僅僅是對能量的轉(zhuǎn)化無用，但其對維持電磁場的能量交換至關(guān)重要，可以說沒有無功功率，設(shè)備也就無法正常運(yùn)行。 所以在具體的設(shè)備支路，無功功率是一直存在的，且不能被消除的。 而我們所謂的無功補(bǔ)償是在與該設(shè)備相同電氣連接點(diǎn)處，并聯(lián)接入無功補(bǔ)償設(shè)備，由其向該設(shè)備提供所需的無功。 那么設(shè)備運(yùn)行所需要的無功不再由上一級的電力系統(tǒng)提供。 與分布式光伏發(fā)電自發(fā)自用的電量類似，在本級可以抵消掉就不用上級再提供。 所以無功可以被補(bǔ)償，但不會被消滅。

上圖為一簡化的用戶內(nèi)部供配電系統(tǒng)，若無B支路無功補(bǔ)償設(shè)備不工作，則C支路的用電設(shè)備所需的有功P用和無功Q用都將來自上級系統(tǒng)。 而當(dāng)無功補(bǔ)償設(shè)備工作后，其提供用電設(shè)備所需的全部或者大部分無功，則相應(yīng)主線路供應(yīng)的無功降低。 所以，C支路的無功功率依然存在，并沒有被消滅，只是被臨近的B支路提供，而相對來說，在主線路也就是B、C支路之前更接近于大電網(wǎng)系統(tǒng)的點(diǎn)位看，無功供應(yīng)降低，即視為無功補(bǔ)償。 可見，所謂的無功補(bǔ)償，就是找一個“無功源”，讓其來提供設(shè)備運(yùn)行所需要的無功功率，這個源可以來自電源，也可以來自一些專門的補(bǔ)償設(shè)備。

發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)

發(fā)電機(jī)作為電源，即可發(fā)出有功功率也可以發(fā)出無功功率。 當(dāng)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)同時發(fā)送有功功率和無功功率時，稱之為遲相運(yùn)行，這也是發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的常態(tài)。 向電網(wǎng)輸送有功功率好理解，而其輸送無功的無功功率是為了滿足感性負(fù)載的需要，畢竟在整個電力系統(tǒng)的用電側(cè)，感性負(fù)荷遠(yuǎn)多于容性負(fù)荷。 當(dāng)發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)發(fā)送有功功率但吸收無功功率時，稱之為進(jìn)相運(yùn)行。 而當(dāng)發(fā)電機(jī)組不向電網(wǎng)發(fā)出有功功率，而僅僅是提供無功功率時，稱之為調(diào)相運(yùn)行。 只要發(fā)單機(jī)組有無功功率的發(fā)出或者吸收，則意味著其運(yùn)行在非單位功率因數(shù)，而我們已經(jīng)知道功率因數(shù)與可利用容量有關(guān)。 為了發(fā)出無功或者吸收無功讓發(fā)電機(jī)組騰出一部分容量來輸出無功，勢必會降低自身有功的份額，而發(fā)出的有功電量才被計量為上網(wǎng)電價，獲得發(fā)電收益。 所以一般發(fā)電機(jī)組并不會過多承擔(dān)無功，而是配置調(diào)相機(jī)來完成無功的輸出，這一點(diǎn)和大型光伏電站有些類似，光伏組件和逆變器構(gòu)成了發(fā)電機(jī)，而配置的SVG類似調(diào)相機(jī)的功能，承擔(dān)無功的作用。 無需過多深究上述內(nèi)容，但要知道不論是發(fā)電機(jī)還是調(diào)相機(jī)，其負(fù)責(zé)無功功率都是需要電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，而這也是為何在用戶側(cè)的一些無功補(bǔ)償設(shè)備都以“靜止”這兩個字開頭。

SVC，TCR和TSC

靜止無功補(bǔ)償器SVC(Static Var Compensators)是一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，用于動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率，從而改善電壓穩(wěn)定性和提高電力系統(tǒng)的傳輸效率的裝置。 SVC多利用在用戶側(cè)，而其之所以叫做靜止，對應(yīng)的并不是“動態(tài)”，而是“旋轉(zhuǎn)”。 區(qū)別于前述的發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)都要通過自身的旋轉(zhuǎn)來提供無功，顯然SVC要安靜的多，所以被叫做靜止。 簡單來說，SVC的工作原理基于可控硅(thyristor)的開關(guān)操作來調(diào)節(jié)其連接的電抗器(reactor)或電容器(capacitor)的有效電抗值，從而動態(tài)地提供或吸收無功功率。 而基于此技術(shù)，有兩類主要的SVC設(shè)備，一個是TCR，一個是TSC。 可控硅開關(guān)電抗器(TCR, Thyristor-Controlled Reactor)：TCR通過調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角來改變電流的相位，從而調(diào)節(jié)流過電抗器的電流大小，實(shí)現(xiàn)無功功率的動態(tài)調(diào)整。 TCR主要用于吸收無功功率，幫助提升低電壓或抑制過高電壓，其可在連接的電抗器額定感抗下提供連續(xù)動態(tài)調(diào)整的無功功率。 如果簡單說，TCR適用于那些容性符合較多的用戶，用自身可調(diào)節(jié)的感抗來無補(bǔ)償負(fù)荷的容抗。

TCR結(jié)構(gòu)圖TSC結(jié)構(gòu)圖可控硅開關(guān)電容器(TSC, Thyristor-Switched Capacitor)：與TCR相對應(yīng)，TSC通過可控硅的開關(guān)操作來連接或斷開電容器組，從而在電網(wǎng)中補(bǔ)償或吸收無功功率。 TSC是大部分用電企業(yè)在配電室里的標(biāo)配，其通過晶閘管來控制電容器的投切，但是電容器要么整組投入，要么整組切除，雖然其可以根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷的情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，但每次投入的補(bǔ)償量卻是固定值，受電容器組的容量限制。 所以可以說TSC依然是依靠投切電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償，但是不同容抗的電容器可以配置多組，而且可以按角接(三相全投全切)或者星接(可單相投切)與線路連接。

SVG

為了繼續(xù)優(yōu)化無功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，又出現(xiàn)了新的靜止型無功補(bǔ)償設(shè)備SVG。 靜止無功發(fā)生器(SVG)，與傳統(tǒng)的靜止無功補(bǔ)償器(SVC)相比，提供了更為精確和快速的無功功率調(diào)節(jié)能力，能夠有效地提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。 SVG通過使用全控型半導(dǎo)體器件(如IGBT)來直接控制無功功率的生成或吸收，無需通過改變電抗器或電容器的物理連接狀態(tài)。 SVG可以在極短的時間內(nèi)(通常為毫秒級)對電網(wǎng)的無功需求作出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)從滿負(fù)荷吸收無功到滿負(fù)荷輸出無功的快速切換。 簡單講，TSC只能按固定值進(jìn)行無功補(bǔ)償，而SVG可實(shí)現(xiàn)額定容量下的任意數(shù)值補(bǔ)償。 當(dāng)然，二者也可以結(jié)合自身優(yōu)勢，形成組合補(bǔ)償。用TSC充當(dāng)基礎(chǔ)補(bǔ)償，再用SVG進(jìn)行差額的補(bǔ)充，這樣可以把造價成本降下來，還可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。 當(dāng)年黃師傅在電網(wǎng)的時候做過一個科技項(xiàng)目與之有關(guān)，當(dāng)時系統(tǒng)原理圖如下：

信號采集

用戶側(cè)的補(bǔ)償設(shè)備大致都集中在TCR(提供連續(xù)容性無功)，TSC(提供固定感性無功)，SVG(提供連續(xù)容/感性無功)，而且后兩者尤為常見。 但不論哪種設(shè)備，其運(yùn)行都要通過內(nèi)部的控制器。 在用戶側(cè)，控制器通過對變壓器低壓主進(jìn)線處的電壓和電流信號進(jìn)行采樣，計算出當(dāng)前的無功需量和功率因數(shù)，再根據(jù)內(nèi)置的補(bǔ)償算法來控制晶閘管或者IGBT的通斷，進(jìn)行達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?這個低壓一般是相對的低壓，比如用戶10kV進(jìn)線，那么無功補(bǔ)償就在0.4kV側(cè);如果是更高電壓等級入戶，那么進(jìn)行分級補(bǔ)償，主補(bǔ)償依然在主變壓器的副邊電壓等級，同時各配電變壓器的低壓0.4kV側(cè)依然配置就地補(bǔ)償裝置。 我們不用去深究具體的補(bǔ)償算法，但要清楚的是設(shè)備采集信號的位置，變壓器低壓主進(jìn)線處的電壓和電流信號，如圖：

因?yàn)闊o功補(bǔ)償?shù)哪康木褪且獙⑸弦患壍墓β室驍?shù)維持好，而0.4kV的上一級是10kV，從高壓側(cè)采集信號比較麻煩，而變壓器低壓主進(jìn)線和高壓側(cè)相差僅為變壓器的損耗，所以采集低壓側(cè)比較方便且易于整套柜體的集成。 之所以強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)是因?yàn)楹芏喾植际巾?xiàng)目都在頭疼于造成了用戶計量點(diǎn)功率因數(shù)的降低，進(jìn)而造成了不菲的力調(diào)電費(fèi)。 而很多原有且好用的無功補(bǔ)償設(shè)備因?yàn)楣夥募尤腩D時變得無所適從，像喪失了功能一樣，原因就在于控制器采集的電壓和電流信號處因?yàn)橄到y(tǒng)潮流的變化而產(chǎn)生了一些變化。 接下來的文章，我們就著重談一下這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并對一些當(dāng)下的解決方案提供一些不一樣的視角。

劃重點(diǎn)

無功補(bǔ)償不是消滅無功功率，而是通過同級無功補(bǔ)償設(shè)備的投入來滿足用電設(shè)備的無功需求，最終使得上一級系統(tǒng)提供的無功功率降低，功率因數(shù)提高。

發(fā)電側(cè)的發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)通過旋轉(zhuǎn)的方式提供無功功率，這也是為何用戶側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備被冠以“靜止”的原因。

SVC靜止無功補(bǔ)償器可提供連續(xù)可調(diào)的容性無功或者固定補(bǔ)償?shù)珓討B(tài)可調(diào)整的感性無功。

SVG靜止無功發(fā)生器可提供連續(xù)可調(diào)的容性和感性無功，且與SVC設(shè)備可配合使用。

用戶側(cè)無功補(bǔ)償設(shè)備內(nèi)部控制器采集的電氣信號來自于變壓器副邊低壓側(cè)主進(jìn)線處。