📚 课程目录第2章无功补偿基础

2. 无功补偿基础

在交流电力系统中，负载不仅消耗有功功率，还常常需要建立磁场或电场，这部分能量在电源与负载之间往返交换，并不转化为有用功，称为无功功率。理解无功功率、功率因数以及补偿原理，是学习SVG静止无功发生器控制工程的起点。

一、无功功率与功率因数

设正弦电压为 u(t)=U_m sin(ωt)，电流为 i(t)=I_m sin(ωt−φ)，则：

有功功率 P = U I cosφ     单位：W
无功功率 Q = U I sinφ     单位：var
视在功率 S = U I          单位：VA
功率因数 λ = cosφ = P / S

功率因数反映电源容量被有效利用的程度。当 λ 偏低时，同样的有功功率需要更大的电流，导致线路损耗增加、电压跌落加剧、变压器与电缆容量被占用。感性负载（如电机、变压器、镇流器）吸收感性无功，使电流滞后电压；容性负载则发出感性无功，使电流超前电压。

无功功率并非“无用功率”，它是电机建立旋转磁场、变压器建立主磁通所必需的。问题不在于无功本身，而在于无功不应由电网远距离输送，而应在负荷附近就地平衡。

二、无功补偿原理

无功补偿的基本思路是：在负荷侧提供与负荷无功方向相反的无功功率，使电源只需提供有功和少量无功，从而降低系统电流、提高功率因数。对于感性负荷，投入电容器组可提供容性无功，抵消感性无功；对于容性负荷或长距离轻载线路，则可能需要电抗器吸收容性无功。

补偿容量可按目标功率因数计算：

Q_c = P (tanφ1 − tanφ2)

P   ：负荷有功功率（kW）
φ1  ：补偿前功率因数角
φ2  ：补偿后目标功率因数角
Q_c ：所需补偿容量（kvar）

例如某车间有功负荷 P=800 kW，补偿前 cosφ1=0.70，目标 cosφ2=0.95，则 tanφ1≈1.020，tanφ2≈0.329，所需补偿容量约为 800×(1.020−0.329)≈553 kvar。工程中还需考虑谐波、投切方式、电压波动和三相不平衡等因素。

三、常见补偿装置对比

工程中常见的无功补偿装置包括并联电容器、并联电抗器、SVC和SVG。它们的工作机理、调节能力和适用场景差异明显，选型时需综合考虑负荷特性、谐波环境、响应速度和投资成本。

装置	无功方向	调节方式	响应速度	谐波特性	典型场景
并联电容器	发出感性无功	分级投切	慢（秒级）	可能谐振放大	负荷稳定、谐波小
并联电抗器	吸收容性无功	固定/分级	慢	基本无源	长线路、轻载过电压
SVC	双向可调	连续/分级	较快（10~100 ms）	自身产生谐波	电弧炉、轧机、闪变治理
SVG	双向连续可调	PWM连续调节	快（<10 ms）	低谐波、可滤波	新能源、精密制造、动态负荷

四、案例与场景

某汽车焊装车间大量使用中频焊机，负荷冲击性强，功率因数在0.65~0.85之间快速波动，同时存在5次、7次谐波。若仅采用固定电容器组，可能出现投切振荡、谐波放大甚至熔断器频繁动作。更合理的方案是采用SVG或SVC进行动态补偿，并配合滤波支路。SVG通过实时检测负载无功电流，控制变流器输出与负载无功大小相等、方向相反的电流，使系统侧电流接近单位功率因数。

对于谐波严重的场合，电容器组应串联电抗率合适的电抗器，构成滤波或防谐振支路；SVG则需关注其输出滤波器和电流环带宽，避免与电网阻抗发生高频谐振。

五、常见误区与复盘

误区一：功率因数越高越好。过补偿会导致容性无功倒送，引起母线电压升高，甚至造成设备过电压。应按目标功率因数合理设计，避免长期过补偿。
误区二：电容器容量越大补偿效果越好。补偿容量需与负荷无功匹配，过大不仅增加投资，还可能引发谐振和投切冲击。
误区三：SVG可以完全替代无源滤波。SVG虽能动态补偿无功并抑制部分谐波，但在大容量谐波治理中，常需与无源滤波器配合使用。
误区四：只看功率因数，不看电压和无功流向。补偿装置的控制目标应包括功率因数、母线电压和无功方向，避免局部过补偿或欠补偿。

在含谐波的系统中，电容器组与系统电感可能在某次谐波频率附近发生并联谐振，导致谐波电流被放大。设计前应进行谐波潮流与阻抗扫描分析，必要时配置串联电抗器或改用SVG。

综上，无功补偿的核心是就地平衡无功、降低系统电流、提高功率因数并改善电压质量。电容器和电抗器属于无源、分级补偿装置，SVC和SVG属于动态补偿装置，其中SVG凭借双向连续调节、快速响应和低谐波特性，在新能源、轧机、焊机等动态负荷场景中具有明显优势。掌握这些基础概念和装置差异，是后续学习SVG主电路、控制策略和工程调试的前提。