我国中压动态无功补偿装置的发展及展望*

方欢欢,舒欣梅,陈 彬

（西华大学 电气学院，四川 成都 610039）

国家能源局发布的2011年7月全社会用电量统计数据显示，中国全社会用电量为4 349亿千瓦时，同比增长11.8%，与此同时部分省市依然面临几十万乃至几百万千瓦的电力缺口。伴随着供电量的增加，电网建设的速度明显滞后，网络损耗的问题日益突出。我国中压配电网基本以10 kV为主,而10 kV配电网的网络损耗最大，改造的潜力也最大。无功补偿装置能有效地达到平衡电网中的无功、提高系统功率因数和系统中无功储备、防止电压崩溃、保障电力系统电能质量、降低网络损耗，是电网能够安全运行不可缺少的部分，也是提高中压输配电网络经济性和保障可靠运行的一种经济实用的技术手段。动态补偿技术是解决电压跌落问题的最终途径。

1 无功补偿装置的概述

无功补偿装置从原理上说是电网中呈容性或感性的元件，它是由电容器组及其配套设备（投切元件、检查及保护元件）连接而成的一个整体，对系统进行无功功率补偿、电压控制的装置。

早期无功补偿装置FC补偿容量固定，而且可能与系统发生谐振，目前在无功补偿项目中已不再使用。随着柔性输变电元件的广泛应用和智能电网的兴起，SVC和SVG得到越来越多的关注[1]。上世纪70年代起以晶闸管投切电容型（TSC型SVC）及晶闸管投切电容器-晶闸管控制电抗器型（TSC-TCR型SVC）[2-3]为主要形式的静止无功补偿器SVC(Static Var Compensator)在工业领域和电网领域中得到广泛应用。这类无功补偿装置采用晶闸管串联控制技术，损耗小、速度快、控制灵活。TSC型SVC只能提供容性电流，不能连续调节无功功率，无谐波产生且损耗较小，但它不能对冲击性负荷引起的电压闪变进行很好的抑制。TCR+FC型SVC运行可靠、价格便宜，但由于TCR在工作中产生的感性无功电流会被固定电容中的容性无功电流平衡,会造成器件和容量的浪费。TCR+TSC型SVC存在的问题是晶闸管单管耐压较低,且其控制方法复杂，价格昂贵。20世纪80年代出现了一种更为先进的静止无功补偿装置,即静止无功发生器SVG(Static Var Generator)。SVG分为电压型和电流型桥式电路两种。SVG产生谐波少,无功调节能力强,占地面积小，但是控制比较复杂，而且成本比较高，技术不完全成熟，目前仍处于研究试用中。各种无功补偿装置性能对比如表1所示。

2 国内外中高压无功补偿装置应用现状

国外生产研制 SVC的公司有 ABB、SIEMENS、AREVA等。而国内公司主要有鞍山荣信、南瑞继保、西电科技等。首先从国际范围来讲，目前在国外SVC技术已经相当成熟并取得广泛的工程应用，SVG装置作为一种比SVC在动态补偿上表现更良好的先进补偿装置已经开始实现产业化并应用于工程领域，ABB生产的PCS 6000STATCOM适合安装在风电场中，使风电符合电网连接的规范，或为公用电网提供快速动态无功功率补偿器,已在英国东南部的小切恩（Little Cheyne Court）风电场投运成功。SVG由于价格比较高，还不能完全取代SVC在动态补偿领域的作用[4]。

国内2004年鞍山红一变100 Mvar SVC示范工程开始了国产SVC装置在电网中的应用。荣信电力（RXPE）生产的SVC通过德国TUV、欧盟CE以及瑞士SGS ISO9001等国际认证，采用国际标准生产，并且SVC装机数量超过750套，位居世界第一。荣信电力（RXPE）生产的SVG综合了ABB和Mitsubishi的优点，功率单元采用二极管嵌位的三电平变流器，然后通过升压变压器并联于电网上。当前国内电压等级最高、容量最大的静止无功补偿系统为龙泉桃乡500 kV变电站SVC系统——拥有两套额定输出容量为2×180 Mvar，电压等级为 66 kV的静止无功补偿装置。

3 我国中压无功补偿装置的现状

电网无功功率调节是靠无功装置来实现的，因此无功补偿装置运行是否可靠，技术条件能否满足电网的要求是值得分析和讨论的。事实上，SVC比SVG在电网的输配电系统中应用更广,比例大概为6.7:1[5]。所以SVC仍是目前中压无功补偿装置的主导产品。

当前中压无功补偿装置主要存在以下问题：(1)功能简单、联网能力薄弱、抗干扰能力差、控制精度低；(2)从投切电容和调节变压器的判据来讲，利用在线测量的功率因数与整定的功率因数比较的原理来确定，在这种情况下投切电容器难免会引起电流、电压的波动，既影响供电质量，又降低设备寿命；(3)目前的大多数中压无功补偿装置仍采用普通开关来进行投切，易引起很大的涌流及操作过电压，同时开关在大的电流下触头也容易发生烧损。

就目前情况而言，SVC技术虽然已经发展比较成熟，但仍具有一定的发展空间。目前很多厂家对中压无功补偿装置做了改进和提高，现从电力电容器、控制方式、投切元件三方面对装置进行分析。

3.1 电力电容器

通常无功补偿装置质量的优劣取决于补偿用的电容器。我国电力电容器制造业发展始于20世纪50年代，电容器作为一种重要的无功电源，在电力系统的电压调节和功率因数调节方面发挥着重要作用。它是电力系统并联无功补偿、串联补偿、谐波滤波装置的核心器件。高压自愈式电容器由于具有安全防爆和环境保护的作用，目前被广泛使用。表2所示为我国目前电力电容的主流产品。

3.2 控制方案

无功补偿控制器是无功补偿装置的核心部分，从过去单一的控制电容器投切，发展到根据用户的负荷状况和电网的运行参数，进行并联电容器的自动投切控制，以达到合理补偿及减少电能损耗的目的。

3.2.1 控制器内的主控芯片

20世纪80年代出现了以8051单片机为核心的无功补偿装置，适用于一般用电负荷，功能实用，性价比高，但很难满足复杂控制算法的要求。DSP芯片的产生实现了实时采集的目的，它适用于冲击性负荷，反应速度快，适用于多种场所，但其接口太少不易扩展。近年来出现了专用电能计量芯片与微控制器的组合，适用于要求较高的场所，反应速度快，降低了软硬件设计的复杂度，还提高了系统采样和计算的精度。而当前采用双CPU的控制系统逐渐成为趋势，一个CPU负责各回路电压电流的采集，另一个CPU负责人机交互、远程通信与实时控制，两者并行显著提高系统的处理能力，同时能最大限度地避免涌流的出现。

表2 我国目前电力电容的主流产品

3.2.2 IEC61850在控制器中的应用

IEC61850是关于变电站自动化系统结构和数据通信的国际标准，目的是使变电站内不同厂家的智能电子设备之间通过一种标准实现互操作和信息共享，实现变电站无缝通信。IEC61850协议的制定，极大地推动了数字化变电站的建设。通过对中压无功补偿装置建立面向对象的信息模型，使之具备良好的互操作性，以减少重复投资和降低维护成本，有效解决目前中压无功补偿装置联网薄弱的问题。

3.3 投切元件（永磁真空开关）

目前市场上中压无功补偿装置的投切器件大部分采用晶闸管和复合开关两种，其投切的平稳度和使用寿命、能耗难以兼顾。因此,提高无功补偿设备运行的可靠性、寿命和降低能耗最关键的问题是选用合适的投切器件。

晶闸管容易受涌流的冲击而损坏，此类装置结构复杂、价格高、可靠性差、损耗大，除了在负荷频繁变化的场合使用，其他场合几乎没有使用价值。复合开关是晶闸管与机械开关的组合，因此不适用于频繁投切，同时复合开关结构复杂，价格较高。而基于永磁机构的真空同步开关克服了传统开关无法实现精确控制的缺陷，具有高可靠性、长寿命、免维护等优点，在中压领域得到越来越广泛的应用。几种投切开关性能比较如表3所示。

SVC因其成本较低，且承受的功率较SVG高，智能型SVC能解决传统无功补偿装置产生的涌流、过电压、干扰等问题，能节约30%～40%的成本和维护费用，且使用寿命延长3～5倍。应用有源滤波器进行谐波抑制、应用柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿、同时遵循IEC61850协议适用于数字化变电站。因此，应用新技术的智能型SVC将成为这一领域的发展趋势，在我国电力系统中具有很高的推广应用价值。

[1]MITHULANANTHAN N,CANIZARES C A,REEVE J,et al.Comparison of PSS,SVC,and STATCOM controllers fordamping power system oscillations”,IEEE Trans.Power System,2003,18(2):786-792.

表3 几种投切开关性能比较

[2]董云龙,吴杰，王念春，等.无功补偿技术综述[J].节能，2003(9):13-15,19-20.

[3]张刘春,韩如成,张守玉.无功补偿装置的现状和发展趋势[J].太原重型机械学院学报,2004,25(1):30-33,39.

[4]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

[5]周建丰,顾亚琴.无功补偿装置的发展及性能比较分析[J].四川电力技术,2007(4)：59-62.

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