无功补偿技术和无功补偿设备分析

鲁伟静，丁光彬，王鹏飞

（河北工程大学，河北 邯郸056021）

近年来随着经济的飞速发展，我国人民生活和企业发展等对电力的需求也越来越大，对电能质量的标准要求也越来越高。经济运行中的电力紧张状况已经成为发展的突出矛盾，在全国已经达到了3000万千瓦以上的电力缺口，同时形成的主干网架也存在问题，例如电网运行不稳定，各个地区之间联络容量不充足，主干网架薄弱等等。以上种种原因制约了电力的输送能力，同时也使电网运行的灵活性与可靠性降低。

现今，不论是水力发电、火力发电，还是核能发电，都是以牺牲环境和资源为代价的。水电站的运行破坏了江海河流的生态情况；火电站燃烧煤产生大量的二氧化碳和二氧化硫及粉尘，严重污染了空气质量，危害了附近生物和人类的身体健康。严重时导致酸雨和全球范围内温室效应的形成；核电站的废料破坏了周边环境，甚至人类的居住环境，核辐射对人类生态环境还有更多影响。我们应当从自我做起节约用电，尽可能减少浪费，增加电能的利用率，减少电能损耗。

在经济发展和环境保护双赢的前提下，我国政府和企业共同制定了新的电力发展目标，分别是提高电能的供应量，提高电能的传送能力，稳定供电的电压，节约电能，降低损耗，减少电力成本。

发电系统、输电系统、配电系统和用电系统为电力系统的4大部分，由于电能不能大量储存，所以必须同时进行发电、输电、配电和用电，也就是说电力系统必须保持一定的平衡。但是由于来自电能线路、电力变压器和用电设备无功功率的大量存在，致使电力系统的功率因数降低。在配电系统中，大量的异步电动机和变压器等设备消耗了大量的无功功率，对配电网的平稳安全运行产生了诸多影响：①线路中的供电电流增大，使线路和用电设备的损耗增加，甚至会威胁到设备的安全稳定运行；②配电系统中的视在功率增大，使发电机和变压器等用电设备的容量增加，导致电力用户的各种控制设备和检测仪表的规格相应增大；③致使供电电压降低。

所以，保持电力系统运行的平衡，有效解决配电系统中功率因数不断降低的有效方法就是对电力网络进行无功补偿，充分利用电网中的电气设备，提高功率因数。

1 无功补偿技术研究的意义和作用

电力系统中的电气设备都存在电容和电感。无功功率的概念是指维持电源和电气设备的电容和电感之间进行的电磁能量交换必须的功率。由此可知，只要电力系统已经形成，无功能量是不可避免的。同有功电源一样，无功电压是保证电力系统正常运行、电能质量提高及降低电力网损耗必不可少的部分。在电力网中，无功功率要保持平衡，否则将会使系统的电压下降，甚至会造成电气设备的损坏，系统解列。

无功补偿的主要作用：①提高电力系统运行的稳定性，抑制系统中电压波动和变化，使系统的不平衡现象得到改善；②可以增加电力网中的有功功率比例；③减少发电设备和供电设备的设计容量，减少电力投资成本；④降低线路损耗，减少电力网的设计，减少投资。

2 无功补偿的原理

在电力网中除了要负担用电负荷的有功功率P，也要负担负荷的无功功率Q和视在功率S三者之间存在以下关系：

补偿无功功率的电路图和向量图见图1。

图1 补偿无功功率的电路和向量图

在工业和生活用电负载中，阻感负载占了很大比例：异步电动机、变压器等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器消耗的无功功率在电力网提供的无功功率中占有很高的比重。电力网中的电抗器和架空线等也需要消耗一些无功功率，而且，各种谐波源也要消耗一定的无功功率。阻感负载也可以看做电阻R与电感L串联的电路，其功率因数为：

3 无功补偿装置的发展历程

早期的无功补偿装置是调相机，而后并联电容器、并联电抗器、各种类型的SVC和新型静止无功发生器开始广泛采用。

3.1 同步调相机

作为电网中最早使用的无功补偿装置，又称同步补偿器，属于有源补偿器。调相机和同步发电机具有相同的工作原理，不产生有功功率只输送无功电流。它在实质上是一个被拖动到某一转速下并与电力系统同步且空载运行的电动机。

调相机的工作状态是通过调节激磁电流的大小来实现无功功率的调节。当激磁电流增大时，输出的容性无功电流也增大。当激磁电流减小时，输出的容性无功电流也随之减小。所以，当激磁电流减小到接近零时，输出无功电流也为零，继而只有很少的无功电流用于弥补调相机的损耗。如果激磁电流继续减少，则会输出感性无功电流。当系统的电压偏低时，过励磁供给的无功功率将调高系统电压，当系统的电压偏高时，则欠励磁会吸收系统多余的无功功率进而将电压调低。

同步调相机可以对电力系统进行动态补偿，但是属于旋转设备，运行时的损耗和噪声比较大，维护也比较复杂，运营成本高，响应的速度相对较慢，不适合快速变化的非线性负载要求。

3.2 并联电容器补偿

作为目前应用最广的一种无功补偿方式，并联补偿的电压等级和补偿容量可以通过串、并联来实现，在理论上可以达到任何电压等级和补偿容量。由于没有旋转部件，因此无噪声影响。同时随着无功补偿电容器技术的发展，高电压等级的电容器损耗率已经降至0.05%以下，同时自愈式电容器自身的自愈能力使其可靠性大大提高。

由于电容器的阻抗和频率是成反比的，因此对于系统中的高次谐波呈低阻抗，同时由于谐波过量流入会引起电容器的过载运行，减少电容器的使用寿命。

并联电容器的优点是损耗小，投资少，可以自动投切，维护简单，可以选择容量大小，却不能连续调节，由电容器的补偿容量和电压的关系式：QC＝w·CU2可得，当电压下降时则无功输出减小，故调压效果下降。而且对电力系统中的高次谐波有放大作用，当谐波电流增大时，可能引起内部过热，甚至引起爆炸。

3.3 并联电抗器

并联电抗器主要用在33kV和330kV以上的超高压系统线路上，主要作用是：吸收容性电流，补偿容性无功，使电力系统达到无功平衡，削弱了电容效应，限制工频电压升高及操作过电压。容量固定的并联电抗器的缺点是，当线路传输功率接近于自然功率时，会使线路电压降低，而且造成附加有功损耗，如果将其撤掉，则线路在某些情况下可能失去补偿而产生不允许的过电压。

3.4 静止无功补偿器

在20世纪70年代出现了静止无功补偿技术，静止无功补偿器（SVC）是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电容器和电抗器的容量，提供可以变动的容性和感性的无功，来进行无功补偿的装置。

目前市场上主要的静态补偿产品有晶闸管投切电容器（TSC），晶闸管控制电抗器（TCR），固定电容和晶闸管控制电抗器（FC+TCR）及混合型（TCR＋TSC）。

3.4.1 TSC无功补偿装置

TSC无功补偿装置是断续可调的可发出无功功率的动态补偿装置。它由一对相反极性的并联晶闸管与电容器及电抗器串联而成。其电路原理及工作特性见图2。

图2 TSC无功补偿装置电路原理及工作特性

TSC的关键技术是如何选择电容器的投切时刻，电容器组的最好投切时间应是晶闸管两端电压为零的时刻，既电容器两端电压等于电源电压时。TSC一般情况采取过零投切，采用过零投切时电路中的冲击电流是零，为了使投切效果好，则必须对电容事先充电。

TSC的优点是电容器只有投入和切除两个状态，所以不易产生谐波，但无功功率的补偿量是跳跃的，大小等于单个电容器组的容量，且响应的速度较差。在负荷产生谐波电流大的场合，TSC的运行是不可靠的，由于谐波的注入使得并联电容器出现过流、过压及过热情况，从而导致电容器击穿等事件。

3.4.2 TCR无功补偿装置

TCR无功补偿装置是由一对相反极性的并联晶闸管和一个电抗器串联组成。其电路原理图和电流波形图见图3。

图3 TCR无功补偿装置电路原理和电流波形

TCR无功补偿装置相当于交流调压器电路中接电感性负载，在此电路中的有效移相范围为90°～180°。当触发角为90°时，晶闸管全部导通，同时导通角为180°，此时的电抗器吸收无功电流达到最大值。根据触发角与补偿器导纳之间的关系得：增加触发角可以增加补偿器的等效导纳，这样就可以减少补偿电流的基波分量。所以可以调整触发角的大小来改变补偿器所吸收的无功分量，从而调整无功功率。

TCR的响应时间小于半个周期，可以连续吸收无功功率，但其电流中存在谐波，有功功率损耗，补偿器的体积较大，成本也较高。并且单独的TCR不能发出无功功率，所以可以将并联电容器与TCR配合构成无功补偿器。

3.4.3 FC＋TCR型补偿器

FC＋TCR型补偿器由不可控电容器与TCR并联而成，原理图见图4。

FC＋TCR型补偿器的电容器的容量是负载所需要的无功总量，电感为可变电感。可以通过控制调节双向晶闸管的导通角，即可向系统输送容性或感性的无功功率。当导通角为零时，晶闸管全部导通，电感支路变为一个纯电感，消耗最大无功功率值，补偿器向系统输出了最小的无功功率值。增大导通角，则电感支路中的电流减小，电感吸收的无功功率随之减小，补偿器输出的无功功率增加。当导通角为90°时，电感支路则相当于断开，吸收无功，为零时补偿器输出最大无功功率。FC＋TCR型补偿器的响应时间小于半个周期，灵活性比较大，而且可以连续调节无功功率的输出，但输出电流中含有较多的高次谐波，而且电抗器的体积较大，成本较高。

图4 FC+TCR型补偿器原理

3.4.4 TCR＋TSC混合型

TCR＋TSC无功补偿装置是使用几组电容器和一组晶闸管相控电抗组成的，见图5。

图5 TCR＋TSC混合型原理

基本运行原理是：如果系统的电压低于设定的运行电压时，则根据需要补偿的容性无功量来投入适当的电容器组数，并略有过补偿，此时用晶闸管相控电抗器的感性无功功率来抵消这部分的过补偿容性无功功率，而当系统电压高于设定的运行电压时，则要切除所有的电容器组，TCR＋TSC无功补偿装置此时只有TCR工作。

3.4.5 静止无功发生器

静止无功发生器也称为静止同步补偿器（SVG），是在20世纪80年代出现的静止无功补偿装置。它由直流电容、电压型变流器和与系统连接的变压器构成，原理图见图6。

图6 静止无功发生器原理

SVG中6个可关断晶闸管分别与6个二极管反向并联，控制其晶闸管通断，可把电容器上的直流电压转变为与电力系统电压同步的三相交流电压，装置的交流侧通过电抗器或变压器并联接入系统中。与SVC相比，SVG的响应速度更快，运行的范围更宽，谐波的电流含量也更小，尤为重要的是，电压较低时，SVG可向系统注入较大的无功电流。在稳态情况下，SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间不断流动，因此它的直流储能元件（电容器）只需要较小的容量电容即可。

综上所述，我们可以得出各个无功补偿方法的优缺点，同步调相机（SC）响应速度较慢，连续吸收无功功率，控制简单，没有谐波电流，分相调节有限，损耗和噪声比较大。晶闸管控制电抗器（TCR或FC＋TCR）响应的速度较快，也能够连续吸收无功功率，控制较为简单，谐波电流大，可以进行分相调节，损耗中等，噪声比较小。晶闸管投切电容器（TSC）响应速度比较快，分级吸收无功功率，控制较为简单，没有谐波电流，分相调节有限，损耗和噪声都比较小。混合型（TCR＋TSC）的响应速度较快，能够连续吸收无功，控制较简单，谐波电流大，可以分相调节，损耗和噪声比较小。静止无功发生器（SVG）的响应速度快，连续吸收无功功率，控制复杂，谐波电流小，可以分相调节，损耗和噪声都很小。

随着电力电子技术的不断发展和SVC应用的不断普及，国际上SVC的生产和技术已经基本成熟，特别是光触发晶闸管等新型器件的应用，进一步提高其可靠性。计算机控制系的进一步应用和瞬时无功功率理论的引入，也提高了其控制的精度和响应速度。单个晶闸管器件耐压和功率不断提高，则使SVC向着更为紧凑的方向发展。

4 结语

由不同时期出现的无功补偿装置，同步调相机由于自身不足，正在逐渐被其他无功补偿的方式所取代。从总的无功补偿的容量上看，并联电容器补偿仍是现代电力系统中主要的无功补偿方式。并联电抗器主要用在输电系统中。SVC无功补偿已经形成了比较成熟的技术方案，所以在输配电系统中可以发挥很好的应用。它在提高电网稳定性及改善配电系统的电能质量等方面发挥了重要作用，因此现在的研究重点是研制可靠性高、大容量的SVC。而新型的无功补偿装置（SVG）具有响应速度快，吸收无功连续，产生的高次谐波量小等优点，代表了无功补偿技术的发展方向。所以在大容量无功补偿领域中，SVG性价比有待进一步提高，这样才能拓宽市场前景。

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