电力系统无功功率补偿技术发展研究

邱军，王楚迪

(1.中国质量认证中心沈阳分中心，辽宁 沈阳 110013;2.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110025)

1 引言

随着电力工业的发展，我国电力装机容量也迅速增长，大大缓解了供电紧张的局面。然而电网建设的速度却明显滞后于供电量的增加，网络损耗问题变得日益突出。降低网损是供电部门减小供电成本的重要突破口，也是增加供电量的重要手段。而无功补偿是降低网损、提高经济效益的重要技术措施。这就需要在电力系统适当的地方装设无功补偿元件，实现无功功率就地的平衡，减少无功功率的传输。无功功率为电力网络及各种电力设备提供励磁，是电机、电气设备建立赖以工作的交变电磁场所必需的。当电力网中某一节点增加无功补偿容量后，则从该节点至电源点所有串接的线路及变压器中的无功潮流都将减少，从而使该节点前面串接元件中的电能损耗减少，达到了降损节电和改善电能质量的目的。

2 无功功率补偿的原则及补偿方式

无功功率补偿应按照全面规划、合理布局、分级补偿、就地平衡的原则，使电网的无功补偿取得最佳的综合效益。一般可分为以下三个原则:降损与调压相结合时，以降损为主、集中补偿和分散补偿相结合时，以分散补偿为主、供电部门与用户补偿相结合时，以就地平衡为主。无功补偿的方式可分为就地补偿、分散补偿和集中补偿。就地补偿又叫随机补偿，即补偿设备直接安装在用电设备的附近，与用电设备的供电回路相并联，常用于低压网络的电动机。其优点减少配电网至用户供电电路的无功负荷，相应减少线路损耗，补偿效果最好。缺点是由于电动机经常开停，补偿设备的利用率很低，因此就地补偿适用于经常投入运行，负荷比较稳定的电动机。分散补偿是指补偿设备如高压电容器分组安装在10kV配电线路的杆架上、低压电容器安装在配电变压器的低压侧母线上或安装在用户或各车间的配电线上。其优点是补偿设备的利用率比就地补偿高。缺点是只能减少高压配电线路和配电变压器的无功负荷，而低压配电线路的无功负荷未能得到补偿，由于安装分散，维护不方便。集中补偿是指补偿设备安装在变电站母线上，如高压电容器组和集中安装在电力用户总配电室低压母线上，如低压电容器组。其优点是易于实现自动投切，利用率高，维护方便，事故少，能减少配电网变压器及线路上的无功负荷和电能损耗。缺点是不能减少用户内部各条配电线路的无功负荷和电能损耗。

3 无功功率补偿的必要性及补偿方案

在电力网中无功功率消耗是很大的，大约有50%的无功功率消耗在输、变、配电设备上，50%消耗在电力用户上。为了减少无功功率消耗，就必须减少无功功率在电网中的流动，对其进行补偿。我国低压电网普遍存在着功率因数低、电压质量差、电能损耗大等问题。随着我国电气化铁路的改造和地铁的建设，出现了电力机车这类冲击性大、不对称、流动性强的大功率动态负荷，对电网的影响很大，易引起电网电压波动和闪变，降低了对其他用户的供电质量。此外，我国钢铁产量已跃居世界第一，国内钢铁企业之间的竞争日趋激烈，因而各钢铁集团都在进行技术改造和节能降耗，电弧炉由于有着良好的经济效益和技术优越性，受到大家的普遍青睐，但电弧炉在熔炼初期电流极不稳定且三相不对称，对整个系统的电气设备和经济安全运行构成了极大的威胁。综上所述，无功功率对电源、电网及工矿企业内部供配电系统都有不良影响。从节约电能、改善变配电设备利用情况和提高电能质量等方面考虑，都必须设法减少负荷无功功率带来的不利影响，安装无功功率补偿设备。

在实际应用中一般有以下三种补偿方案:(1)对于用户来说，可按提高功率因数的原则进行无功补偿，以减少无功功率输入;(2)对于全网来说，可根据增加无功补偿的总容量采用等网损微增率进行无功补偿;(3)对于需要集中补偿来说，可按无功经济当量来选择补偿点和补偿容量。

4 传统的无功功率补偿技术

4.1 发电机和同步调相机

发电机通过励磁调节改变功率因数从而调节发电机发出的无功功率。可以实现无功的连续调节，但调节范围有限，增大补偿能力需要增加发电机的额定容量，这通常是不经济的。当系统无功电源不足，而有功备用容量较充裕时，可利用靠近负荷中心的发电机降低功率因数，使之在低功率因数下运行，从而多发出无功功率以提高电力网的电压水平。

同步调相机是早期无功补偿的典型代表，又称同步补偿器，是一种专门为并联无功补偿而设计的无功功率发电机，相当于空载运行的同步发电机。过励磁运行时向系统发出感性无功，起无功电源的作用，提高系统电压;欠励磁运行时从系统吸收感性无功，起无功负荷作用，降低系统电压。同步调相机的优点是可以双向、连续地调节，有较大的过载能力，且完全可控，能独立地通过调节励磁来调节无功的大小，在系统电压下降时，靠维持或提高本身出力，就可以给系统提供紧急的电压支持。但它也有很多缺点:由于同步调相机是旋转机械，运行维护复杂、控制响应慢、不适应过大或过小的补偿、发生失磁故障时将加重系统的电压波动、投资费用和有功功率损耗较大、运行性能对安装地点敏感，需要坚固的基础等。

4.2 并联电容器、串联电容器、并联电抗器

并联电容器是目前应用最广泛的一种无功补偿方式，可以永久地或用断路器连接至系统的某些节点上，发出无功功率，从而减少无功功率在系统中的流动。为了最有效地减少线损和控制电压，并联电容器一般都靠近负荷安装。有原理简单、投资小、运行经济、维护方便及容量可任意选择的优点，但其也具有不能连续调节、对系统中的谐波有放大作用、补偿量与电压的平方成正比，结果是在最需要无功功率的时候，由于电压的降低而使发出的无功功率减少等缺点。

串联电容器是用来补偿输电线路的感抗，串联于长距离输电线上，用来减小电抗值，缩短线路的电气距离，减少线路消耗的无功功率及提高有功功率输送极限。可以安装在远离负荷的地方，能够改善系统的静态稳定性和暂态稳定性，运行性能与安装地点的关系比较小，但要求过电压保护和次谐振滤波器，过载能力较小。目前在超高压电力系统中，串联电容器已经成为提高输电技术可行性和效率的一种经济措施。

并联电抗器用于补偿线路电容，特别是用于限制空载或轻载时线路末端电压不要过高。对于线路长度超过200km的超高压架空线路，通常需要并联电抗。为了限制线路过电压，必须在线路上长期并联足够的电抗器，同时也可以用来限制开关切断时引起的过电压。此外，对于超高压输电线路，为了使线路轻载时电压为正常值，需要并联电抗器，或者把电抗器接在可调变压器的低压侧。并联电抗器具有运行、操作简单的优点，但其电抗值无法改变，不灵活，不能频繁操作的缺点。

5 现代的无功功率补偿技术

十九世纪六十年代，在可控硅技术发展的基础上，提出了一种新的无功功率补偿技术──静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓的静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力、提高电力系统的功率因数、稳定电压、抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为10～30 s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，造成接触点烧焊，使补偿电容器内部击穿，因此其应用受到了很大的限制。而以电力电子开关如交流无触点开关SCR、GTR、GTO作为投切开关，速度可以提高500倍(约为10μs)，而且对任何系统的参数，无功补偿都可以在一个周波内完成。所以现代的无功补偿技术主要是使用电力电子开关投切电容器或电抗器。

5.1 基于静止无功补偿器(SVC)的无功功率补偿

5.1.1 饱和电抗器(SR)静止无功功率补偿

饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种。具有自饱和电抗器的无功补偿是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。饱和电抗器易于维护，响应速度快，有限制过电压的能力和较大的过载能力，但其灵活性有限，不适宜改变系统状态，且硅钢片需磁化到饱和状态，铁心损耗大，装置还有振动和噪音，而且调节时间长，动态补偿速度慢，由于这些缺点，饱和电抗器一般很少使用，只在超高压输电线路才有使用。

5.1.2 晶闸管控制电抗器(TCR)静止无功功率无偿

晶闸管控制电抗器由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联而成，其单相原理图如图1所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90°～180°。当触发角α=90°时，晶闸管全导通，导通角δ=180°，此时电抗器吸收的无功电流最大，控制器相当于短路。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式:BL=BLmax(δ-sinδ)/π 和 BLmax=1/XL可知。增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。

在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅控制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。

电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补偿产生的谐波。瑞士勃郎·鲍威利公司已经制造出此种补偿器用于高压输电系统的无功补偿。由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+MSC)。这种具有 TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛。我国江门变电站采用的静止无功补偿器是端士BBC公司生产的TCR+FC+MSC(机械投切电容器)型的SVC，其控制范围为±120Mvar。由于固定电容器的TCR+FC型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围时要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿器工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。TSC+MSC型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点，但应尽量避免断路器频繁的投入与切除，减小断路器的工况。

5.1.3 晶闸管投切电容器(TSC)静止无功功率补偿

TSC一般包括若干个可控硅开关控制的并联电容器，电纳值由投入运行的并联电容器的数目来调整，分级变化。其单相原理图如图2所示。两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不论是星形还是三角形连接都采用电容器分组投切。为了对无功电流能尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂性及经济性，一般用K-1个电容值为C的电容和电容值为C/2的电容组2K级的电容组数。TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。

TSC补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节。瑞典某钢厂两台100t电弧炉，装有60 Mvar的TSC后，有效的使130 kV电网的电压保持在1.5%的波动范围。由于TSC对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容量的变化进行调节是不够的，所以TSC装置一般与电感相并联，其典型设备是TSC+TCR补偿器。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作分级粗调，以电感作相控细调，三次谐波不能流入电网，同时又设有5次谐波滤波器，大大减小了谐波。我国平顶山至武汉凤凰山500 kV变电站引进的无功补偿设备就是TSC+TCR型。

5.2 基于自换相变流技术的静无功功率补偿(ASVG)

随着电力电子技术的进一步发展，特别是变流器在无功补偿中的应用，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器－静止无功发生器(ASVG)。它是通过将自换相桥式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上。ASVG根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型两种。图3所示的原理图为电压型补偿器，如果将直流侧的电容器用电抗器代替，交流侧的串联电感用并联电容代替，则为电流型的ASVG。交流侧所接的电感L和电容C的作用分别为阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。无论是电压型，还是电流型的ASVG其动态补偿的机理是相同的。当逆变器脉宽恒定时，调节逆变器输出电压及系统电压之间的夹角δ，就可以调节无功功率及逆变器直流侧电容电压UC，同时调节夹角δ和逆变器脉宽，既可以保持UC恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率。

图3

ASVG通过采用桥式电路的多重化技术，多电平技术或PWM技术进行处理，以消除较低次的谐波，并使较高的谐波限制在一定范围内。由于ASVG不需储能元件来达到与系统交换无功的目的，实际上它使用直流电容来维持稳定的直流电源电压，和SVC使用的交流电容相比，直流电容量相对较小，成本较低。另外，在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，而SVC补偿的无功电流随系统电压的降低而降低。正是由于这些优点，ASVG在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有SVC无法比拟的优点，这也显示出ASVG是今后静止无功补偿技术发展的方向。

由于ASVG优良的特性及良好的应用前景，自1980年日本研制出第一台(20Mvar的强迫自换相的桥式ASVG之后，经过10多年的发展，ASVG的容量不断增大，1991年和1994年日本和美国又相继研制出80Mvar和100Mvar的ASVG，最近，日本有关电力公司以及日立、东芝和三菱电器制造公司又在联合研制用于275kV系统的容量为300Mvar的自励式ASVG装置。我国清华大学与河南省电力局合作研制(20Mvar的ASVG装置也已投入运行。

5.3 其他技术的静无功功率补偿

5.3.1 统一潮流控制器(UPFC)的新型潮流控制装置

UPFC是由并联的ASVG和串联补偿SSSC(静态同步串联补偿器)相结合组成的新型潮流控制器。如图4所示。其幅值和相角皆可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提高输送能力以及阻尼系统振荡。

我国电科院在分析程序和动模实验室中皆建立了，UPFC等控制器的模型，研究结果证明了UPFC良好的效果和功能，尤其是其运行灵活性，具有良好的发展前景。

图4 UPFC电路原理图

5.3.2 电力有源滤波器(APF)

APF的基本原理是由全控型电力电子器件构成的采用PWM控制的逆变器提供与谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，使电网只含有基波电流，同时还可以提供无功电流补偿无功功率。用于克服配电系统中由大量电力电子设备造成的谐波污染，保证配电系统向其他负荷点的供电电能质量，它可以大范围补偿谐波。图5给出了APF和系统的典型连接方式，它的基本工作原理就是想系统注入和负荷等量的谐波电流，从而使系统只需向负荷提供基波正弦电流。1986年由日本专家研制的一套用于三相整流器补偿的15kVA两重型有源滤波器，可以补偿19次以下的谐波，补偿率高达90%。这种可补偿非线性负荷谐波的滤波器比ASVG的谐波补偿效果要好，其中采用可关断元件和PWM技术，在体积、造价和性能方面都有一定的优点。目前，APF在许多国家都得到了极为广泛的应用。目前，国外一些著名的公司如ABB、NOKIAN电容器公司等都有小容量APF供货。

图5 APF的典型接线图

5.3.3 可控移相器(TCPR)

TCPR也是一种潮流控制器，它可以减小事故后的线路过负荷、抑制事故后线路功率增大所造成的暂态过程或电压减低、减轻导致保护连锁动作或失步或异常无功需求的大量穿越潮流。美国西部电力系统WSCC已从8台机械式移相器中选择了一台改造成由晶闸管控制，其调整范围为－35°～+45°。此外，美国还计划在明尼苏达州至加拿大安大略的一条将要建设的115kV短路线上安装一台TCPR以解决电压振荡问题，同时提高线路输送功率极限。

6 结束语

现代工业的发展，一方面许多非线性动态负荷产生了电压闪变和谐波污染，另一方面许多生产的自动化设备对电能质量的要求越来越高。这就要求采取有效的措施来减少系统的谐波污染、电压闪变等电能质量问题，并减小系统异常对用户供电质量的影响。此外，电力工业正逐步走向市场竞争，电力公司为保证在市场竞争上立于不败之地，必将要采取有效的措施来提高供电质量。而静止无功补偿技术在解决上述问题时显示出其优越性。从经济角度考虑，电网中加入无功补偿可以减少线路中的无功流动，从而降低线路的能量损耗和改善电能质量。从技术角度考虑，无功补偿技术未来的发展主要是以电力电子逆变技术为核心，将无功补偿与谐波抑制同时考虑。此外电子有源滤波器日益得到完善，由于电力有源滤波器在滤除谐波的时候与电力系统不发生谐振，因此将电力有源滤波与ASVG相结合，以消除传统的ASVG设备中并联无源滤波器所产生的谐振问题也是无功补偿技术发展的一个方向。

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