无功补偿装置在电力系统中的应用综述

李勇，程汉湘，方伟明，钟榜

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)



无功补偿装置在电力系统中的应用综述

李勇，程汉湘，方伟明，钟榜

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)

摘要：基于无功补偿装置在电力系统中的无功功率补偿及负荷功率因数的提高等功能，介绍了补偿装置的分类，包括机械旋转类无功补偿装置、静止类无功补偿装置以及复合类无功补偿装置；论述了这几种装置控制器的结构原理及应用，并总结了补偿装置在电力系统应用中的优越性以及无功补偿的最新进展。

关键词：补偿装置；无功功率；电力系统；功率因数；控制器

无功功率的存在是众多电气设备正常工作的需要，也是必备要求，它反映了负载特性，其分布和大小变化也会影响电压稳定。此外，负载所需无功功率的大小会由电气设备的运行条件、环境参数、网络结构、材质特性、负载大小等因素所决定。由于电网络实际上是给许多电气设备提供电能的通道，而电气设备的特性又各不相同，其中无功功率大小是波动的，且随机性很强。无功功率的存在挤占了电网络给负载提供有功功率的资源，应科学合理地进行适当补偿。如果无功功率均由发电机提供再经过长距离传送，这是不可能的，合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率[1]。

长期的实践证明，通过一定方式可增强线路的稳态传输功率，线路电压也可以通过适当的无功补偿器得到控制。无功补偿装置的目的就是改变输电线路的自然电气特性，使之能够满足负荷要求[2]。

1无功补偿原理

无功补偿的本质实际上是利用一种无功补偿器所发出的无功来抵消负载或潮流的无功部分，以减轻输电线路的负担。这种无功补偿器可以给电网提供所需的无功功率，也可以根据电网需求从电网吸收无功功率。理论上“无功电源”本身是不产生也不消耗任何有功功率的，因此，它不需要原动机，只需在适当时刻能提供或吸收所需大小的无功功率即可完成无功补偿的任务。无功补偿的实现原理只有两种机理：一种是电流补偿型，它是以线路电压作为参考矢量，即通过节点注入无功电流的方式，不仅使合成补偿电流的幅值减少，还使合成电流在垂直于线路电压方向上的电流分量得到有效降低；另一种是电压补偿型，它是以线路电流作为参考矢量，实现原理是在线路中串联一种无损元件，使该器件上的电压能够抵消线路电压在垂直于线路电流方向上的无功分量，因而合成电压的无功分量同样能得到有效降低。

无功功率补偿对电力系统有着重要意义，对电网的无功进行适当补偿，不仅能提高电网电压的稳定性，还能提高系统的功率因数和设备利用率、减小传输线线损、增加输电系统的输电能力、平衡三相功率，并为电力系统提供电压支撑，保证电力系统运行的安全性和可靠性。

无功补偿有很多种方法，按能源供给的角度可分为无源补偿和有源补偿[3]；按补偿方式分可以分为并联补偿、串联补偿和串并联混合补偿[4]；按补偿装置的应用及补偿状态可以分为机械旋转类无功补偿、静止类无功补偿、复合类无功补偿，这种分类较为全面，本文介绍这种分类。

2电力系统无功补偿装置分类及选择

2.1机械旋转类无功补偿装置

这类无功补偿设备属于最传统的无功补偿装置，它们的显著特点都是通过转子绕组的励磁电流调节来改变无功功率的输出或吸收，在电力系统的发展初期都曾发挥了极其重要的作用，即使在今天也对电力系统的无功调节、静态电压稳定起着积极的作用。

2.1.1同步调相机

同步调相机可以看成是一种不带任何负载的同步电动机，其补偿特点是既能过励磁运行，发出感性无功功率使电压升高，也能欠励磁运行吸收感性无功功率使电压降低[5]。早期对功率因数补偿要求较高的场合，通常采用这种方式，有时，这种电机也称之为同步补偿机。

由于同步调相机相当于空载运行的同步电动机，也即是一种基于旋转电机的补偿设备，它还有一定的电机旋转损耗，但它可以通过增加励磁向电网发出无功。在过励磁运行时，它向系统提供感性无功功率，因而也称之为无功电源，此时，同步调相机的功能如同电容器；在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功，其功能相当于一个电感。由于在大多数情况下电网需要通过同步调相机来提供感性无功，所以它主要在过励磁状态下运行，即在电磁功率接近零的方式下运行。

由于实际运行的需要和对稳定性的要求，欠励磁运行方式的最大容量只有过励磁容量的50%～60%，装有自动励磁调节装置的同步调相机能根据装设地点的电压等级要求平滑改变输出(或吸收)的无功功率，以实现电压调节。特别是有强行励磁装置时，在系统故障情况下，它还能及时调节系统电压，有利于提高系统的稳定性。但是同步调相机是旋转机械，其运行维护比较复杂，它会产生一定的有功功率损耗，在满负荷运行时为额定容量的1.5%～5%，容量越小，损耗所占百分比越高。此外，小容量调相机的单位容量投资费用也较高，故同步调相机的容量一般都较大。同步调相机的响应速度较慢，难以适应高动态无功控制的要求。

2.1.2同步发电机

同步发电机是最早使用的无功补偿设备之一，在现代大电网的运行环境下，同步发电机已不能称为专门的无功补偿设备了，它只是在保证自身正常运行的前提下为系统提供适当的无功功率，其原理也是通过调节发电机的励磁电流来实现。励磁调节不仅能改变发电机输出电压的幅值，还能改变输出无功的大小。一般来讲，通过发电机来调节无功的大小会受制于端电压幅值变化的限制。由于发电机的体积小、容量大、绝缘距离短，其端电压的幅值超过所允许的额定值较多，或幅值变化过于激烈，都有可能造成绕组的匝间短路或绕组对地绝缘的损害，甚至严重降低发电机整体的绝缘水平和使用寿命。

从另一个角度看，即使发电机能有效地提供无功补偿，但由于发电机所处位置可能远离需补偿的用户终端，由于线路损耗的原因，实际到达用户的无功功率也不会太多。即便是在现代环网比较发达的地域，个别发电机(发电厂)的无功补偿作用也只能看成是对全网无功补偿的一点补充。

2.1.3同步电动机

同步电动机属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同，它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。

与同步调相机相似，同步电动机根据励磁强度的不同，可以工作在感性或容性状态。由于大型矿山、大型旋转型机械或远离电源中心的大型负荷在传输线路较长、感性大负荷扰动的情况下，会对电网造成严重冲击，此时若采用电源输送无功进行补偿，则会由于在传输线路上输送大量无功而产生有功损耗。因此，同步电动机的应用可较好地解决这种大型感性设备产生的扰动，此时只需调节同步电动机的励磁，使之成为容性负载即可。在很多时候，同步电动机是用来改善配电系统的功率因数的，根据需要进行连续、平滑调节，也可向电网提供无功功率，使低转速负载能在稳定条件下运行，并具有较高的效率，增强过载能力。但这种补偿方式的设备一次性投资较高，使用维护比较麻烦。

2.2静止类无功补偿装置

静止类无功补偿器是指补偿设备在运行时是固定不动的[6]，它实际上是指这类无功补偿设备没有旋转部分，因而具有效率高、体积小、占地面积少、动态响应时间短等特点。其主要都是运用柔性交流输电(flexible alternative current transmission systems，FACTS)技术生成的无功补偿装置。

2.2.1固定电容

固定电容(fixed capacitor，FC)的工作原理是通过增加容性无功来补偿负载侧的感性无功需求，以提升负载电压的稳定。这种早期补偿方式的主要特点是结构简单、经济实用。然而由于并联电容器的投切是通过接触器来实现的，其电容的投切时刻很难准确定位，因而它的致命缺点是：合闸涌流大，严重情况下可达到50～100Ir(Ir为补偿电容器额定电流)；此外，在断开时会产生较大的弧光，运行噪音也比较大，易造成补偿电容器及接触器损坏，不宜频繁投切，否则会降低使用寿命，还会对供电系统及周围电气设备造成干扰。由于电容器只能实现分级补偿，其补偿效果也只能是有级的，补偿精度差，实时性不强，很难适应大型工业负荷快速变化的应用。受交流接触器操作频率和电容充放电时间及寿命的限制，FC静态补偿装置一般设有投切延时功能，其延时时间一般为30 s，这对于快速变化的负载起不到补偿作用。以上特点决定了电容器补偿的方案仅适用于无功负载比较恒定的工业领域。

2.2.2静止无功补偿器

静止无功补偿器(static var compensator，SVC)一般采用晶闸管作为开关器件，具有体积小、重量轻、控制灵活等特点。根据国际电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)的定义，SVC是一种并联连接的静止无功发生器或吸收器，它的输出电流可调节为容性或感性，以便保持或控制电力系统的一些特定参数。根据这一定义，SVC可以有很多种，特别是在配电系统中其种类繁多，衍生出了许多类型。

2.2.2.1晶闸管投切电容

单项晶闸管投切电容(thyristor switching capacitor，TSC)由电容器、双向导通晶闸管和阻抗值很小的限流电抗器组成。限流电抗器的主要作用是限制晶闸管阀由于误操作引起的涌浪电流，同时，限流电抗器与电容器通过参数搭配可以避免与交流电抗的某些特定频率上发生谐振[7]。

TSC有两个工作状态，即投入和断开。投入状态下，双向晶闸管之一导通，电容起作用，TSC发出容性无功功率，即向系统补偿无功功率；断开状态下，双向晶闸管均阻断，TSC支路不起作用，不输出无功功率。一般三相输电线路TSC补偿包括分补和共补两种，共补只能保证三相同时补偿且补偿无功一样大，当负载不平衡时则需要加上分补来补偿单相的不平衡无功。

2.2.2.2晶闸管控制电抗器

基本的单相晶闸管控制电抗器(thyristor controlled rector，TCR)由固定电抗器、双向导通晶闸管串联组成[8]。虽然大部分的负载都是感性的，但在某些情况下可能会出现固定电容的过补或变压器抽头处于输出电压最高位置的情况，城市电网的电缆输电线路中由于晚间负荷的大量减少等原因，都会造成用户端电压抬升，此时就必须采用电抗性补偿措施使电压维持在正常水平，TCR就是这样一种感性无级补偿器。这种补偿器实际上就是一种并联连接的晶闸管控制电感，其有效电抗值由晶闸管以不断变化的部分导通方式来控制，并随着晶闸管控制角的变化，能够实现感性电抗的无级调节。TCR之所以能实现无级调节，主要是由于电感电压的突变不影响其正常工作。考虑到TCR应用时的控制角不为零，因此会产生一定的谐波，实际使用时可将它拆分为若干个并联连接的电感。除了一个采用晶闸管控制外，其余几个电感则工作在通断状态，这些电感是否投入系统则由晶闸管开关决定，但这些晶闸管的触发控制角角为零，即要么全导通，要么完全不导通。这就是晶闸管投切电感(thyristor switching rector，TSR)。TSR的使用主要是为了得到系统无功功率消耗的阶跃变化效果，并使调节部分的比例降低，从而保证整个补偿支路输出电流中所含的谐波能得到有效抑制。TSR由于没有控制角的控制，因而其成本和损耗都能相应降低，但它不能进行连续控制。2.2.2.3磁控电抗器

单相磁阀式可控电抗器(magnetic controlled rector，MCR)磁路的饱和度越高，晶闸管的控制角就越小。磁控电抗器的形成方式有多种，现广泛采用的是磁阀式可控电抗器(magnetic-valve controllable reactor，MVCR)，它是在传统电抗器的基础上将固定电抗器的气隙用较小面积的铁心柱来代替。在偏磁电流的作用下该较小面积铁心部分的相对磁导率可在完全饱和和完全不饱和的电抗值之间变化。应该注意的是，在设计上应保证当小面积铁心在完全饱和时，磁路的其他部分都不出现饱和现象。正是因为小面积部分铁心饱和度的变化控制了磁路中磁阻的大小，从而改变了电抗的大小，因此，该小面积部分的铁心被称之为“磁阀”。基于MCR型的动态无功补偿系统的性价比和可靠性都比较高，谐波含量又比较低，能简单实现无级调节。因此，在10 kV及以上电压等级的无功监测与控制装置的产品竞争中，基于MCR的无功控制系统具有明显的优势。

2.2.3静止同步补偿器

静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)装置主要由以下几部分构成：主电路、控制系统[9]、保护系统、监测系统和冷却系统。STATCOM是基于全控型电力电子器件所形成的智能型无功补偿控制设备[10]，在电气结构上它相当于三相逆变器的交流端子直接与电网相连，而逆变器的两个直流端子之间大多连接一个电容(电压型)或一个电感(电流型)。由于逆变器是由全控型电力电子器件来控制，因而它不仅能实现滞后无功电流的控制，还能实现超前无功电流的控制[11]。此外，它还具有控制速度快、调节精度高、输出谐波小、易于诸多智能控制策略的应用等特点。这类无功补偿装置相当于一种静止同步发生器，它并联在系统上，能方便地控制输出的容性或感性电流，且控制的输出电流与系统电压无关。

2.3复合类无功补偿器

2.3.1FC+TCR

固定电容补偿的最大优点是成本低，但它的最大缺点是只能进行分组投切，一般只能在人工干预下进行操作，因而基本不具备自动控制的能力。虽然现代的电容补偿能够实现自动控制，但由于存在补偿的阶跃幅值变化，有可能投入一组电容过补，不投入电容又可能欠补，因而会出现振荡现象。一般总是通过变压器抽头变化来解决该问题，但无法保证实时性。若采用可调的TCR并联在固定电容的两端，形成FC+TCR的复合式补偿系统。电抗器的作用能使线路在过补条件下平衡过量无功，另外，由于这种可调的TCR为无级调控设备，因而在整体上看这种复合补偿系统具有无级可变电容的补偿效果，且不会发生电容频繁投切可能产生过零检测不准而导致的冲击电流。

2.3.2FC+MCR

这种方式与FC+TCR的复合补偿方式相似，只是用MCR代替了TCR。这两种复合补偿方式都能实现无级调节，但在TCR的运行中，晶闸管需承受与线路电压相同的电压等级，而在MCR的运行中，晶闸管只需承受1%～3%的线路电压。两种可控电抗器都会对电网注入一定的谐波，相比较而言，MCR所产生的谐波要小一些，但TCR的响应速度能控制在一个周期以内，而MCR则会由于大电感的惯性作用使其响应速度受到很大限制，一般需要10个周期左右的调节时间。若采用特殊强励控制技术使磁阀部分快速饱和，此时也可提高至30 ms左右。当电压出现大幅度波动时，此时采用FC+TCR的复合补偿方式就具有较大的优势，但这种情况大多出现在配电系统中，而输电系统中则较少，除非发生断路或跳闸等意外情况。正因为如此，在最近几年的500 kV和750 kV特高电压输电系统中，均采用FC+MCR的复合补偿方式。

3无功补偿装置的优越性

无功补偿装置的优越性主要体现在以下几点。

a) 无功补偿带无源滤波。这类无功补偿能起到滤波的作用，其基本原理是利用并联的LC串联电路对某次谐波形成短路(即对谐波形成无阻通道)，而对基波则形成纯电容或纯电感的无功补偿[12]。这类补偿一般仅针对低次谐波，如5次、7次、11次、13次等。

b) 方便快捷的人机操作。补偿装置大都内置高速微处理器，它能进行快速数据采集、信号处理、分析计算、优化决策、控制输出等[13]。而在将它们正式投入运行之前需进行一些参数设置，方便的人机操作有利于很好地发挥控制系统的灵活性和准确性，在某些情况下还可利用键盘和显示调用历史数据。

c) 控制参数的整定设置。现代的无功补偿装置智能化程度很高，如控制目标可设定为电压稳定或功率因数补偿、瞬时无功控制、专家系统或智能控制等[14]。为满足通用性的要求，有些控制器还要求设置电流或电压互感器变比，通信波特率设置、历史数据查询、故障或停电次数记录等。

d) 灵活的网络通信功能。所有的无功补偿设备都具有远程通信功能，且可以设置相应的远程通信端口、通信协议和波特率[15]。一般有RS232、RS485等串行通信通道。补偿装置可将现场采集到的所有数据通过串口与各种接收设备进行数据传输。

4无功补偿最新进展

随着智能电网技术的不断发展，无功补偿控制的作用将会得到进一步发展，目前已出现了用途各异的各类无功补偿装置，其技术的最新进展主要有以下方面。

a) 多功能化。从电力系统构成的角度来看，除了应满足共性要求外，还有以下几种附加功能[16]，即无功补偿带无源滤波，方便快捷的人机操作，控制参数的整定设置和灵活的网络通信功能。

b) 集成化。针对体积而言，控制器采用的集成芯片尺寸更小、功能更强；控制器构成整体的硬件排列更紧凑、占用空间更小[17]。在系统的功能集成化方面，无功补偿由最先开始的单纯无功补偿逐步向多功能化方向发展，其附加功能包括滤波、三相不对称控制[18]、开关接触电阻计算、单相接地故障选线等，有的甚至还要求在电源合闸前对负荷有无潜在故障点进行检测。

c) 综合化。无功补偿的综合性主要体现在硬件设备组成的复合形式和控制策略的多样性[19]两方面。

d) 智能终端。网络技术的发展使得电力系统的无功补偿可通过电网监控中心发出的指令实施投切操作，这种操作指令均是通过有线或无线通信网络传递的。电网监控中心通过从各远程终端发送过来的数据，经最优控制、决策运算后[20]，通过网络传输信道启动相关的无功补偿设备。电力系统综合自动化中常采用这种形式。

5结束语

在无功补偿的发展历史中，电力电子开关对无功补偿技术的发展起到了非常重要的推动作用，它的应用是无功补偿发展中的一个重要里程碑。电力电子开关不仅能保证快速、准确地实施补偿，还能够将先进的智能控制技术引入到无功补偿中，使其具有了高度的灵活性和实时性，更好地保证了系统运行的稳定性和可靠性。合理选择补偿装置，可以做到最大限度地减少网络损耗，使电网质量得到有效提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统电压波动、电能质量下降等诸多问题。

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Review on Application of Reactive Power Compensation Devices in Power Systems

LI Yong, CHENG Hanxiang, FANG Weiming, ZHONG Bang

(Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006, China)

Abstract：Based on functions of reactive power compensation devices in power systems such as reactive power compensation and improvement of load power factors, this paper introduces classifications of compensation devices including machinery rotating reactive power compensation devices, static reactive power compensation devices and composite reactive power compensation devices. It discusses structural principles and application of these device controllers and summarizes advantages of compensation devices in power systems and the newest developments.

Key words：compensation device; reactive power; power system; power factor; controller

收稿日期：2015-11-30修回日期：2016-02-26

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.016

中图分类号：TM761

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)06-0087-06

作者简介：

李勇(1991)，男，江西九江人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统综合自动化。

程汉湘(1957)，男，湖北武汉人。教授，工学博士，研究方向为电力系统综合自动化。

方伟明(1991)，男，福建莆田人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统综合自动化。

(编辑查黎)