无功补偿装置在电力系统的应用综述

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：介绍了无功补偿的原理，从工作状态的角度将无功补偿装置分为机械旋转类、静止类和复合类，并论述了这几类装置的控制结构原理及应用，最后总结了无功补偿装置在电力系统应用的优越性以及无功补偿的最新进展。

关键词：无功补偿装置；无功功率；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，但无功功率的分布和变化会影响电网电压的稳定，且它的存在挤占了电网给负载提供有功功率的资源，因此应科学、合理地进行无功补偿。

1无功补偿原理

无功补偿的本质是利用无功补偿器所发出的无功功率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，只需在适当的时刻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。从无功补偿的实现原理来看，几乎毫无例外地只有两种机理：一种是电流补偿型，以线路电压作为参考矢量，通过节点注入无功电流，不仅使合成补偿电流的幅值减小，而且使合成电流在垂直于线路电压方向上的电流分量得到降低；另一种是电压补偿型，以线路电流作为参考矢量，在线路中串联一种无损元件，使该器件上的电压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得到有效降低。

对电网的无功功率进行适当的补偿，不仅能提高电网电压的稳定性，而且能提高系统的功率因数和设备利用率，减小线损，增强输电系统的输电能力，平衡三相功率，保障电力系统运行的安全性和可靠性。

2电力系统无功补偿装置分类及选择

在实际应用中，无功补偿装置可分为机械旋转类、静止类和复合类。

2.1机械旋转类无功补偿装置

机械旋转类无功补偿装置属于最传统的无功补偿装置，其显著特点是通过调节转子绕组的励磁电流来改变无功功率的输出或吸收，在电力系统的发展初期曾经发挥了极其重要的作用，即使在今天也仍然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[1]。早期对功率因数补偿要求较高的场合，通常采用这种方式。

同步调相机是一种基于旋转电机的补偿设备，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功率。在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率，此时其功能如同电容器；在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率，此时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功率，所以它主要在过励磁状态下运行，即在电磁功率接近于零的方式下运行。

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地改变输出(或吸收)的无功功率，以实现电压调节。特别是在有强行励磁装置的情况下，当系统出现故障时，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，运行维护比较复杂，在满负荷运行时其产生的有功功率损耗为额定容量的1.5%～5%，容量越小，损耗所占比例越高。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比较大。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，但在现代大电网的运行环境下，已不能称为专门的无功补偿设备了，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，也是通过调节发电机的励磁电流来实现无功补偿。励磁调节不仅能改变发电机输出电压的幅值，还能改变输出无功功率的大小。一般来讲，通过发电机来调节无功功率的大小会受限于端电压幅值的变化。由于发电机的体积小、容量大、绝缘距离短，当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时，会造成绕组匝间短路，或损害绕组对地绝缘，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远离需补偿的用户终端，考虑线路损耗的因素，实际到达用户的无功功率也不会太多。即便是在环网技术比较发达的地域，个别发电机(或发电厂)的无功补偿作用也仅是对全网无功补偿的一点补充。

2.1.3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。在传输线路较长、感性大负荷扰动的情况下，大型旋转型机械设备或远离电源中心的大型负荷会对电网造成严重冲击，此时若采用电源输送无功功率的方法进行无功补偿，则会产生有功损耗。同步电动机可较好地解决这种大型感性设备所产生的扰动，此时只需调节同步电动机的励磁，使之成为容性负载即可。在很多场合，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，使低转速负载在稳定条件下运行，并具有较高的效率过载能力。但这种补偿设备一次性投资较高，使用和维护比较麻烦。

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[2]，即设备没有旋转部分，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，主要运用了灵活交流输电(flexible AC transmission system， FACTS)。

2.2.1固定电容(fixed capacitor，FC)

FC的工作原理是通过增加容性无功功率来补偿负载侧的感性无功功率需求，以提升负载电压的稳定性。这种早期的补偿方式的主要特点是结构简单、经济实用。由于并联电容器的投切是通过接触器来实现的，而投切时刻很难准确把握，因此其致命缺点是：合闸涌流大，严重情况下可达到(50～100)Ir(Ir为补偿电容器额定电流)；在断开时会产生较大的弧光，运行噪声比较大，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，而且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，因而其补偿效果是有级的，补偿精度差，实时性不强，很难适应大型工业负荷的快速变化。受交流接触器操作频率、电容充放电时间及寿命的限制，FC一般设有投切延时功能，延迟时间为30 s，这对于快速变化的负载则起不到补偿作用。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(static var compensator，SVC)

SVC一般是采用晶闸管作为开关器件，具有体积小、质量轻、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为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可以有多种，特别在配电系统中更是种类繁多，衍生出许多类型，本文仅介绍几个重要的SVC。

2.2.2.1晶闸管投切电容(thyristor switching capacitor，TSC)

图1　单相TSC原理结构

单相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，其原理结构如图1所示。限流电抗器的主要作用是限制晶闸管阀因误操作引起的浪涌电流，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在某些特定频率上发生谐振[3]。

TSC有2种工作状态，即投入和断开状态。在投入状态下，其中一个双向晶闸管导通，电容起作用，TSC发出容性无功功率，即向系统补偿无功功率；在断开状态下，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无功补偿包含分补和共补2种，共补只能保证三相同时补偿且补偿的无功功率大小相等，当负载不平衡时则需要加上分补。

2.2.2.2晶闸管控制电抗器(thyristor controlled rector，TCR)

图2　单相TCR　　　原理结构

单相TCR由固定电抗器、双向导通晶闸管串联组成[4]，基本结构如图2所示。

虽然大部分的负载都是感性的，但在某些情况下也会出现FC过补或变压器抽头处于输出电压最高的位置的情况。在城市电网中，由于晚间负荷大量减少，造成用户端电压抬升，此时必须采用电抗性补偿措施使电压维持在正常水平，TCR就是这样的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，以不断改变晶闸管触发角的方式来控制其有效电抗值，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。考虑到应用时TCR触发角不为零，会产生一定的谐波，因此实际使用时一般将它拆分为若干个并联连接的电感，除了其中一个电感能通过晶闸管控制外，其余的电感均工作在通断状态，这些电感是否投入系统由晶闸管决定，但这些晶闸管的触发角为零，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的谐波得到有效抑制。由于没有触发角的控制，因而TSR的成本和损耗都相应降低，但它不能进行连续控制。

2.2.2.3磁控电抗器(magnetic controlled rector，MCR)

图3　单相MVCR原理结构

MCR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，这个较小面积铁心部分的相对磁导率可在完全饱和与完全不饱和的电抗值之间变化。应注意的是，在设计上应保证当小面积铁心完全饱和时，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，将这个小面积铁心称之为“磁阀”。图3为单相MVCR的电路原理图。若VT1、VT2不导通，则MVCR相当于一台空载变压器。当电源处于正半周时，晶闸管VT1承受正向电压，VT2承受反向电压，若VT1触发导通，电源经线圈向外电路提供直流控制电压和电流。显然，磁路的饱和度越高，晶闸管的控制角就越小。

基于MCR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具有明显的优势。

2.2.3静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)

STATCOM主要由主电路、控制系统[5]、保护系统、监测系统和冷却系统组成。STATCOM是基于全控型电力电子器件的智能型无功补偿设备[6]，在电气结构上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2个直流端子之间大多连接1个电容(电压型)或1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的，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[7]；此外，它具有控制速度快、调节精度高、输出谐波小、适用于诸多智能控制策略等特点。这类无功补偿装置并联在系统上，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

图4　单相FC+TCR　原理结构

FC补偿的最大优点是成本低，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，因而基本不具备自动控制的功能。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，会出现投入电容过补，不投入电容又欠补的情况，因而会出现振荡现象，一般通过改变变压器抽头位置来解决振荡问题，但实时性无法得到保障。若将可调的TCR并联在FC两端，则形成FC+TCR的复合式补偿系统，如图4所示。TCR能使线路在过补条件下平衡过量的无功功率，由于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，且不会因频繁投切电容而产生冲击电流。

2.3.2FC+MCR

FC+MCR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FC+TCR中，晶闸管需承受与线路电压相同等级的电压，而在FC+MCR中，晶闸管只需承受1%～3%的线路电压。两种可控电抗器都对电网注入一定的谐波，相比较而言，FC+MCR所产生的谐波要小一些。FC+TCR的响应速度能控制在一个周期以内，而FC+MCR则由于大电感的惯性作用使响应速度受到很大的限制，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，此时调节时间会缩短至30 ms左右。当电压出现大幅度波动时，采用FC+TCR的复合补偿方式具有比较大的优势，但这种情况大多出现在配电系统中，输电系统不太会出现这种情况，除非出现断路或跳闸等意外情况，因此在500 kV、750 kV特高电压输电系统中，都采用FC+MCR的复合补偿方式。

3无功补偿装置的优越性

3.1无功补偿带无源滤波

这类无功补偿还能起到滤波的作用，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[8]。这类补偿一般仅针对低次谐波，如5次、7次、11次、13次等。

3.2方便快捷的人机操作

补偿装置大都内置高速微处理器，能实现快速数据采集、信号处理、分析计算、决策优化、输出控制等功能[9]，正式投入运行前需进行一些参数设置，方便的人机操作使控制系统的灵活性和准确性得到很好的发挥，在某些情况下还可以利用键盘和显示器调用历史数据。

3.3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[10]。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、历史数据查询、故障或停电次数记录等。

3.4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，可以设置相应的远程通信端口、通信协议和波特率[11]。一般有EIA-232、EIA485等串行信道。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

4.1多功能化

从电力系统构成的角度来看，除了应满足上述共性要求外，大体上还有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、灵活的网络通信等附加功能，有的甚至还要求在电源合闸前先对负荷有无潜在故障点进行检测。

4.2集成化

控制器采用的集成芯片尺寸更小，功能更强；整体的硬件排列更紧凑，占用空间更少。

4.3综合化

无功补偿的综合性体现在硬件设备组成的复合形式、控制策略的多样性两方面。

4.4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[12]，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非常重要的推动作用，它的应用是无功补偿发展历史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，使无功补偿具有高度的灵活性和实时性，更好地保障系统运行的稳定性和可靠性。如能保证在电容电压过零瞬间使电容投入运行，也能保证在电感电流过零瞬间切除电感运行，因而能极大地增强无功补偿系统运行的可靠性。合理地选择补偿装置，可以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，会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 Device in Power System

LI Yong, CHENG Hanxiang, FANG Weiming, ZHONG Bang

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

Abstract：This paper introduces principles of reactive power compensation. From the point of working state, the reactive power compensation device is divided into three types including mechanical rotary type, static type and composite type. It also discusses control structure principles and application of these three types and summarizes advantages of reactive power compensation device in power system and its latest developments.

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

收稿日期：2015-11-30修回日期：2016-01-20

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.05.014

中图分类号：TM714.3

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)05-0077-05

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。

(编辑李丽娟)