低压无功补偿技术概述

广东电网有限责任公司佛山供电局 张 宁

国网吉林省电力有限公司培训中心 张 远 王 佳

0.引言

随着工业经济的不断发展，非线性负载大量接入电力系统，使得谐波电流、无功功率增加，给电网运行稳定性和动态平衡性能带来了严重影响。如何补偿无功功率、抑制非线性谐波，是当今电力行业亟待解决的重大问题。

无功功率的平衡能够提高功率因数、增加输电能力、减少线路损耗、提高电压稳定性、保障电力系统的安全稳定可靠运行。如果无功功率不能及时补偿，就需要线路和变压器增大容量，这就增大了线损、降低了供电效率。因此，目前广泛采用的方法是在消耗无功处产生无功功率，即无功功率就地补偿。

1.无功补偿技术发展现状

无功补偿技术实现原理是将容性功率设备与感性功率装置并联进行能量转换，将容性设备发出的无功补偿感性负荷所需无功。近年来，无功补偿装置不断发展前进，从同步调相机、同步电动机等机械旋转无功功率补偿装置，到并联电容器、晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Capacitor，TCR）、晶闸管投切电容器（Thyristor Switching Capacitor，TSC）等静止无功补偿装置（Static Var Compensator，SVC），再到有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）+SVC等混合型有源电力滤波器（Hybrid Active Power Filter，HAPF）和配电网静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）等新型无功补偿装置，无功补偿技术不断向前发展。

（1）传统装置补偿方式

同步调相机的工作原理是通过励磁状态，向电网提供感性无功功率。此方法的优点是能为电网提供一定电压支撑，缺点是励磁电流较大、损耗较大、发热较严重、维护较复杂，调相机目前很少使用。

同步电动机擅长于提高配电网功率因数，无功调节连续平滑，可以有针对性的平衡大型感性装置的扰动，但投资高、维护复杂。

早期的并联电容器补偿无功功率的方法能够直接提供感性负载消耗的无功功率，降低线路的电能损耗，但不适用于无功功率负载变化的环境，容易引发谐振。

（2）静止无功补偿器SVC装置

SVC通过电力电子器件，调节输出感性电流或容性电流进行动态无功补偿。典型代表包括TCR和TSC。TCR是感性电抗无级调节的晶闸管控制电感，能够在90度～180度之间改变触发角，进而实现补偿容量的变化。TSC在双向晶闸管导通时发出容性无功，限流电抗器除了可以限制涌流之外，还可以控制部分谐振[7]。TSC分为带和不带电抗器2种方式，带电抗器有一定的抑制谐波的功能。与同步调相机相比，SVC取消了旋转部件，运行维护简单。具有连续平滑调节、响应速度快、效率高、自动化程度较高等优势；但缺点是本身产生谐波。

（3）HAPF和STATCOM

有源无功补偿就是通过实时检测非线性负荷产生的谐波电流，将大小相等方向相反的补偿电流注入系统，完成谐波消除。该方法成本高，一般将动态滤波与无功补偿装置结合使用。

随着有源无功补偿和谐波抑制技术的提升，混合型有源电力滤波器（HAPF）综合了无源电力滤波器（Passive Power Filter，PPF）成本较低以及有源电力滤波器（APF）能够快速平滑实现无功补偿，并能够抑制谐波的特点。而且降低了无源元件与电网阻抗间发生振荡的概率。

STATCOM是智能型无功补偿装置，由全控电力电子元器件构成，能够发出感性电流或容性电流，并具有一定的控制策略以调控电力系统，是一种动态无功补偿装置。若输入端接入电源，输出端发出或吸收有功功率、无功功率。不仅能够补偿无功功率、稳定电压，还能兼顾谐波补偿和三相负载不平衡补偿。与传统的无功补偿装置相比，STATCOM具有精度高、可靠性好、调控速度快、谐波小等优势。STATCOM元件比SVC中更小，进而使得装置成本降低、体积大大缩小。

随着无功补偿和智能电网的研究发展，网络通信传输调节无功补偿、人机优化操作、芯片集成、控制策略综合多样等无功功率补偿技术层出不穷，对提高系统电能质量、保障安全稳定运行起着重要作用。

2.低压无功补偿技术

目前，虽然HAPF和STATCOM发展迅速，但是高性能的数字控制器、电力电子器件等关键元件的成本依然高居不下，应用并不普及。在低压配电网无功补偿场合，仍然以TSC为代表的无功补偿装置为主。

2.1 并联电容器补偿无功原理

并联电容器与晶闸管等电容器投切开关、电容器组合，形成可变的超前无功功率，为系统中异步电动机、变压器等阻感负载提供动态无功补偿。阻性电力负载设备可等效为电阻R与电感L的单相串联电路，即阻感负载RL，此时的功率因数为：

2.2 主回路接线

由于星形、三角形电容器接线方式的不同、投切开关位置的差别等，使得低压无功补偿装置的主回路具有多种接线方式。

当系统中有较大的谐波电流时，大电流流经电容器，严重的话会烧毁电容器。为防止上述情况发生，可以在电容器上串联具有滤波功能的电抗器，接线方式如图1、2所示。

图1 带电抗器三相共补主回路接线方式

图2 带电抗器三相分补主回路接线方式

2.3 国标中低压无功补偿规定

针对额定交流电压小于等于1000V、频率小于1000HZ条件下的低压无功补偿装置，国标对其技术和试验要求作出了详细规定，为设计低压无功功率补偿装置提供依据。规定的要点如下：

（1）装置分类

根据安装部位可分为：集中补偿、分组补偿、末端补偿；根据补偿相数可分为：单相补偿、三相补偿、混合补偿等。

（2）技术要求

过压、过流、过温保护：并联电容器在运行过程中应设置过压、过流和过温保护，防止并联电容器在运行过程中，电压、电流和温度超过规定值，发生故障或降低使用寿命。同时该保护要确保故障切除准确，防止多次投切发生事故。

涌流抑制：利用半导体电子开关、符合投切电容器开关、机电开关等措施，限制电容器投入的瞬间产生的涌流。

对于具备抑制谐波或滤波功能的无功补偿装置：根据国标中关于公用电网谐波电流允许值的规定，应与用户协商无功补偿装置的技术参数，满足不同场合用户的需求。电力系统规定的谐波电流值如表1所示。

表1 谐波电流允许值

3.总结

本文首先简要介绍了电力系统中无功功率补偿的相关概念和无功功率补偿的重要性，列举了无功功率补偿方法的相关背景和发展现状，然后详细梳理了无功补偿装置的发展历程，并概述了多种无功补偿装置的原理。最后详细分析了低压无功功率补偿技术的原理及国标标准。通过本文的介绍，对无功功率补偿装置有了系统的了解，为进一步研发改进无功补偿装置奠定了坚实的基础。

[1]朱桂萍,王树民．电能质量控制技术综述[J]．电力系统自动化，2002,26(19)∶28-31．

[2]王兆安,杨军,刘进军等．谐波抑制和无功功率补偿[M]．第二版．机械工业出版社,2006．

[3]李勇,程汉湘,方伟明等．无功补偿装置在电力系统中的应用综述[J]．广东电力,2016,29(6)∶87-92．