电网无功补偿技术研究现状分析

田一淳

（1.湖北省微电网工程技术研究中心（三峡大学），湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

随着人们日常生产生活质量的提高和工业的飞速发展，电力系统中非线性设备日益增多，降低了电力系统的可靠性、稳定性以及负载和电网的功率因数。系统中传送的能量有一大部分不会被负载消耗，而是在输电线路中来回输送，使输电线路起始端形成了较大的电压降，导致负载端电压不足而影响供电质量。因此，提高功率因数，对电网进行及时、动态的无功补偿，是当前电力行业面临的重大研究课题。

目前，无功补偿装置主要是同步调相机、机械投切的并联电容器组和大容量SVC。同步调相机运行时损耗和噪声较大，维护较为繁琐，响应速度较慢，不能满足目前电网快速动态补偿需求[1]。并联电容器组虽然较为灵活且可以直接用在高压电网中，但是其阻抗值是固定的，不能对电网进行动态的无功补偿。SVC本身是一项谐波源，虽然补偿了系统中的无功功率，但是本身也产生了谐波污染，还要启用滤波器，增加了投入。

本文主要分析总结了电力系统目前的一些无功补偿技术，对无功补偿技术进行分析和研究，对比它们的利弊，并展望了今后电网的无功补偿技术研究及发展[2-3]。

1 电网无功补偿的原理及意义

1.1 无功功率及无功补偿的基本概念

电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。在电力系统中，不只有有功功率维持系统中用电设备的正常运行，无功功率同样有维持系统稳定的重要作用。有功功率主要表示将电能转化为其他形式能的速率，而无功功率在有功功率的传输过程中通过电磁原件建立和维持电气设备的磁场，完成电磁能量的相互转换。很多负载不仅要消耗有功功率，还需要消耗无功功率，以维持它们正常工作必需的交变磁场。因此，无功功率为能量的传输、转换创造了必要条件[4]。

电网中的一些感性负载所需的无功功率一定要从电网的某处获得。如果它们需要的无功功率仅仅由发电机产生，再经过远距离输送到所需要的位置是不现实的。为了避免远距离输送无功功率，要在需要无功功率的点产生无功功率，对其进行就地无功补偿。

1.2 电网无功补偿的原理

无功补偿技术的原理是将事先通过计算确定好容量的容性功率的负载并联在具有感性功率的负载两端，这样容性负载产生的无功功率就可以补偿感性负载产生的无功功率，实现电能在两种负荷之间来回的转换，提高功率因数。

电力系统中，用电设备的正常工作既需要电源提供有功功率，也需要电源提供无功功率来维持。在实际的电力系统中，发电机等输出设备无法向负载提供足够的无功功率。为了保证广大用户对无功功率的需求，同时能使电网中的设备能在额定情况下正常工作，需要在无功功率不足的地方增添无功补偿设备进行就地补偿[5]。图1为电容补偿原理图。

1.3 电网无功补偿的意义

1.3.1 可以改善电能质量

在电网中合理选择无功补偿点并配置合适的容量，与供电电压质量有密不可分的联系。因为越靠近线路的末端，线路中的非线性设备越多，因此无功补偿装置安装在线路末端靠近负载的位置，补偿效果明显。

图1 电容补偿原理图

1.3.2 降低了电网设备的功率损耗

将无功补偿装置连在电网中，它产生的无功功率会被感性负载吸收，那么由电源端向感性负载输出的无功功率就会减少。由公式（其中cosΦ为补偿后的功率因数，cosθ为补偿前的功率因数）可知，当输出的有功功率为一定值时，安装无功补偿装置后，电网的功率因数会得到提高，则电路损耗的有功功率会随之降低。所以，在电网中安装无功功率补偿装置会降低电网设备的功率损耗，节省能源，减少投资。

1.3.3 提高智能电力设备的供电能力

无功补偿装置可以提高设备的功率因数，若设备的现有功率为一定值，则设备输出的有功功率会得到提高，这样可以有效提高输出设备的供电能力。所以，在电网中增加无功补偿装置会提高电力设备的供电能力，同时也会发掘电力设备的供电潜力[6-8]。

2 电网无功补偿的原则

电网无功补偿方式主要有集中补偿、分散补偿和就地补偿三种，其中就地补偿方式最好，可以不断降低网损[9]。文献[10]提出无功补偿应该以集中和就地分散补偿相结合，以分散补偿为主；高、低压补偿相结合，以低压为主；调压与降损相结合，以降损为主。

2.1 无功功率平衡原则

为了改善电能质量，降低功率损耗，应该尽量避免通过输电线路长距离传输无功功率到所需的位置。在负荷最大和最小运行方式下，要做到无功功率的分（电压）层分（供电）区平衡，还要考虑设备检修和故障时的情况。因此，要作出设备检修或者故障情况下无功功率的预算值，提前准备好相应措施，保证电网在设备出现故障时不会出现无功功率供应不足的情况。

2.2 无功补偿装置的配置原则

应该尽量将无功补偿装置集中配置[11]，以便及时管理和检修补偿装置。对于并联电容器可以相对分散配置，但是太过于分散也会给管理和检修带来麻烦，需具体问题具体分析。

2.3 变电站无功补偿的原则

对变电站的无功补偿主要是满足配电变压器对无功功率容量的需求，具体的补偿原则可参照以下内容进行合理补偿。

2.3.1 中压（10 kV）电网的无功补偿原则

中低压电网的无功补偿应采取高压集中补偿、低压个别补偿以及动态无功补偿[12]。优先考虑在配电变压器的低电压侧集中补偿配置，再考虑在高压侧进行分散补偿作为辅助。一般配置并联电容器来提高功率因数。并联电容器的容量一般可以按照主变压器容量的20%～40%进行配置。

2.3.2 中高压（35～110 kV）电网的无功补偿原则

在35～110 kV电网中，线路中的输送负荷一般会大于自然功率，电网呈感性，所以应在相关变电站分散配置容性补偿装置，容量可以按照主变压器容量的15%～30%配置。

2.3.3 220 kV电网的无功补偿原则

在220 kV电网中，电网的网架不强时，变压器为感性，电网呈感性，因此变电站的容性无功补偿主要以补偿主变压器无功损耗为主，容量一般按照主变压器容量的10%～25%配置。网架相对较强的网络，其波谷与波峰相差较大。当电网为高峰负荷时，线路输送的负荷和变压器消耗的无功功率都很大，系统中感性无功增多，所以应在线路中接入并联电容器等容性补偿装置进行补偿，提高功率因数。当电网为低谷负荷时，线路输送的负荷变小，电网呈容性，可以将电压偏高的变压器两端的电容器退出。

2.3.4 330 kV及以上电压电网的无功补偿原则

在330 kV及以上变电站，既需要容性补偿又需要感性补偿。容性无功补偿容量应按照主变压器容量的10%～20%配置。而在电压330 kV及以上的网络中，线路输送的实际功率小于线路的自然功率，所以应适当配置并联电抗器进行感性补偿，补偿超高压输电线路的剩余充电功率。

3 无功补偿的几种设备及其工作原理

3.1 同步调相机

如图2所示，同步调相机也称同步补偿机，本质是一个发出无功功率的发电机。它通过同步发电机向电网输送无功功率来补偿电网中设备消耗的无功功率。所以，同步调相机相当于一个不带机械负载的同步电动机。它只发出无功功率，不发出有功功率。同步调相机发出的无功功率的大小及性质，可以通过调整励磁电流大小来调节。如图3所示，电流欠励磁时，电流滞后电压90°，向电网吸收感性功率，可降低系统电压，此时同步调相机作用相当于电感；过励磁时，电流超前电压90°，此时同步调相机起到了电容的作用，发出感性无功功率[13]，可提高系统电压，有利于电网的稳定性[14]。同步调相机在早期被广泛应用。

但是，同步调相机有旋转部件，所以其在工作时设备处于旋转状态。当设备出现故障时，对它的维护和检修存在一定困难。它工作时会产生很大噪音，响应速度较慢，无法满足电网迅速、动态补偿的需求。此外，小容量同步调相机的单位容量成本较高，而一般同步调相机的容量一般较大。因此，随着电力电子技术的发展，同步调相机逐步被淘汰了。

图2 同步调相机实物图

图3 同步调相机电流过励和欠励向量图

3.2 并联电容器补偿

并联电容器在早期电网中十分常见，因为其经济实用、结构简单、维护方便且没有转子，如图4所示。它的工作原理是在负载两端发出容性无功来补偿两侧的感性无功，提高回路的功率因数，降低网损，如图5所示。通过对补偿对象的测量，确定所需要的电容器容量，再来确定要投入的电容器组数。由于控制电容器投入、切除的是机械开关，所以很难准确判断投切电容器的时刻。并联电容器一般设有投切延时功能，所以当电网无功不足时，最好在高峰负荷到来前将电容器并联到负载两端，才能有效避免负载端电压不足，因此不能满足快速、准确地对电网进行无功补偿需求。

图4 并联电容器实物图

并联电容器的机械开关不宜频繁切换，因为其合闸涌流很大，有时甚至能达到补偿电容器额定电流的几十倍甚至上百倍。在开关断开时，它还会产生弧光，且运行时的噪音较大，因此频繁投切会缩短并联电容器的寿命。所以，并联电容器仅适用于负载较稳定的系统。

图5 并联电容器基本原理图

3.3 并联电抗器补偿

如图6所示，并联电抗器用于吸收线路中过剩的无功功率的设备，可以避免高压电网的电压过高。并联电抗器可以直接接入超高压线路或母线中，吸收的无功功率QL与其所在线路的电压U的关系为QL=U2/XL，其中XL表示并联电抗器的感抗。

图6 并联电抗器实物图

在当今电力系统中，并联电抗器应用广泛。它可以与超高压线路直接相接，起到限制高压线路上的过电压的作用，有利于单项重合闸[15]。由于超高压输电线路很长，那么空载长线电容效应则会引起线路电压的升高。特别是单端电源供电的空载导线发生接地故障时，应待故障处电弧熄灭后再重合该相。但是，由于发生短路故障时，会由于短路电流的互感效应而使潜供电流在短时间内难以消除。若在线路上并联一个三相Y型电抗器，且其中性点经小电抗器接地，就可以限制并消除单相接地处的潜供电流，使电弧熄灭，有利于重合闸成功。高压三相电抗器的损耗较小但造价高，而适用于低压侧的并联电抗器的造价低，易于操作。

3.4 静止无功补偿装置（SVC）

目前，静止无功补偿器是我国高压电网中性能比较优良且发展前景较好的一种无功补偿装置。静止无功补偿装置被定义为并联连接的无功静止发生器或吸收器，其输出的电流既可以为容性，也可以为感性，以此维持系统中的一些特定参数。因此，SVC有很多不同结构，其中最常用的是晶闸管投切电容器型（TSC）、晶闸管控制电抗器型（TCR）和饱和电抗器型（SR）。

SVC调节速度很快，能够适应目前电网迅速、动态的补偿要求，且其组成部件中不含有转子，所以运行维护量较小。相比于其他无功补偿器来说，它的可靠性也较高，但是损耗较大，产生谐波较多[16]。

3.4.1 晶闸管投切电容型（TSC型）

TSC型补偿器是一组并联型装置，主要由并联的电容器、双向导通晶闸管以及一个限流电抗器构成，如图7所示。每一个并联的电容器都与一组反向并联的晶闸管串联，由双向晶闸管控制支路的通断。它的性能优良，可以实现自动控制所要投入的电容器的组数，实物图如图8所示。投入的电容器的组数取决于所需要补偿的无功电流和无功电压。为了防止电容器充电瞬间涌浪电流的出现[17]，一般会在每一条支路接入一个限流电抗器。限流电抗器也可以通过与电容器的参数搭配，避免与交流电抗在特定频率发生谐振。

图7 TSC原理图

图8 双向晶闸管实物图

当TSC向系统中发出容性功率即TSC处在投入状态下时，双向晶闸管之一导通，电容工作，向系统补偿无功功率；当TSC不发出功率时，说明双向晶闸管均处于阻断状态，此时TSC处于断开态。

由于双向晶闸管可以方便地控制关闭和导通，所以TSC具有调节速度快、有功损耗较小的优点。TSC装置因为晶闸管的耐压程度有限，所以经常被用于低压系统。在高压系统中，它需要多个晶闸管级联，会增加成本，所以经常与变压器配合使用[18]。

3.4.2 晶闸管控制电抗型（TCR）

TCR型补偿器同样是一组并联型装置，主要由双向导通晶闸管与电抗器串联构成的支路组成，如图9所示。它主要通过控制双向晶闸管的通断改变通过电抗器所在支路电流的大小以及相位，从而调节总回路电流的功率因素。

图9 TCR原理图

由于双向晶闸管的开关次数不受限制，而如果经常使用机械开关会对其造成一定损耗，降低其寿命，因此TCR性能要优于机械投切式电抗器。因为TCR工作的实质是利用晶闸管的触发角控制来改变通过电抗器的电流，所以可以实现无级调节，但是装置本身会产生一定的谐波和一定的有功损耗。

3.4.3 饱和电抗器型（SR）

文献[19]提出了一种SR型补偿器。它是由一个多相的谐波补偿自饱和电抗器与一个可投切电容器并联组成，具有承受过电流的能力强、补偿及时、稳定性高以及产生谐波小等优点，非常适用于控制短时的过电压。

饱和电抗器是一种稳定性极强的无功补偿装置，因此经常被用在以下3种场合：（1）控制电压的大幅偏移；（2）缓解电压闪变；（3）在直流输电终端进行无功补偿。但是，运行中的电抗器长期处于饱和状态，铁芯损耗较大，饱和电抗器的造价过高，目前在国内的应用尚不广泛。

3.5 静止同步补偿器（STATCOM）

静止同步补偿器是一种并联型的无功补偿的“柔性交流输电系统（FACTS）”装置，是一种实时的动态无功补偿器。STATCOM的组成部分主要有主电路、控制系统、监测系统、保护和冷却系统。它在工作时相当于电压源型变流器。静止同步补偿器既可以发出功率也可以吸收功率。如图10所示，工作原理是将绝缘栅双极型晶体管构成的桥式电路经过交流电抗器并联在电网中，根据实际需求调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接调节其交流侧输出电流[19-22]，控制发出的无功功率的大小及性质来满足电网的需求[23]。

图10 STATCOM基本原理图

静止同步补偿器在系统中工作时，相当于一个能产生三相正弦对称电压的旋转同步电机[24]。所以，它既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。

STATCOM的主要优点包括：

（1）输出的电流与电压无关，运行范围广；

（2）控制速度快，满足电网快速动态的补偿需求；

（3）产生谐波小，只要让STATCOM输出的电流与谐波电流方向相反，就可以对谐波进行抑制，可以有效提高功率因数、电网的稳定性，抑制电压闪变；

（4）损耗小，只有开关损耗[25]；

（5）占地面积小；

（6）产生噪音大大减小。

STATCOM是智能型的设备，是目前电网无功补偿设备中最先进的也是最有发展前景的。

4 无功补偿方法的研究现状及未来的发展趋势

随着现代人们的生活水平的提高，人们对电网的供电质量要求越来越高。因此，电网无功补偿技术的深入研究与应用成为必然的趋势。目前，无功补偿技术面临的困难主要有：实现快速、准确的无功补偿；减少噪声污染；减少无功补偿设备自身产生的谐波污染；提高补偿设备的可靠性，增加电网的稳定性等。因此，各种先进的智能型的无功补偿技术是大多数国内外先进科研机构重视的课题。

国外的无功补偿技术相较国内起步较早，且比国内重视，因此国外的无功补偿技术也比国内成熟很多。并联电容器组以其经济实用、轻便、维护方便等优点，广泛应用于我国电网。直到20世纪70年代初，武汉钢铁公司在1.7 cm轧机工程中进口了由比利时直流励磁饱和电抗器与日本电容器组成的静止补偿装置后，国内才对动态无功补偿问题引起了重视。目前，我国已经在SVC装置的研发上有了一定的技术基础，但大容量的SVC还要依靠国外进口。国外生产研制SVC的公司主要有ABB、AREVA以及SIEMENS等。从全球范围来看，SVC和STATCOM已经得到了广泛应用。

随着我国对无功补偿技术的科研投入加大，我国在无功补偿技术上取得了较大进步。就国内外的研究状况来看，无功补偿装置的制造技术具有以下发展趋势：

（1）未来无功补偿技术不仅只满足实现对电网进行无功补偿功能，还要满足高速便捷、智能化的需求；

（2）原来无功补偿装置体积庞大，占地面积大，为了减少占地面积，要实现无功补偿装置的集成化，如可以采用集成芯片控制整个装置，大大减小体积；

（3）智能化，实现从系统中采集的无功补偿数据通过有线或者无线传播传到智能终端，然后通过智能终端的一系列计算后向系统发出精确指令，使系统得到精确的无功补偿。

5 结 论

本文对多种无功补偿技术装置的原理及方法进行详细阐述，并对它们的优缺点进行了分析及对比。目前，基于FACTS技术的无功补偿装置将成为未来无功补偿技术发展的主要趋势。同步调相机有功损耗较大，维护困难，响应较慢，成本高，因此逐步被淘汰。并联电容器虽然投资少，但是不能准确快速对电网进行无功补偿。并联电抗器可以直接接入高压线路，但是造价较高，其中高压并联电抗器发展前景较好。SVC装置的投资较高，但是技术相对成熟，其调节速度快，满足电网对快速准确的无功补偿的需求，但是不能直接与超高压电网相接，且可能产生谐振现象，还需要继续改进。STATCOM装置以其响应速度快、产生谐波小、损耗小等优点，成为目前最具发展前景的无功补偿装置。