无功补偿装置的发展及现状侯圣语

侯圣语董彬程志明

（日照港股份有限公司动力分公司276826）

摘要：具有冲击性、非线性及不平衡的负荷使得电网电压和电流波形出现畸变，严重影响了电网的电能质量。使用无功补偿装置，可以提高系统功率因数，减少线路损耗，稳定电网电压，抑制谐波，大大增强了电网安全运行的能力。早期无功补偿装置除了发电机，还有电容器补偿装置和同步调相机。随着现代电力电子技术的飞速发展，以SVC和STATCOM为主的现代无功补偿装置深受人们的青睐。采用自换相电力电子变换器的STATCOM实现了从感性到容性的连续动态无功补偿，具有结构紧凑、响应速度快、谐波电流小、损耗低等特点。它能有效抑制电流畸变、电压波动与闪变以及三相系统不平衡，提高和保证系统电能质量。

关键词：无功补偿；电力电子；电容器；静止无功补偿器；静止同步补偿器

0引言

随着科技的迅速发展，配电网中整流器、变频调速装置、电气化铁路、电弧炉等冲击性负荷逐渐增多。由于此类负荷的冲击性、非线性及不平衡性，电网电压和电流波形出现畸变，严重影响了电网的电能质量。这部分负荷功率因数低、波动大、随机性强，增加了电网有功损耗，从而也对配电网的无功补偿能力要求更高。此外，系统内发生的短路、断路、投切电容器及雷击线路等，都会严重影响电力系统的供电质量。另一方面，计算机技术和工业控制技术的应用日益广泛，使得用电设备对电能质量的要求也越来越高。一些重要的工业生产企业在电能质量低劣的情况下生产出不合格产品或者报废产品，发生停产事故，造成严重的经济损失。从日常生活到国民经济生产的各个方面都与电能质量息息相关。而使用无功补偿装置，则可以提供系统功率因数，减少线路损耗，稳定电网电压，抑制谐波，大大增强了电网安全运行的能力[1]。

1无功补偿装置的分类

无功补偿装置可以分为早期无功补偿装置和现代无功补偿装置，主要包括并联电容器、同步调相机、饱和电抗器、静止无功补偿装置和静止同步补偿器等，其分类如图1所示[1,2]。

图1.无功补偿装置的分类

1.1并联电容器

并联电容器具有工作原理简单，安装、运行和维护方便的优点。但是，并联电容器只能向系统注入感性无功功率，其输出的无功功率不能平滑、连续的调节；而且它具有负电压效应，即当电网电压下降时，电容器输出的感性电流也跟着下降，其注入系统的感性无功功率骤降，导致电网电压下降等大，形成恶性循环。当电网电压出现畸变时，电容器还可能与系统内阻感发生并联谐振现象，烧毁电容器[1]。

1.2同步调相机

与并联电容器相比，同步调相机既可以补偿感性无功功率也可以补偿容性无功功率，并能平滑、连续调节补偿无功功率的大小。工作在过励磁状态时，向系统注入感性无功功率，提高公共接入点电压；工作在欠励磁状态时，向系统注入容性无功功率，降低公共接入点电压。可见，要想调节注入系统无功功率的大小及方向，只需调节同步调相机的励磁，即可使公共接入点的电压得到连续的调节，这是并联电容器无法做到的[2]。但同步调相机运行和维护不方便，也有很大的噪声和损耗，其较慢的响应速度无法满足快速无功补偿的要求。

1.3饱和电抗器

静止型的饱和电抗器比同步调相机响应速度快。但其铁芯磁化到饱和状态的过程中产生很大的损耗和噪声，同时非线性电路的存在使得它不能分相调节补偿负荷的不平衡。因而，饱和电抗器的发展受到限制[6]。

1.4静止无功补偿器

现阶段，我国应用最多、技术上最成熟的无功补偿装置为静止无功发生器（SVC）[3]。SVC包括TCR和TSC型静止无功补偿装置以及二者的混合补偿装置，还包括晶闸管控制电抗器与机械投切电容器或着固定电容器混合使用的补偿装置，如TCR+MSC、TCR+FC等，如图2所示。静止无功发生器向系统注入的无功功率是连续可调的，能够较好的稳定系统公共接入点的电压，具有很好的静态和动态补偿性能。但是，在公共接入点电压的波动超出一定的范围时，静止无功发生器表现出恒阻抗特性，补偿能力和补偿效果下降。并且采用相控原理工作的TCR在动态调节注入系统的无功功率时，也向系统注入了大量的谐波电流，影响了配电网的电能质量。

图2.SVC电路拓扑结构

1.5静止同步补偿器

由自换相电力电子变流器组成的静止同步补偿器是一种完全静止型的无功补偿装置，其中的自换相电力电子变流器又是由大功率电力电子器件(IGBT、GTO、IGCT等)组成的[1]，如图3所示。注入系统的电流不受系统电压的影响，与同步调相机的功能类似，也称静止调相器。它能够抑制系统的电压波动和闪变，维持公共接入点电压的稳定，从而达到动态补偿系统无功功率的目的。具有损耗小、响应速度快、启动无冲击、连续调节范围大的优点，动态性能较同步调相机优越[3]。

2静止同步补偿器的特点

与TSC、TCR等传统的SVC装置相比较，STATCOM装置无需大容量的电容器或者电抗器等储能元件，只需在直流侧安装小容量的电容器或者电抗器以维持STATCOM稳定运行。它具有调节速度快、运行范围广、体积小，而且暂态无功能力不受电容器容量的大小和系统电压高低的限制[1]，如图4所示，边界的实线表示无功电流的极值，虚线表示装置的暂态过载能力。通过采用多重化、多电平化或者PWM技术等措施以后可大大的减少补偿电流中的谐波分量，它所具有的优势显示了动态无功补偿装置的发展方向[4]。

图3.一种三电平STATCOM拓扑结构

3结束语

早期的电容器补偿装置和SVC补偿装置的应用范围依然比较广泛，但在自身损耗、补偿能力和响应速度等方面存在着诸多缺点。STATCOM动态无功补偿装置运用多电平与PWM技术有效补偿系统无功电流和谐波电流。因其反应迅速，谐波较低，具有较强的无功调节能力而受到国内外重视的科研课题。相比SVC等补偿装置，STATCOM使用的电抗器和电容器元件要小很多，极大地缩减了装置的体积和成本[5]。随着现代电力电子技术和社会的发展，满足节省占地面积的空间需要和电能质量的要求，大功率电力电子器件的相继问世，不同电压等级和补偿容量的STATCOM必将取代传统无功补偿装置。