无功补偿技术综述

蔡宁建

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内容摘要

无功功率对电网的影响很大。它不仅降低了电网的电压，影响了电压的稳定，而且增加了输配电线路的有功功率和电能损耗，造成了大量的电能浪费，因此，对系统进行功率补偿，降低了输电线路的无功电流，因此系统的功率平衡问题一直是电力行业研究的重点。

关键词：无功功率补偿；静止无功补偿发生器；静止无功补偿器；有源滤波器

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1  绪论

1.1  课题的背景及意义

现代电力系统自带大量变压器、异步电动机之类的设备，它们在运行过程中离不开庞大无功功率的支持。倘若无法第一时间补偿被消耗的无功功率，那么必定严重干扰整个电力系统的安全稳定性。一方面，超出合理水平的无功功率会带来更大的电流，在威胁设备安全性的同时，还会加剧线路与设备的损耗程度；另一方面，实际功率与电流的上升会赋予变压器、发电器等电气设备更大的容量，这样一来就必须适当提高测量仪表、启动装置等设备的规格尺寸，严重影响电力系统的运行成本。

1.2  无功补偿技术的发展

无功补偿是目前电网中最常用的供电技术之一，其主要作用是提升电力系统的功率因数和供电效率，避免输电线路与供电变压器过度损耗，营造良好的供电条件。

1. 同步调相机

早期的无功补偿装置以同步调相机为典型代表，它相当于空载运行的同步电动机，在过励磁运行时，会持续将感性无功功率传递给电网，相当于一个无功电源；在欠励磁状态下，同步调相机会持续获取电网中的感性功率，发挥类似于无功负荷的效果。同步调相机依托于自动励磁调节装置，不仅能参考对应位置的电压数值来自动调节无功功率和电压，而且能赋予电力系统更强的运行稳定性。不过作为一种旋转设备，同步调相机在运行过程中会大量耗费有功功率，相当于总容量的1.5%至5%左右。而且同步调相机的总容量如果不大，那么就会产生高昂的平均投资成本，因此同步调相机通常采取集中安装方式。截止当前，同步调相机还是被广泛应用于无功补偿方面，且依托于日新月异的电力技术，实现了自身控制性能的显著提升。

2. 电容器

将并联电容器安装于电网中，可以有效提升容性负载，起到吸收电网的容性无功功率的作用，从另一个角度来看就是在生成感性无功功率，可以很好地补偿感性负荷与线路的无功功率。如果选择并联电容器这种无功补偿方式，那么无论是前期投资还是后期维护成本都不高，同时表现出补偿高效、损耗不大、便于安装测试等优点，支持单独安装或者几种安装。从现状来审视，并联电容器满足了全球电网九成左右的无功补偿需求。不过并联电容器生成的无功功率会随着所处节点电压的平方变化(Qc=V2/Xc)，如果节点电压不足，需要增加无功功率时，那么并联电容器生成的无功功率很难达到预期水平。简单来说，如果电力系统的电压出现变化，那么并联电容器就很难实现预期补偿作用。

3. 并联电抗器

并联电抗器同样是一种常见的无功补偿装置，主要起到吸收电网的多余容性无功功率、生成感性无功功率的作用，能有效解决电网起初输送功率不足和后续轻负荷情况下的问题。在这两种情形中，电网上存在的感性无功功率不足，同时在导线电容效应的影响下，电网会生成超过感性无功功率的容性无功功率，此时如果想确保电网电压正常，就得维持感性与容性无功功率的一致性，不然电网电压就会大幅上升，严重威胁电网的安全性。

4. 无功补偿器

静止无功补偿器简称SVC，被誉为第二代无功补偿装置，目前已成为我国电网中最常见的负载无功补偿、波阻补偿以及长距离分段补偿装置[6]。其典型代表是固定电容器+ 晶闸管控制电抗器 ( Fixed Ca-pacitor + Thyristor Controlled- Reactor- - FC+TCR) 、晶闸管投切电容器 ( Thyristor Switching Capaci-tor- - TSC) 及晶闸管投切电抗器( Thyristor ControlReactor- TCR) 。

2  基于柔性交流输电系统(FACTS)的无功补偿技术

在目前的电网中，大部分的用电设备，输、配电、配电用电设备都是感应性的，可以吸收大量的无功电能，在运行过程中保证其功能始终由电网提供，可见一斑。电网输出的能量是恒定的，正常情况下能量很小，元气也会减少，这是我们不希望看到的。因此，需要将合适的无功电源安装在电网中，利用前者产生的感应功率确保用电设备得到充足的无功功率。

柔性交流输电系统简称FACTS，是一种诞生于电力电子技术进步并受到普遍青睐的技术。从现在来看，静止无功补偿器正是一种比较常见的、以FACTS技术为核心的无功补偿装置。

市面上的SVC通常表现为下述类型：其一是固定电容加晶闸管控制电抗器型，简称FC+TCR型；其二是晶闸管开关电容器型，简称TSC型；其三是饱和电抗器型，简称SR型；其四是混合型，简称TCR+TSC型。

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3  基于全控器件的无功补偿技术

3.1  静止无功发生器(SVG)

静止无功发生器（Svg）又称先进静止无功补偿器（asVC）或静止无功补偿器（STATCOM），是一种用于自换相功率半导体桥式变流器的动态无功补偿装置。

静态变量发生器是动态补偿器，对无功电流的实时检测提出了很高的要求。 反应电流检测是保证补偿器性能的一项重要技术，快速、准确、灵活的无功电流检测直接影响SVG的跟踪、补偿特性和应用范围。

3.2  有源滤波器(APF)

与无源滤波器相比，有源滤波器是具有更好动态性能的有源补偿器件。 近年来，有源电力滤波器成为电力电子领域的研究热点。 目前，日本、美国等采用有源电力滤波器技术，适用于工业化国家。 多个工业设备正在运行，设备的最大容量可以达到60 mV，我国对有源电力滤波器的研究还处于起步阶段。

有源电力滤波器的主电路种类很多，分类方法也很多，根据电力系统应用的需要，一般可分为三相三线结构和三相四线结构，三相三线和三相四线还有很多其他的结。下面简要介绍可以根据电力系统的实际情况选择的特点、优势和劣势。

由于很多负载只有三相三线制接线，因此此类负载的有源电力滤波器只需使用三相三线制主电路即可。目前很多功率开关模块都采用三相三臂结构制造，因此实现三相三线主电路结构非常方便。

有源电力滤波器的主电路种类很多，分类方法也很多。根据电力系统应用的需要，一般可分为三相三线结构和三相四线结构，三相三线和三相四线还有很多其他的结构，下面简单介绍一下，指出其特点、优缺点，可根据电力系统的实际情况进行选择。

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4  结   论

无功补偿对确保电网的安全性、稳定性以及经济性有着重要作用。倘若无法第一时间补偿被消耗的无功功率，那么必定严重降低电力系统的供电品质，干扰整个电力系统的安全稳定性，造成电网的传输容量、负载以及系统功率因数下降，并带来更显著的功率与容量损耗。

参考文献

[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社，2018

[2]刘淑敏，李奎文，刘辉等. 无功补偿装置的选择. 电气传动，2020，(4)：61～64

[3]孙茂船，周建春，李伟等. 新型动态无功补偿装置研究及应用. 港口装卸，2021，23(3)：19～21

[4]刘黎明，刘涤尘，史进，等. 智能式动态无功补偿装置的研究. 电力自动化设备，2019，22(8)：28～31

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