魯偉靜，丁光彬，王鵬飛

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲056021）

近年來隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國人民生活和企業(yè)發(fā)展等對電力的需求也越來越大，對電能質(zhì)量的標準要求也越來越高。經(jīng)濟運行中的電力緊張狀況已經(jīng)成為發(fā)展的突出矛盾，在全國已經(jīng)達到了3000萬千瓦以上的電力缺口，同時形成的主干網(wǎng)架也存在問題，例如電網(wǎng)運行不穩(wěn)定，各個地區(qū)之間聯(lián)絡(luò)容量不充足，主干網(wǎng)架薄弱等等。以上種種原因制約了電力的輸送能力，同時也使電網(wǎng)運行的靈活性與可靠性降低。

現(xiàn)今，不論是水力發(fā)電、火力發(fā)電，還是核能發(fā)電，都是以犧牲環(huán)境和資源為代價的。水電站的運行破壞了江海河流的生態(tài)情況；火電站燃燒煤產(chǎn)生大量的二氧化碳和二氧化硫及粉塵，嚴重污染了空氣質(zhì)量，危害了附近生物和人類的身體健康。嚴重時導(dǎo)致酸雨和全球范圍內(nèi)溫室效應(yīng)的形成；核電站的廢料破壞了周邊環(huán)境，甚至人類的居住環(huán)境，核輻射對人類生態(tài)環(huán)境還有更多影響。我們應(yīng)當從自我做起節(jié)約用電，盡可能減少浪費，增加電能的利用率，減少電能損耗。

在經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護雙贏的前提下，我國政府和企業(yè)共同制定了新的電力發(fā)展目標，分別是提高電能的供應(yīng)量，提高電能的傳送能力，穩(wěn)定供電的電壓，節(jié)約電能，降低損耗，減少電力成本。

發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)為電力系統(tǒng)的4大部分，由于電能不能大量儲存，所以必須同時進行發(fā)電、輸電、配電和用電，也就是說電力系統(tǒng)必須保持一定的平衡。但是由于來自電能線路、電力變壓器和用電設(shè)備無功功率的大量存在，致使電力系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。在配電系統(tǒng)中，大量的異步電動機和變壓器等設(shè)備消耗了大量的無功功率，對配電網(wǎng)的平穩(wěn)安全運行產(chǎn)生了諸多影響：①線路中的供電電流增大，使線路和用電設(shè)備的損耗增加，甚至?xí){到設(shè)備的安全穩(wěn)定運行；②配電系統(tǒng)中的視在功率增大，使發(fā)電機和變壓器等用電設(shè)備的容量增加，導(dǎo)致電力用戶的各種控制設(shè)備和檢測儀表的規(guī)格相應(yīng)增大；③致使供電電壓降低。

所以，保持電力系統(tǒng)運行的平衡，有效解決配電系統(tǒng)中功率因數(shù)不斷降低的有效方法就是對電力網(wǎng)絡(luò)進行無功補償，充分利用電網(wǎng)中的電氣設(shè)備，提高功率因數(shù)。

1 無功補償技術(shù)研究的意義和作用

電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備都存在電容和電感。無功功率的概念是指維持電源和電氣設(shè)備的電容和電感之間進行的電磁能量交換必須的功率。由此可知，只要電力系統(tǒng)已經(jīng)形成，無功能量是不可避免的。同有功電源一樣，無功電壓是保證電力系統(tǒng)正常運行、電能質(zhì)量提高及降低電力網(wǎng)損耗必不可少的部分。在電力網(wǎng)中，無功功率要保持平衡，否則將會使系統(tǒng)的電壓下降，甚至?xí)斐呻姎庠O(shè)備的損壞，系統(tǒng)解列。

無功補償?shù)闹饕饔茫孩偬岣唠娏ο到y(tǒng)運行的穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)中電壓波動和變化，使系統(tǒng)的不平衡現(xiàn)象得到改善；②可以增加電力網(wǎng)中的有功功率比例；③減少發(fā)電設(shè)備和供電設(shè)備的設(shè)計容量，減少電力投資成本；④降低線路損耗，減少電力網(wǎng)的設(shè)計，減少投資。

2 無功補償?shù)脑?/h2>

在電力網(wǎng)中除了要負擔(dān)用電負荷的有功功率P，也要負擔(dān)負荷的無功功率Q和視在功率S三者之間存在以下關(guān)系：

補償無功功率的電路圖和向量圖見圖1。

圖1 補償無功功率的電路和向量圖

在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占了很大比例：異步電動機、變壓器等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器消耗的無功功率在電力網(wǎng)提供的無功功率中占有很高的比重。電力網(wǎng)中的電抗器和架空線等也需要消耗一些無功功率，而且，各種諧波源也要消耗一定的無功功率。阻感負載也可以看做電阻R與電感L串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為：

3 無功補償裝置的發(fā)展歷程

早期的無功補償裝置是調(diào)相機，而后并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、各種類型的SVC和新型靜止無功發(fā)生器開始廣泛采用。

3.1 同步調(diào)相機

作為電網(wǎng)中最早使用的無功補償裝置，又稱同步補償器，屬于有源補償器。調(diào)相機和同步發(fā)電機具有相同的工作原理，不產(chǎn)生有功功率只輸送無功電流。它在實質(zhì)上是一個被拖動到某一轉(zhuǎn)速下并與電力系統(tǒng)同步且空載運行的電動機。

調(diào)相機的工作狀態(tài)是通過調(diào)節(jié)激磁電流的大小來實現(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)。當激磁電流增大時，輸出的容性無功電流也增大。當激磁電流減小時，輸出的容性無功電流也隨之減小。所以，當激磁電流減小到接近零時，輸出無功電流也為零，繼而只有很少的無功電流用于彌補調(diào)相機的損耗。如果激磁電流繼續(xù)減少，則會輸出感性無功電流。當系統(tǒng)的電壓偏低時，過勵磁供給的無功功率將調(diào)高系統(tǒng)電壓，當系統(tǒng)的電壓偏高時，則欠勵磁會吸收系統(tǒng)多余的無功功率進而將電壓調(diào)低。

同步調(diào)相機可以對電力系統(tǒng)進行動態(tài)補償，但是屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運行時的損耗和噪聲比較大，維護也比較復(fù)雜，運營成本高，響應(yīng)的速度相對較慢，不適合快速變化的非線性負載要求。

3.2 并聯(lián)電容器補償

作為目前應(yīng)用最廣的一種無功補償方式，并聯(lián)補償?shù)碾妷旱燃壓脱a償容量可以通過串、并聯(lián)來實現(xiàn)，在理論上可以達到任何電壓等級和補償容量。由于沒有旋轉(zhuǎn)部件，因此無噪聲影響。同時隨著無功補償電容器技術(shù)的發(fā)展，高電壓等級的電容器損耗率已經(jīng)降至0.05%以下，同時自愈式電容器自身的自愈能力使其可靠性大大提高。

由于電容器的阻抗和頻率是成反比的，因此對于系統(tǒng)中的高次諧波呈低阻抗，同時由于諧波過量流入會引起電容器的過載運行，減少電容器的使用壽命。

并聯(lián)電容器的優(yōu)點是損耗小，投資少，可以自動投切，維護簡單，可以選擇容量大小，卻不能連續(xù)調(diào)節(jié)，由電容器的補償容量和電壓的關(guān)系式：QC＝w·CU2可得，當電壓下降時則無功輸出減小，故調(diào)壓效果下降。而且對電力系統(tǒng)中的高次諧波有放大作用，當諧波電流增大時，可能引起內(nèi)部過熱，甚至引起爆炸。

3.3 并聯(lián)電抗器

并聯(lián)電抗器主要用在33kV和330kV以上的超高壓系統(tǒng)線路上，主要作用是：吸收容性電流，補償容性無功，使電力系統(tǒng)達到無功平衡，削弱了電容效應(yīng)，限制工頻電壓升高及操作過電壓。容量固定的并聯(lián)電抗器的缺點是，當線路傳輸功率接近于自然功率時，會使線路電壓降低，而且造成附加有功損耗，如果將其撤掉，則線路在某些情況下可能失去補償而產(chǎn)生不允許的過電壓。

3.4 靜止無功補償器

在20世紀70年代出現(xiàn)了靜止無功補償技術(shù)，靜止無功補償器（SVC）是利用晶閘管作為固態(tài)開關(guān)來控制接入系統(tǒng)的電容器和電抗器的容量，提供可以變動的容性和感性的無功，來進行無功補償?shù)难b置。

目前市場上主要的靜態(tài)補償產(chǎn)品有晶閘管投切電容器（TSC），晶閘管控制電抗器（TCR），固定電容和晶閘管控制電抗器（FC+TCR）及混合型（TCR＋TSC）。

3.4.1 TSC無功補償裝置

TSC無功補償裝置是斷續(xù)可調(diào)的可發(fā)出無功功率的動態(tài)補償裝置。它由一對相反極性的并聯(lián)晶閘管與電容器及電抗器串聯(lián)而成。其電路原理及工作特性見圖2。

圖2 TSC無功補償裝置電路原理及工作特性

TSC的關(guān)鍵技術(shù)是如何選擇電容器的投切時刻，電容器組的最好投切時間應(yīng)是晶閘管兩端電壓為零的時刻，既電容器兩端電壓等于電源電壓時。TSC一般情況采取過零投切，采用過零投切時電路中的沖擊電流是零，為了使投切效果好，則必須對電容事先充電。

TSC的優(yōu)點是電容器只有投入和切除兩個狀態(tài)，所以不易產(chǎn)生諧波，但無功功率的補償量是跳躍的，大小等于單個電容器組的容量，且響應(yīng)的速度較差。在負荷產(chǎn)生諧波電流大的場合，TSC的運行是不可靠的，由于諧波的注入使得并聯(lián)電容器出現(xiàn)過流、過壓及過熱情況，從而導(dǎo)致電容器擊穿等事件。

3.4.2 TCR無功補償裝置

TCR無功補償裝置是由一對相反極性的并聯(lián)晶閘管和一個電抗器串聯(lián)組成。其電路原理圖和電流波形圖見圖3。

圖3 TCR無功補償裝置電路原理和電流波形

TCR無功補償裝置相當于交流調(diào)壓器電路中接電感性負載，在此電路中的有效移相范圍為90°～180°。當觸發(fā)角為90°時，晶閘管全部導(dǎo)通，同時導(dǎo)通角為180°，此時的電抗器吸收無功電流達到最大值。根據(jù)觸發(fā)角與補償器導(dǎo)納之間的關(guān)系得：增加觸發(fā)角可以增加補償器的等效導(dǎo)納，這樣就可以減少補償電流的基波分量。所以可以調(diào)整觸發(fā)角的大小來改變補償器所吸收的無功分量，從而調(diào)整無功功率。

TCR的響應(yīng)時間小于半個周期，可以連續(xù)吸收無功功率，但其電流中存在諧波，有功功率損耗，補償器的體積較大，成本也較高。并且單獨的TCR不能發(fā)出無功功率，所以可以將并聯(lián)電容器與TCR配合構(gòu)成無功補償器。

3.4.3 FC＋TCR型補償器

FC＋TCR型補償器由不可控電容器與TCR并聯(lián)而成，原理圖見圖4。

FC＋TCR型補償器的電容器的容量是負載所需要的無功總量，電感為可變電感?？梢酝ㄟ^控制調(diào)節(jié)雙向晶閘管的導(dǎo)通角，即可向系統(tǒng)輸送容性或感性的無功功率。當導(dǎo)通角為零時，晶閘管全部導(dǎo)通，電感支路變?yōu)橐粋€純電感，消耗最大無功功率值，補償器向系統(tǒng)輸出了最小的無功功率值。增大導(dǎo)通角，則電感支路中的電流減小，電感吸收的無功功率隨之減小，補償器輸出的無功功率增加。當導(dǎo)通角為90°時，電感支路則相當于斷開，吸收無功，為零時補償器輸出最大無功功率。FC＋TCR型補償器的響應(yīng)時間小于半個周期，靈活性比較大，而且可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率的輸出，但輸出電流中含有較多的高次諧波，而且電抗器的體積較大，成本較高。

圖4 FC+TCR型補償器原理

3.4.4 TCR＋TSC混合型

TCR＋TSC無功補償裝置是使用幾組電容器和一組晶閘管相控電抗組成的，見圖5。

圖5 TCR＋TSC混合型原理

基本運行原理是：如果系統(tǒng)的電壓低于設(shè)定的運行電壓時，則根據(jù)需要補償?shù)娜菪詿o功量來投入適當?shù)碾娙萜鹘M數(shù)，并略有過補償，此時用晶閘管相控電抗器的感性無功功率來抵消這部分的過補償容性無功功率，而當系統(tǒng)電壓高于設(shè)定的運行電壓時，則要切除所有的電容器組，TCR＋TSC無功補償裝置此時只有TCR工作。

3.4.5 靜止無功發(fā)生器

靜止無功發(fā)生器也稱為靜止同步補償器（SVG），是在20世紀80年代出現(xiàn)的靜止無功補償裝置。它由直流電容、電壓型變流器和與系統(tǒng)連接的變壓器構(gòu)成，原理圖見圖6。

圖6 靜止無功發(fā)生器原理

SVG中6個可關(guān)斷晶閘管分別與6個二極管反向并聯(lián)，控制其晶閘管通斷，可把電容器上的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，裝置的交流側(cè)通過電抗器或變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)中。與SVC相比，SVG的響應(yīng)速度更快，運行的范圍更寬，諧波的電流含量也更小，尤為重要的是，電壓較低時，SVG可向系統(tǒng)注入較大的無功電流。在穩(wěn)態(tài)情況下，SVG的直流側(cè)和交流側(cè)之間沒有有功功率交換，無功功率在三相之間不斷流動，因此它的直流儲能元件（電容器）只需要較小的容量電容即可。

綜上所述，我們可以得出各個無功補償方法的優(yōu)缺點，同步調(diào)相機（SC）響應(yīng)速度較慢，連續(xù)吸收無功功率，控制簡單，沒有諧波電流，分相調(diào)節(jié)有限，損耗和噪聲比較大。晶閘管控制電抗器（TCR或FC＋TCR）響應(yīng)的速度較快，也能夠連續(xù)吸收無功功率，控制較為簡單，諧波電流大，可以進行分相調(diào)節(jié)，損耗中等，噪聲比較小。晶閘管投切電容器（TSC）響應(yīng)速度比較快，分級吸收無功功率，控制較為簡單，沒有諧波電流，分相調(diào)節(jié)有限，損耗和噪聲都比較小?；旌闲停═CR＋TSC）的響應(yīng)速度較快，能夠連續(xù)吸收無功，控制較簡單，諧波電流大，可以分相調(diào)節(jié)，損耗和噪聲比較小。靜止無功發(fā)生器（SVG）的響應(yīng)速度快，連續(xù)吸收無功功率，控制復(fù)雜，諧波電流小，可以分相調(diào)節(jié)，損耗和噪聲都很小。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和SVC應(yīng)用的不斷普及，國際上SVC的生產(chǎn)和技術(shù)已經(jīng)基本成熟，特別是光觸發(fā)晶閘管等新型器件的應(yīng)用，進一步提高其可靠性。計算機控制系的進一步應(yīng)用和瞬時無功功率理論的引入，也提高了其控制的精度和響應(yīng)速度。單個晶閘管器件耐壓和功率不斷提高，則使SVC向著更為緊湊的方向發(fā)展。

4 結(jié)語

由不同時期出現(xiàn)的無功補償裝置，同步調(diào)相機由于自身不足，正在逐漸被其他無功補償?shù)姆绞剿〈?。從總的無功補償?shù)娜萘可峡?，并?lián)電容器補償仍是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中主要的無功補償方式。并聯(lián)電抗器主要用在輸電系統(tǒng)中。SVC無功補償已經(jīng)形成了比較成熟的技術(shù)方案，所以在輸配電系統(tǒng)中可以發(fā)揮很好的應(yīng)用。它在提高電網(wǎng)穩(wěn)定性及改善配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量等方面發(fā)揮了重要作用，因此現(xiàn)在的研究重點是研制可靠性高、大容量的SVC。而新型的無功補償裝置（SVG）具有響應(yīng)速度快，吸收無功連續(xù)，產(chǎn)生的高次諧波量小等優(yōu)點，代表了無功補償技術(shù)的發(fā)展方向。所以在大容量無功補償領(lǐng)域中，SVG性價比有待進一步提高，這樣才能拓寬市場前景。

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