電力系統無功補償技術的應用與發展

徐 靖

（海軍駐711研究所軍代表室，上海 201108）

0 引 言

現代船舶電力系統面臨著如何最大限度地發揮輸電線路的設計容量以及提高系統運行穩定性兩大問題[1]。隨著電力電子技術的發展，非線性負載的沖擊性和不平衡性使電網的無功損耗增加以及受電端電壓下降，大量的無功功率在電網中的傳輸使電能利用率大大降低，且嚴重影響供電質量。

在電力系統中，大多數網絡元件和負載都要消耗無功功率，當無功功率供給不足時，將導致電流增大和供電設備的視在功率增大，造成電力用戶的啟動及控制設備、測量儀表的尺寸和規格增大，設備及線路損耗增加，變壓器及線路壓降增大，電網電壓波動。因此無功功率對供電系統和負載的運行都是十分重要的。

1 無功功率補償的作用

無功補償的作用主要有以下幾方面：

1) 提高供電系統及負載的功率因數，降低設備容量和減少功率損耗；

2) 穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。在長距離輸電線中的合適點設置動態無功補償裝置，可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力；

3) 在三相負載不對稱的場合，通過適當的無功補償可以平衡三相負載。

2 無功補償方法

目前，常用的補償方法包括采用同步發電機、同步電動機、同步調相機、并聯電容器、靜止無功補償裝置和靜止無功發生器（SVG）等。其中前3種已逐漸被電容器及新型的SVC和SVG所取代。其中SVG以其優良的補償性能已受到越來越廣泛的重視。

同步發電機[2,3]是較早應用的無功補償設備之一，其工作原理是通過調整勵磁電流，使發電機在超前的功率因數下運行，同時輸出有功功率和無功功率。同步調相機是在同步電動機不帶負載運行時專門向電網提供無功功率。但由于其效率低下，已逐漸被新型補償裝置所取代。

并聯電容是繼同步發電機之后的一種較實用的無功補償方法[4]。其原理是給感性電路并聯電容 C，使電壓相量U與電流相量I之間的相位差變小，整個回路的功率因數得到提高。補償容量與供電電壓的平方成正比是并聯電容器的缺點，更為嚴重的是與諧波之間的相互影響：

1) 諧波電流疊加在基波電流上，使電容溫升增加，引起過熱而降低電容的使用壽命；

2) 并聯電容對諧波的放大不僅造成其本身的損害，且危及電網中的其他設備，影響電網的正常運行。

電力電子技術的迅速發展，使得經濟而有效的可控硅串、并聯無功補償裝置得以應用[5,6]。SVC作為新型的并聯補償裝置，從20世紀60年代后期發展起來，1967年英國制成了第一批自飽和電抗器型靜止無功補償裝置。此后，1977年靜態無功補償器首次被應用于115kV的電網[7]，有效彌補了老式補償裝置的不足。SVC具有半導體控制投切電容（TSC）和可控電抗器（TCR）兩種結構。

1) TSC無功補償裝置[8]，見圖1。主回路有多臺電容器并聯，根據所需無功電流的大小來決定投入電容的數量和補償電流大小來滿足下面關系式：

式中：第j臺電容未投入時 Kj= 0 ；第j臺電容投入時 Kj= 1 。 Icj為第j臺電容補償電流。

圖1 TSC主回路

由于TSC的響應時間小于半周波，補償電流中不含諧波，因此，在高壓集中補償和低壓就地補償中都有使用。但是，由式(1)分析可知，TSC的無功調節是有級的，為適應動態補償的需要級差必須足夠小，而要在保證級差的條件下增加補償總容量就必須增加電容器數量。

2) TCR無功補償裝置[9]，見圖2。TCR為并聯型無功補償裝置，圖中，IcL——電抗器電流， Icc——電容器電流，滿足電流關系式：

圖2 TCR主回路

由主回路可知，控制雙向晶閘管的導通角，可以控制電抗器電流 IcL。當IcL=- Icc時，補償電流為0；當 IcL為0時補償電流最大。TCR的響應時間小于半周波，可連續調節無功輸出。但其電流中有諧波，因為容性無功電流的變化是借助改變電流導通角實現的，且電抗器體積大，使整個裝置的成本、體積增加。

通常將TSC與TCR混合使用[10]，這樣即可以解決單獨使用TSC時無法產生連續補償電流的問題，又可以解決在進行大容量補償時單獨使用 TCR裝置體積過大的問題。再則，兩者混合使用可同時補償感性無功和容性無功。另外，TCR還常常與電容器并聯使用，因為TCR本身要消耗無功，并聯電容后可以在電網正常工作情況下，減小總的無功消耗。該方法也可以同時補償感性無功和容性無功。

然而，隨著電網中對補償容量的需求不斷增加，SVC的缺點也逐漸顯現出來。SVC裝置需要電抗或電容作為主要工作元件，為補償0～100%容量變化的無功功率，就需要100%容量的電容器和超過100%容量的晶閘管控制電抗器，當補償容量增加時，就要增加元件的個數或容量，銅和鐵的消耗很大，導致設備線路復雜，成本高，體積大。同時，使用SVC如想達到連續調節容性和感性無功的話，要將TCR與TSC混合使用，這在一定程度上也影響了設備的小型化，簡單化。另外，SVC內部的電力電子開關元件多為晶閘管。晶閘管在導通期間處于失控狀態，這使 SVC每步補償時間間隔至少約達工頻的半個周期。當被補償的負荷為急劇波動性負荷時，常用的SVC無法快速響應。

隨著可關斷晶閘管的出現， SVG[2,11]以其特有的優勢受到了廣泛的關注。SVG的電路結構與有源電力濾波器類似，為自換相橋式電路。其工作原理是將自換相橋式電路通過電抗器或直接并聯到電網上，適當調節其交流側輸出電壓的相位和幅值，或直接控制交流側電流，就可以使該電路吸收或發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償。SVG有全新的補償工作原理，與以 TCR型為代表的 SVC裝置相比，SVG的調節速度更快，運行范圍寬，而且在采取多重化、多電平或脈沖寬度調制（PWM）技術等措施后可大大減少補償電流中諧波的含量。更重要的是，在對稱三相電路中不需要電感器或電容器就能按人們的意愿產生感性或容性無功功率，大大減小了設備的體積和成本，且補償數量連續可調，調節性能優于現有的其他無功設備。

SVG通常由多組電壓源型逆變器構成。SVG裝置在大功率應用場合中，所用的開關器件是門極可關斷晶閘管（GTO），構成的逆變器具有較高的耐壓值。而目前，中低壓領域的主流器件是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），其單管耐壓值低于GTO，但具有高開關速度，適于應用PWM控制技術，補償性能更好，隨著大功率IGBT的研制以及多器件串聯應用技術的開發，由IGBT為主的補償電路將得到更廣泛的應用。

SVG的可控輸出電壓0V與系統電壓LU 同相，當輸出電壓大于系統電壓時發出無功功率，當輸出電壓小于系統電壓時則可吸收無功功率。這種原理與旋轉同步調相機相似，因此 SVG也被稱為靜止同步調相器（STATCOM或STATCON）。單組逆變器的輸出電壓為矩形波，多組逆變器的組合則可輸出接近于正弦波的電壓波形。在GTO的門極端上可在任意時刻加入適當的控制信號，使GTO由導通向關斷或由關斷向導通轉換，從而使 SVG隨著無功功率的變化迅速改變其輸出無功功率，以達到抑制電壓閃變的目的，見圖3。

圖3 大功率單組三相式六脈沖逆變器原理

3 發展趨勢

當前，電力系統無功補償技術的發展如下：

1) 新型信息檢測和信號處理技術的應用。目前，廣義瞬時無功功率檢測方法由于在電網電壓不對稱或畸變的情況下，仍能精確地分離出基波正序瞬時無功電流和不對稱及高次諧波瞬時無功功率電流，并對它們進行有選擇性的補償或完全補償，受到人們的廣泛關注。基于電力系統存在數據多、數據類型混雜、數據質量差而同時系統又要求根據數據作出快速準確的反應等特點，數據挖掘和粗糙集技術已經得到電力行業廣泛的重視[12~14]，并已開始應用于電力系統海量數據的處理和重要信息的獲取。

2) 隨著計算機技術的飛速發展，先進的控制器、控制理論和控制方法將在無功補償裝置中得到應用。新型的數字化處理器將提高數據采集、處理的實時性和精度，先進的控制理論，以及控制方法將增強補償系統的效率和可靠性[15]。

3) 提高電力電子器件性能[16]。電力電子器件的性能，直接影響無功補償裝置的效果。應從材料、工藝、技術等方面入手，加大力度提升全控型和半控型電力電子器件的性能。尤其是國內薄弱的全控型電力電子器件，這方面的突破必然為無功補償技術帶來質的飛躍。

4) 船舶電網無功補償技術應用。由于船舶電力系統總體容量較小，負載類型較少，其無功主要靠發電設備自身進行小幅度調整，很少專門配備無功補償裝置。而隨著船舶電網容量的不斷增大、存在無功需求的負載不斷增多，尤其是電力推進新型船舶及相應的綜合電力系統技術[17]的應用，都對船舶電網無功補償性能提出了新的要求[18,19]。船舶電力系統無功補償技術研究勢在必行。

4 結 語

隨著陸地到船舶應用領域的不斷拓展，以及計算機科學、電力電子技術、控制理論和數學等研究工具的不斷推陳出新，電力系統的無功補償技術也將不斷發展、完善。更多的有效方法將在今后的工業生產和人們的日常生活中得到應用。

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