電網無功補償技術研究現狀分析

田一淳

（1.湖北省微電網工程技術研究中心（三峽大學），湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

隨著人們日常生產生活質量的提高和工業的飛速發展，電力系統中非線性設備日益增多，降低了電力系統的可靠性、穩定性以及負載和電網的功率因數。系統中傳送的能量有一大部分不會被負載消耗，而是在輸電線路中來回輸送，使輸電線路起始端形成了較大的電壓降，導致負載端電壓不足而影響供電質量。因此，提高功率因數，對電網進行及時、動態的無功補償，是當前電力行業面臨的重大研究課題。

目前，無功補償裝置主要是同步調相機、機械投切的并聯電容器組和大容量SVC。同步調相機運行時損耗和噪聲較大，維護較為繁瑣，響應速度較慢，不能滿足目前電網快速動態補償需求[1]。并聯電容器組雖然較為靈活且可以直接用在高壓電網中，但是其阻抗值是固定的，不能對電網進行動態的無功補償。SVC本身是一項諧波源，雖然補償了系統中的無功功率，但是本身也產生了諧波污染，還要啟用濾波器，增加了投入。

本文主要分析總結了電力系統目前的一些無功補償技術，對無功補償技術進行分析和研究，對比它們的利弊，并展望了今后電網的無功補償技術研究及發展[2-3]。

1 電網無功補償的原理及意義

1.1 無功功率及無功補償的基本概念

電力系統是由發電、變電、輸電、配電和用電等環節組成的電能生產與消費系統。在電力系統中，不只有有功功率維持系統中用電設備的正常運行，無功功率同樣有維持系統穩定的重要作用。有功功率主要表示將電能轉化為其他形式能的速率，而無功功率在有功功率的傳輸過程中通過電磁原件建立和維持電氣設備的磁場，完成電磁能量的相互轉換。很多負載不僅要消耗有功功率，還需要消耗無功功率，以維持它們正常工作必需的交變磁場。因此，無功功率為能量的傳輸、轉換創造了必要條件[4]。

電網中的一些感性負載所需的無功功率一定要從電網的某處獲得。如果它們需要的無功功率僅僅由發電機產生，再經過遠距離輸送到所需要的位置是不現實的。為了避免遠距離輸送無功功率，要在需要無功功率的點產生無功功率，對其進行就地無功補償。

1.2 電網無功補償的原理

無功補償技術的原理是將事先通過計算確定好容量的容性功率的負載并聯在具有感性功率的負載兩端，這樣容性負載產生的無功功率就可以補償感性負載產生的無功功率，實現電能在兩種負荷之間來回的轉換，提高功率因數。

電力系統中，用電設備的正常工作既需要電源提供有功功率，也需要電源提供無功功率來維持。在實際的電力系統中，發電機等輸出設備無法向負載提供足夠的無功功率。為了保證廣大用戶對無功功率的需求，同時能使電網中的設備能在額定情況下正常工作，需要在無功功率不足的地方增添無功補償設備進行就地補償[5]。圖1為電容補償原理圖。

1.3 電網無功補償的意義

1.3.1 可以改善電能質量

在電網中合理選擇無功補償點并配置合適的容量，與供電電壓質量有密不可分的聯系。因為越靠近線路的末端，線路中的非線性設備越多，因此無功補償裝置安裝在線路末端靠近負載的位置，補償效果明顯。

圖1 電容補償原理圖

1.3.2 降低了電網設備的功率損耗

將無功補償裝置連在電網中，它產生的無功功率會被感性負載吸收，那么由電源端向感性負載輸出的無功功率就會減少。由公式（其中cosΦ為補償后的功率因數，cosθ為補償前的功率因數）可知，當輸出的有功功率為一定值時，安裝無功補償裝置后，電網的功率因數會得到提高，則電路損耗的有功功率會隨之降低。所以，在電網中安裝無功功率補償裝置會降低電網設備的功率損耗，節省能源，減少投資。

1.3.3 提高智能電力設備的供電能力

無功補償裝置可以提高設備的功率因數，若設備的現有功率為一定值，則設備輸出的有功功率會得到提高，這樣可以有效提高輸出設備的供電能力。所以，在電網中增加無功補償裝置會提高電力設備的供電能力，同時也會發掘電力設備的供電潛力[6-8]。

2 電網無功補償的原則

電網無功補償方式主要有集中補償、分散補償和就地補償三種，其中就地補償方式最好，可以不斷降低網損[9]。文獻[10]提出無功補償應該以集中和就地分散補償相結合，以分散補償為主；高、低壓補償相結合，以低壓為主；調壓與降損相結合，以降損為主。

2.1 無功功率平衡原則

為了改善電能質量，降低功率損耗，應該盡量避免通過輸電線路長距離傳輸無功功率到所需的位置。在負荷最大和最小運行方式下，要做到無功功率的分（電壓）層分（供電）區平衡，還要考慮設備檢修和故障時的情況。因此，要作出設備檢修或者故障情況下無功功率的預算值，提前準備好相應措施，保證電網在設備出現故障時不會出現無功功率供應不足的情況。

2.2 無功補償裝置的配置原則

應該盡量將無功補償裝置集中配置[11]，以便及時管理和檢修補償裝置。對于并聯電容器可以相對分散配置，但是太過于分散也會給管理和檢修帶來麻煩，需具體問題具體分析。

2.3 變電站無功補償的原則

對變電站的無功補償主要是滿足配電變壓器對無功功率容量的需求，具體的補償原則可參照以下內容進行合理補償。

2.3.1 中壓（10 kV）電網的無功補償原則

中低壓電網的無功補償應采取高壓集中補償、低壓個別補償以及動態無功補償[12]。優先考慮在配電變壓器的低電壓側集中補償配置，再考慮在高壓側進行分散補償作為輔助。一般配置并聯電容器來提高功率因數。并聯電容器的容量一般可以按照主變壓器容量的20%～40%進行配置。

2.3.2 中高壓（35～110 kV）電網的無功補償原則

在35～110 kV電網中，線路中的輸送負荷一般會大于自然功率，電網呈感性，所以應在相關變電站分散配置容性補償裝置，容量可以按照主變壓器容量的15%～30%配置。

2.3.3 220 kV電網的無功補償原則

在220 kV電網中，電網的網架不強時，變壓器為感性，電網呈感性，因此變電站的容性無功補償主要以補償主變壓器無功損耗為主，容量一般按照主變壓器容量的10%～25%配置。網架相對較強的網絡，其波谷與波峰相差較大。當電網為高峰負荷時，線路輸送的負荷和變壓器消耗的無功功率都很大，系統中感性無功增多，所以應在線路中接入并聯電容器等容性補償裝置進行補償，提高功率因數。當電網為低谷負荷時，線路輸送的負荷變小，電網呈容性，可以將電壓偏高的變壓器兩端的電容器退出。

2.3.4 330 kV及以上電壓電網的無功補償原則

在330 kV及以上變電站，既需要容性補償又需要感性補償。容性無功補償容量應按照主變壓器容量的10%～20%配置。而在電壓330 kV及以上的網絡中，線路輸送的實際功率小于線路的自然功率，所以應適當配置并聯電抗器進行感性補償，補償超高壓輸電線路的剩余充電功率。

3 無功補償的幾種設備及其工作原理

3.1 同步調相機

如圖2所示，同步調相機也稱同步補償機，本質是一個發出無功功率的發電機。它通過同步發電機向電網輸送無功功率來補償電網中設備消耗的無功功率。所以，同步調相機相當于一個不帶機械負載的同步電動機。它只發出無功功率，不發出有功功率。同步調相機發出的無功功率的大小及性質，可以通過調整勵磁電流大小來調節。如圖3所示，電流欠勵磁時，電流滯后電壓90°，向電網吸收感性功率，可降低系統電壓，此時同步調相機作用相當于電感；過勵磁時，電流超前電壓90°，此時同步調相機起到了電容的作用，發出感性無功功率[13]，可提高系統電壓，有利于電網的穩定性[14]。同步調相機在早期被廣泛應用。

但是，同步調相機有旋轉部件，所以其在工作時設備處于旋轉狀態。當設備出現故障時，對它的維護和檢修存在一定困難。它工作時會產生很大噪音，響應速度較慢，無法滿足電網迅速、動態補償的需求。此外，小容量同步調相機的單位容量成本較高，而一般同步調相機的容量一般較大。因此，隨著電力電子技術的發展，同步調相機逐步被淘汰了。

圖2 同步調相機實物圖

圖3 同步調相機電流過勵和欠勵向量圖

3.2 并聯電容器補償

并聯電容器在早期電網中十分常見，因為其經濟實用、結構簡單、維護方便且沒有轉子，如圖4所示。它的工作原理是在負載兩端發出容性無功來補償兩側的感性無功，提高回路的功率因數，降低網損，如圖5所示。通過對補償對象的測量，確定所需要的電容器容量，再來確定要投入的電容器組數。由于控制電容器投入、切除的是機械開關，所以很難準確判斷投切電容器的時刻。并聯電容器一般設有投切延時功能，所以當電網無功不足時，最好在高峰負荷到來前將電容器并聯到負載兩端，才能有效避免負載端電壓不足，因此不能滿足快速、準確地對電網進行無功補償需求。

圖4 并聯電容器實物圖

并聯電容器的機械開關不宜頻繁切換，因為其合閘涌流很大，有時甚至能達到補償電容器額定電流的幾十倍甚至上百倍。在開關斷開時，它還會產生弧光，且運行時的噪音較大，因此頻繁投切會縮短并聯電容器的壽命。所以，并聯電容器僅適用于負載較穩定的系統。

圖5 并聯電容器基本原理圖

3.3 并聯電抗器補償

如圖6所示，并聯電抗器用于吸收線路中過剩的無功功率的設備，可以避免高壓電網的電壓過高。并聯電抗器可以直接接入超高壓線路或母線中，吸收的無功功率QL與其所在線路的電壓U的關系為QL=U2/XL，其中XL表示并聯電抗器的感抗。

圖6 并聯電抗器實物圖

在當今電力系統中，并聯電抗器應用廣泛。它可以與超高壓線路直接相接，起到限制高壓線路上的過電壓的作用，有利于單項重合閘[15]。由于超高壓輸電線路很長，那么空載長線電容效應則會引起線路電壓的升高。特別是單端電源供電的空載導線發生接地故障時，應待故障處電弧熄滅后再重合該相。但是，由于發生短路故障時，會由于短路電流的互感效應而使潛供電流在短時間內難以消除。若在線路上并聯一個三相Y型電抗器，且其中性點經小電抗器接地，就可以限制并消除單相接地處的潛供電流，使電弧熄滅，有利于重合閘成功。高壓三相電抗器的損耗較小但造價高，而適用于低壓側的并聯電抗器的造價低，易于操作。

3.4 靜止無功補償裝置（SVC）

目前，靜止無功補償器是我國高壓電網中性能比較優良且發展前景較好的一種無功補償裝置。靜止無功補償裝置被定義為并聯連接的無功靜止發生器或吸收器，其輸出的電流既可以為容性，也可以為感性，以此維持系統中的一些特定參數。因此，SVC有很多不同結構，其中最常用的是晶閘管投切電容器型（TSC）、晶閘管控制電抗器型（TCR）和飽和電抗器型（SR）。

SVC調節速度很快，能夠適應目前電網迅速、動態的補償要求，且其組成部件中不含有轉子，所以運行維護量較小。相比于其他無功補償器來說，它的可靠性也較高，但是損耗較大，產生諧波較多[16]。

3.4.1 晶閘管投切電容型（TSC型）

TSC型補償器是一組并聯型裝置，主要由并聯的電容器、雙向導通晶閘管以及一個限流電抗器構成，如圖7所示。每一個并聯的電容器都與一組反向并聯的晶閘管串聯，由雙向晶閘管控制支路的通斷。它的性能優良，可以實現自動控制所要投入的電容器的組數，實物圖如圖8所示。投入的電容器的組數取決于所需要補償的無功電流和無功電壓。為了防止電容器充電瞬間涌浪電流的出現[17]，一般會在每一條支路接入一個限流電抗器。限流電抗器也可以通過與電容器的參數搭配，避免與交流電抗在特定頻率發生諧振。

圖7 TSC原理圖

圖8 雙向晶閘管實物圖

當TSC向系統中發出容性功率即TSC處在投入狀態下時，雙向晶閘管之一導通，電容工作，向系統補償無功功率；當TSC不發出功率時，說明雙向晶閘管均處于阻斷狀態，此時TSC處于斷開態。

由于雙向晶閘管可以方便地控制關閉和導通，所以TSC具有調節速度快、有功損耗較小的優點。TSC裝置因為晶閘管的耐壓程度有限，所以經常被用于低壓系統。在高壓系統中，它需要多個晶閘管級聯，會增加成本，所以經常與變壓器配合使用[18]。

3.4.2 晶閘管控制電抗型（TCR）

TCR型補償器同樣是一組并聯型裝置，主要由雙向導通晶閘管與電抗器串聯構成的支路組成，如圖9所示。它主要通過控制雙向晶閘管的通斷改變通過電抗器所在支路電流的大小以及相位，從而調節總回路電流的功率因素。

圖9 TCR原理圖

由于雙向晶閘管的開關次數不受限制，而如果經常使用機械開關會對其造成一定損耗，降低其壽命，因此TCR性能要優于機械投切式電抗器。因為TCR工作的實質是利用晶閘管的觸發角控制來改變通過電抗器的電流，所以可以實現無級調節，但是裝置本身會產生一定的諧波和一定的有功損耗。

3.4.3 飽和電抗器型（SR）

文獻[19]提出了一種SR型補償器。它是由一個多相的諧波補償自飽和電抗器與一個可投切電容器并聯組成，具有承受過電流的能力強、補償及時、穩定性高以及產生諧波小等優點，非常適用于控制短時的過電壓。

飽和電抗器是一種穩定性極強的無功補償裝置，因此經常被用在以下3種場合：（1）控制電壓的大幅偏移；（2）緩解電壓閃變；（3）在直流輸電終端進行無功補償。但是，運行中的電抗器長期處于飽和狀態，鐵芯損耗較大，飽和電抗器的造價過高，目前在國內的應用尚不廣泛。

3.5 靜止同步補償器（STATCOM）

靜止同步補償器是一種并聯型的無功補償的“柔性交流輸電系統（FACTS）”裝置，是一種實時的動態無功補償器。STATCOM的組成部分主要有主電路、控制系統、監測系統、保護和冷卻系統。它在工作時相當于電壓源型變流器。靜止同步補償器既可以發出功率也可以吸收功率。如圖10所示，工作原理是將絕緣柵雙極型晶體管構成的橋式電路經過交流電抗器并聯在電網中，根據實際需求調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接調節其交流側輸出電流[19-22]，控制發出的無功功率的大小及性質來滿足電網的需求[23]。

圖10 STATCOM基本原理圖

靜止同步補償器在系統中工作時，相當于一個能產生三相正弦對稱電壓的旋轉同步電機[24]。所以，它既能實現滯后無功電流的控制，還能實現超前無功電流的控制。

STATCOM的主要優點包括：

（1）輸出的電流與電壓無關，運行范圍廣；

（2）控制速度快，滿足電網快速動態的補償需求；

（3）產生諧波小，只要讓STATCOM輸出的電流與諧波電流方向相反，就可以對諧波進行抑制，可以有效提高功率因數、電網的穩定性，抑制電壓閃變；

（4）損耗小，只有開關損耗[25]；

（5）占地面積小；

（6）產生噪音大大減小。

STATCOM是智能型的設備，是目前電網無功補償設備中最先進的也是最有發展前景的。

4 無功補償方法的研究現狀及未來的發展趨勢

隨著現代人們的生活水平的提高，人們對電網的供電質量要求越來越高。因此，電網無功補償技術的深入研究與應用成為必然的趨勢。目前，無功補償技術面臨的困難主要有：實現快速、準確的無功補償；減少噪聲污染；減少無功補償設備自身產生的諧波污染；提高補償設備的可靠性，增加電網的穩定性等。因此，各種先進的智能型的無功補償技術是大多數國內外先進科研機構重視的課題。

國外的無功補償技術相較國內起步較早，且比國內重視，因此國外的無功補償技術也比國內成熟很多。并聯電容器組以其經濟實用、輕便、維護方便等優點，廣泛應用于我國電網。直到20世紀70年代初，武漢鋼鐵公司在1.7 cm軋機工程中進口了由比利時直流勵磁飽和電抗器與日本電容器組成的靜止補償裝置后，國內才對動態無功補償問題引起了重視。目前，我國已經在SVC裝置的研發上有了一定的技術基礎，但大容量的SVC還要依靠國外進口。國外生產研制SVC的公司主要有ABB、AREVA以及SIEMENS等。從全球范圍來看，SVC和STATCOM已經得到了廣泛應用。

隨著我國對無功補償技術的科研投入加大，我國在無功補償技術上取得了較大進步。就國內外的研究狀況來看，無功補償裝置的制造技術具有以下發展趨勢：

（1）未來無功補償技術不僅只滿足實現對電網進行無功補償功能，還要滿足高速便捷、智能化的需求；

（2）原來無功補償裝置體積龐大，占地面積大，為了減少占地面積，要實現無功補償裝置的集成化，如可以采用集成芯片控制整個裝置，大大減小體積；

（3）智能化，實現從系統中采集的無功補償數據通過有線或者無線傳播傳到智能終端，然后通過智能終端的一系列計算后向系統發出精確指令，使系統得到精確的無功補償。

5 結 論

本文對多種無功補償技術裝置的原理及方法進行詳細闡述，并對它們的優缺點進行了分析及對比。目前，基于FACTS技術的無功補償裝置將成為未來無功補償技術發展的主要趨勢。同步調相機有功損耗較大，維護困難，響應較慢，成本高，因此逐步被淘汰。并聯電容器雖然投資少，但是不能準確快速對電網進行無功補償。并聯電抗器可以直接接入高壓線路，但是造價較高，其中高壓并聯電抗器發展前景較好。SVC裝置的投資較高，但是技術相對成熟，其調節速度快，滿足電網對快速準確的無功補償的需求，但是不能直接與超高壓電網相接，且可能產生諧振現象，還需要繼續改進。STATCOM裝置以其響應速度快、產生諧波小、損耗小等優點，成為目前最具發展前景的無功補償裝置。